Контактные явления

В качестве источников тока термопары из металлов и их сплавов не используются вследствие весьма низкого КПД (не более 0,5 %). Термопары из полупроводниковых материалов обладают гораздо большим. КПД (порядка 10%). Они нашли применение в качестве небольших генераторов для питания радиоаппаратуры.

Эффект  Пельтье. Этот эффект, заключается в том, что при протекании тока через цепь, составленную из разнородных металлов или полупроводников, в одних спаях происходит выделение, а в других — поглощение теплоты. Таким образом, эффект Пельтье оказывается обратным эффекту Зеебека.

Экспериментально найдено, что количество выделившейся или поглотившейся в спае теплоты пропорционально заряду , прошедшему через спай:

                                                                               (2.3)

(индексы указывают, что ток течет от звена А к звену В). Коэффициент    пропорциональности называется коэффициентом Пельтье.

Из (2.3) следует, что, в отличие от теплоты Джоуля — Ленца, теплота Пельтье пропорциональна не квадрату, а первой степени силы тока.

При перемене направления тока Q изменяет знак, т.е. вместо выделения (поглощения) теплоты наблюдается поглощение (выделение) такого же количества теплоты (при том же q). Следовательно,

В случае контакта двух веществ с одинаковым видом носителей тока (металл — металл, металл — полупроводник n-типа, два полупроводника n-типа, два полупроводника р-типа) эффект Пельтье имеет следующее объяснение. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны от спая имеют различную среднюю энергию (имеется в виду полная энергия — кинетическая плюс потенциальная). Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они отдают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего спай нагревается. На другом спае носители переходят в область с большей энергией; недостающую энергию они заимствуют у решетки, что приводит к охлаждению спая. 

3. Контакт  двух полупроводников.

В случае контакта двух полупроводников с  различным типом проводимости эффект Пельтье имеет другое объяснение. В этом случае на одном спае электроны и дырки движутся навстречу друг другу. Встретившись, они рекомбинируют: электрон, находившийся в зоне проводимости n-полупроводника, попав в р-полупроводник, занимает в валентной зоне место дырки. При этом высвобождается энергия, которая требуется для образования свободного электрона в n-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике, а также кинетическая энергия электрона и дырки. Эта энергия сообщается кристаллической решетке и идет на нагревание спая. На другом спае протекающий ток отсасывает электроны и дырки от границы между полупроводниками. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок (при этом электрон из валентной зоны р-полупроводника переходит в зону проводимости n-полупроводника). На образование пары затрачивается энергия, которая заимствуется у решетки,— спай охлаждается.

Контакт полупроводников разного типа, называемый p - n-переходом, лежит в основе устройств, получивших название транзисторов. Этот переход представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. Для изготовления такого перехода берут, например, монокристалл из очень чистого германия с электронным механизмом проводимости (обусловленным ничтожными остатками примесей). В вырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек индия. Во время этой операции, которая осуществляется  в  вакууме  или  в атмосфере инертного 
газа, атомы индия диффундируют в германии на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость  германия стано-

вится дырочной. На  границе этой области возникает p—n-переход. Существуют и другие способы получения p — n-переходов.

Диффундируя во встречных направлениях через  пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому p - n-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси, заряд которых теперь не компенсируется дырками, и положительными ионами донорной примеси, заряд которых теперь не компенсируется электронами. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте (рис.3.1) 

Зона  проводимости 

 уровень Ферми 

Запрещенная зона 

Валентная зона 

Рис. 3.1. изгибание энергетических зон в области p-n-перехода  

Изгибание энергетических зон в области  перехода вызвано тем, что потенциал p-области в состоянии равновесия ниже, чем потенциал n-области; соответственно потенциальная энергия электрона в p-области больше, чем в n-области. Нижняя граница валентной зоны дает ход потенциальной энергии электрона в направлении, перпендикулярном к переходу. Заряд дырок противоположен заряду электрона, поэтому их потенциальная энергия больше там, где меньше , и наоборот.

В состоянии  равновесия некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течет небольшой ток . Этот ток компенсируется обусловленным неосновными носителями встречным током .  Неосновных носителей очень мало, но они легко проникают через границу областей, «скатываясь» с потенциального барьера. Величина определяется числом рождающихся ежесекундно неосновных носителей и от высоты потенциального барьера почти не зависит. Величина , напротив, сильно зависит от высоты барьера.

Равновесие  устанавливается как раз при такой высоте потенциального барьера, при которой оба тока и   компенсируют друг друга.

Подадим на кристалл внешнее напряжение такого направления, чтобы плюс был подключен к p-области, а минус — к n-области (такое напряжение называется прямым). Это приведет к возрастанию потенциала (т.е.увеличению   и уменьшению ) p-области и понижению потенциала (т.е. уменьшению и увеличению ) n-области. В результате, высота потенциального барьера уменьшится и ток возрастет. Ток же останется практически без изменений (он, как отмечалось, от высоты барьера почти не зависит). Следовательно, результирующий ток станет отличен от нуля. Понижение потенциального барьера пропорционально приложенному напряжению (оно равно еU). При уменьшении высоты барьера ток основных носителей, а следовательно, и результирующий ток быстро нарастают. Таким образом, в направлении от p-области к n-области p — n-переход пропускает ток, сила которого быстро нарастает при увеличении приложенного напряжения. Это направление называется прямым (или пропускным, или проходным).

На рис. 3.2 приведена вольт-амперная характеристика p – n-перехода. 

Возникающее в кристалле при прямом напряжении    электрическое поле «поджимает» основные носители к границе между областями,   вследствие   чего   ширина переходного    слоя,    обедненного носителями,

сокращается.   Соответственно уменьшается и сопротивление   перехода,   причем   тем сильнее, чем больше напряжение. Рис. 3.2.      

Поэтому вольт-амперная характеристика в  пропускной  области не является прямой   (см.  правую ветвь кривой на  рис. 3.2).

Теперь  приложим к кристаллу напряжение такого направления, чтобы плюс был подключен к n-области, а минус — к p-области (такое напряжение называется обратным). Это приведет к повышению потенциального барьера и соответственному уменьшению тока основных носителей . Возникающий при этом результирующий ток (называемый обратным) быстро достигает насыщения (т.е. перестает зависеть от U) и становится равным Таким образом, в направлении от n-области к p-области (которое называется обратным или запорным) p — n-переход пропускает слабый ток, целиком обусловленный неосновными носителями. Лишь при очень большом обратном напряжении сила тока начинает резко возрастать, что обусловлено электрическим пробоем перехода (см. левую ветвь на рис. 3.2). Каждый p – n-переход характеризуется своим предельным значением обратного напряжения, которое он способен выдержать без разрушения.

Из рис. 3.2 следует, что p — n-переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом. Это объясняется тем, что поле, возникающее в кристалле при наложении обратного напряжения, «оттягивает» основные носители от границы между областями, что приводит к возрастанию ширины переходного слоя, обедненного носителями.

увеличивается и сопротивление перехода.

Соответственно  увеличивается и 

сопротивление перехода.

Неодинаковость  сопротивления в

прямом и обратном направлениях

позволяет использовать p—n-переходы

для выпрямления  переменного тока.

                                                                                    Рис. 3.3. Выпрямление пе –

                                                                                    ременного тока с помощью

                                                                                    p – n-перехода

На рис. 3.3 показан график тока, текущего через переход, в этом случае, если приложенное напряжение изменяется по гармоническому закону. В этом случае ширина слоя, обедненного носителями, и сопротивление перехода пульсируют, изменяясь в такт с изменениями напряжения.

 
 
 
 
 
 

   
 
 
 
 
 
 
 

Список используемой литературы:

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. курс физики: Учеб. Пособие для вузов .- 3-е изд., испр.- М.: Высш. шк., 2001.-718 с.: ил.

2. Савельев И.В. Курс физики: Учебное пособие. В 3-х тт.Т. 2. электричество. Колебания и волны. Волновая оптика. 3-е изд., стер.- Спб.: издательство «Лань», 2007.-480 с.: ил.-(учебники для вузов. Специальная лите6ратура)