Эффекты Пельтье и Зеебека

В 1821 г. Зеебек, проводя опыты обнаружил эффект возникновения термо-э.д.с. В основных чертах этот эффект сводится к следующему. Если нагреть один конец бруска электронного полупроводника, а второй его конец поддерживать охлажденным, то между холодным и нагретым концами возникнет э.д.с.

Неравномерный нагрев однородного полупроводника приводит к градиенту средней энергии носителей заряда в различных частях кристалла. Кроме того, перепад температуры может влиять на изменение концентрации носителей заряда. Вследствие указанных причин возникает диффузный поток носителей заряда из нагретой в более холодную область кристалла. Образуется внутреннее электрическое поле препятствующее дальнейшему разделению зарядов и способствующее установлению равновесия.

В полупроводниках в общем случае в создании термо-э.д.с. принимают участие носители заряда двух типов – электроны и дырки. Обусловленные ими составляющие термо-э.д.с. противоположны по знаку.

Значение дифференциальной термо-э.д.с., т.е. отнесенной к единичной разности температур, определяется выражением:

(4.7)

где - концентрация заряда;

эффективная масса n-электронов, р-дырок;

k- постоянная Больцмана;

h- постоянная Планка;

подвижность n-электронов, р-дырок,

где первое слагаемое характеризует вклад, вносимый электронами, а второе – дырками. Для примесных полупроводников формула упрощается, поскольку одним из слагаемых можно пренебречь.

В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны. Их поток от горячего конца к холодному будет больше, чем в противоположном направлении. В результате диффузии на холодном конце накапливается отрицательный заряд избыточных электронов, а на горячем конце образуется нескомпенсированный положительный заряд ионизированных доноров.

В полупроводнике р-типа в процессе диффузии участвуют дырки, поэтому полярность возникающей термо-э.д.с. изменяется на противоположную.

Термо-э.д.с., возникающую в объеме полупроводника, называют объемной термо-э.д.с.

При воздействии тепла на электронно-дырочный переход в районе перехода будет иметь место усиленная тепловая генерация парных зарядов. Электроны и дырки будут разделяться полем перехода и заряжать n-область, примыкающую к переходу, отрицательно, и р‑область — положительно. Эту э.д.с. называют контактной термо-э.д.с.

Нетрудно видеть, что контактная термо-э.д.с. и объемная термо-э.д.с. будут направлены встречно. Таким образом, результирующая термо-э.д.с. не будет зависеть от увеличения концентрации носителей (поскольку этот эффект дает противоположный по знаку вклад в объемную и контактную термо-э.д.с.), а будет определяться только разогревом электронов на нагретом конце и потоком горячих электронов в сторону холодного конца.

Соединяя последовательно столбики полупроводника n- и p-типа, получим термоэлектрическую батарею. Нагревая одни спаи и поддерживая другие охлажденными (рис.4.12), получаем возможность непосредственно преобразовать тепловую энергию в электрическую.

Рис. 4.12. Схематическое изображение термогенератора

При перепаде температур между холодным и горячим спаями порядка 350°С можно получать к.п.д. около 9%. При перепаде температур 500° С к.п.д. достигает 10–12%. Если поддерживать холодный спай при —100°С, а горячий — при 1500°С, то возможно получение к.п.д., достигающего 30%. Решающее значение, бесспорно, будет иметь при этом правильный выбор полупроводниковых материалов. В настоящее время термоэлектрические материалы представляют собой трех- и даже пятикомпонентные системы, в состав которых входят обычно в различных соотношениях висмут, сурьма, серебро, олово, теллур и другие элементы.

В 1834 г. Пельтье, проводя эксперименты со спаями висмута и меди, открыл, что при пропускании через них электрического тока, один из спаев нагревается.

Эффекты Пельтье и Зеебека являются взаимно обратными эффектами. При подведении напряжения от внешнего источника к системе подобной рис.4.12, одна группа спаев будет нагреваться, а другая группа — охлаждаться. То есть будут иметь место процессы, изображенные с помощью зонных диаграмм на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Процессы при возникновении эффекта Пельтье

В спае I будет иметь место переход электронов с более высоких уровней на более низкие. (Уход дырки из дырочного полупроводника мы рассматриваем как переход электрона из металла на уровень валентной зоны). Электроны будут отдавать в результате столкновений избыточную энергию решетке полупроводника или металла. Спай I будет разогреваться. В спае II будет иметь место обратное явление: электроны из металла будут переходить на более высокие уровни в полупроводнике. Необходимая для этого энергия будет отниматься электронами у кристаллической решетки. Спай II будет охлаждаться. При изменении направления тока процессы в спаях I и II поменяются местами.

Развитие техники полупроводниковых холодильников позволило сегодня получать на холодном спае температуры до — 90–100° С.