Тема 9. Контактные и термоэлектрические явления (стр. 3 )

                                       .

       Таким образом, относительное изменение концентрации свободных

электронов в контактном слое составляет примерно 1%. Исходя из этого можно считать, что удельная проводимость и удельное сопротивление контактного слоя практически не отличаются от значений этих величин в других местах металлов.

9.4. Термоэлектрические явления

       К числу таковых относятся явления Пельтье и Зеебека;  они обусловлены тем, что между электрическими и тепловыми процессами в металлах и полупроводниках имеется тесная взаимосвязь.

       В 1921 г. Зеебек обнаружил, если места спая двух разнородных металлических проводников  поддерживать при разных температурах, то в цепи, образованной этими проводниками, течет электрический ток (рис. 9.7).

                                       

                                               Рис. 9.7

Если изменить знак разности температур спаев, ток изменит свое направление. В данном случае возникновение э. д.с  (она называется термоэдс) обусловлено тремя причинами:

       – зависимостью положения уровня Ферми от температуры;

       – диффузией электронов;

       – взаимодействие электронов с фононами.

       Выше уже отмечалось, что положение уровня Ферми в некоторой степени зависит от температуры, поэтому контактная разность потенциалов в спаях 1 и 2 неодинакова. Для определенности положим, что температура спая 1 выше. По определению, электродвижущей силой называется работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда вдоль цепи. В контуре, изображенном на рис. 9.7, потенциал изменяется скачком  в местах обоих спаев. Поэтому

               ,

где  и  – разность потенциалов между металлами  и  в спае 1 и между металлами и в спае 2. Поскольку

               ,  ,

имеем:

.

       Таким образом, значение  термоэдс в прочем определяется разностью энергии Ферми контактирующих металлов при разных температурах.

       Вторая причина возникновения термоэдс  заключается в диффузии электронов вдоль проводников. Действительно, концентрация электронов с энергией, превышающей энергию Ферми, больше у того спая, температура которого выше, и наоборот – концентрация электронов с энергией, меньшей  , больше там, где температура ниже.  В результате этого в металле будет существовать диффузионный поток электронов с к менее нагретому спаю и встречный поток электронов с к спаю с более высокой температурой. Поскольку энергия (и скорость)  электронов первого потока больше, этот поток будет преобладать.

Третья причина возникновения термоэдс заключается в увлечении электронов фононами. Дело в том, что при наличии разности температур между спаями в проводниках будет существовать поток тепла от более нагретого к менее нагретому концу. Тепловой поток можно представить как упорядоченное движение фононов– квантов тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке. Сталкиваясь с электронами, фононы передают им свой импульс, в результате чего электроны начинают двигаться в том же направлении, что и фононы.

       Явление Зеебека используется на практике для измерения температуры, соответствующее устройство называется термопарой. Основной элемент этого устройства представляет собой два разнородных металлических проводника (тонкие проволоки), соединенные так, как показано  на рис. 9.7. Один спай термопары поддерживается при определенной температуре (например – при  ), другой спай помещают в среду, температуру которой нужно измерить.  Поскольку сила тока в цепи термопары зависит от разности температур спаев, значение искомой температуры считывается по шкале амперметра, включенного в цепь, шкала которого предварительно проградуирована. Такой способ позволяет измерять температуру с точностью до сотых долей градуса.

       Явление Пельтье впервые наблюдалось в 1834 г. и заключается в том, что при протекании тока через цепь, составленную из разнородных металлов или полупроводников, в одном спае происходит выделение теплоты, в другом спае – ее поглощение. Опытным путем установлено, что количество выделившейся или поглощенной теплоты пропорционально заряду, прошедшему через тот или другой спай:

                                       .

Здесь – электрический заряд, прошедший через спай из проводника в проводник  , – коэффициент Пельтье для этой пары проводников,  – сила тока в цепи термопары,  – время. Из последнего равенства следует, что в отличие от теплоты Джоуля-Ленца теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока. При изменении направления тока в этом же спае вместо выделения происходит поглощение  такого же теплоты:

                                       .

       Причина явления  Пельтье, как и явления Зеебека, заключается в том, что контактирующие материалы имеют различные значения энергии Ферми. Если электроны, пройдя через один спай, попадают в область с меньшим значением , они отдают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего температура этого спая повышается. Проходя  другой спай, электроны попадают в область с большим  значением ; недостаток энергии они заимствуют у кристалла, что приводит к охлаждению этого спая.

       9.4. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)

       На основе полупроводников с проводимостью различного типа изготавливаются устройства, с помощью которых можно выпрямлять переменный синусоидальный ток, преобразуя его в пульсирующий, а также увеличивать мощность тока. Эти устройства получили название полупроводниковых диодов и триодов (транзисторов). Их основным элементом является т. н. переход, который представляет собой тонкий слой на границе контакта двух полупроводников с проводимостью и  типа. В  области основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате перехода электронов из валентной зоны на уровни акцепторной примеси. Кроме того, в  области имеется небольшое количество неосновных носителей тока (электронов), которые за счет энергии теплового движения перешли из валентной зоны в зону проводимости.  В  области основные носители тока – это электроны, перешедшие с уровней  донорной примеси в зону проводимости, неосновные носители тока – дырки, образовавшиеся за счет перехода электронов в зону проводимости из валентной зоны. Если создать плотный механический контакт из полупроводниковых кристаллов с проводимостью    и  типа, то электроны из  области будут диффундировать в  область и рекомбинировать с дырками. В результате этого на границе раздела полупроводников образуется двойной электрический слой: в  области – слой положительно заряженных ионов донорной примеси, в  области – слой отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси. Это приводит к тому, что на границе раздела формируется электрическое поле, вектор напряженности которого направлен из  области в  область. Когда напряженность этого поля достигнет определенной величины, диффузия электронов из  области  прекратится; через границу раздела будут двигаться лишь неосновные носители тока. Если  переход подключен к источнику тока так, что на  область подан положительный, а на  область – отрицательный потенциал, электрическое поле источника будет направлено против поля запирающего слоя. В результате этого электроны вновь будут двигаться из  области в  область, т. е. через переход пойдет ток. В этом случае напряжение, поданное на переход, называется пропускающим. Если же изменить полярность подключения источника, его электрическое поле будет усиливать поле запирающего слоя, и ток будет отсутствовать (при этом напряжение  на переходе называется запирающим.