Термоелектрика металів і напівпровідників

Термоелектрика металів і напівпровідників

У 1821 р Зеєбек відкрив явище, що отримало назву термоелектричного ефекту. Сутність цього явища полягає у виникненні електричного струму в замкнутому ланцюзі, утвореної з неоднакових за складом провідників, при обов'язковій умові, що місця з'єднання провідників між собою мають різну температуру. Розглянемо наступний конкретний приклад. Складемо ланцюг з двох шматків сталевого і шматка мідного дроту.

Якщо спаяти кінці цих дротів так, як показано на рис. 1, то вийде разомкнутая ланцюг, середня частина якої утворена мідним дротом. Нехай температури решт сталевих дротів і першого спаю матимуть одне і те ж значення температури Т1. Якщо тепер другий спай нагрівати до температури Т2, то на кінцях сталевих дротів виникне різниця потенціалів U, величина якої пропорційна різниці температур Т2 - Т1 т. Е. U = α (T2 - T1)

Якщо замість трьох дротів спаяти тільки дві (сталеву і мідну) і, як в попередньому випадку, нагрівати спай до температури T2, а кінці дротів підтримувати при температурі Т1 то на кінцях дротів теж з'явиться різниця потенціалів. При замиканні такого ланцюга на міліамперметр останній відзначить поява струму, який буде текти безперервно, якщо підтримувати різницю температур між першим і другим спаями.

У розглянутому явищі має місце безпосередній перехід теплової енергії в електричну. Незважаючи на цю, вкрай важливу особливість, термоелектрика протягом багатьох років залишалося в очах людей швидше забавним явищем, ніж важливим фактором, який може бути використаний для вирішення великих енергетичних проблем. "Серед великих відкриттів Ерстеда, Ампера і Фарадея, - пише академік А. Ф. Йоффе, - термоелектрика привернуло мало уваги. Надалі застосування його до вимірювання температур померкло в порівнянні з електромагнітами, електричними машинами і трансформаторами. Так воно і залишалося на задвірках фізики ".

Становище різко змінилося лише після того, як, починаючи приблизно з 30-х років нашого століття, фізики стали посилено вивчати термоелектричні явища в напівпровідниках.

Перш ніж перейти до напівпровідників, розглянемо, чому різниця температур між першим і другим спаями ланцюга, складеної з трьох металевих дротів, створює різницю потенціалів. Спочатку розглянемо більш простий випадок. Якщо кінці дротів з однорідного матеріалу знаходяться при різних температурах Т1 і T2, то в цьому випадку електрони будуть переміщатися від більш гарячого кінця дроту до її холодного кінця в більшій кількості, ніж у зворотному напрямку. Внаслідок цього гарячий кінець зарядиться позитивно, а холодний - негативно. Поява позитивного і негативного зарядів на протилежних кінцях дроту призведе до появи електричного поля, спрямованого від гарячого кінця провідника до холодного. Так як електрони дифундують від гарячого кінця до холодного в більшій кількості, ніж у зворотному напрямку, що призводить до збільшення накопичення позитивного і негативного об'ємних зарядів, напруженість електричного поля в свою чергу також зростає. Незважаючи на безперервно підтримувану різницю температур, зростання зарядів на гарячому і холодному частинах дроту, в кінці кінців, припиниться. Це відбудеться тому, що напруженість електричного поля зросте до такого значення, яке в подальшому компенсує сили дифузії. В результаті на кінцях дроту при даній різниці температур Т2 Т1 встановиться постійна різниця потенціалів.

Дещо складніше буде в разі двох різнорідних металів.

Вище було відзначено, що виникає різниця потенціалів, або так звана термоелектрорушійна сила, пропорційна різниці температур. Звідси випливає, що коефіцієнт термоелектродвіжущей сили α чисельно дорівнює величині різниці потенціалів, що виникає при різниці температур в один градус. Взагалі кажучи, коефіцієнт термоелектродвіжущей сили α в свою чергу також залежить від температури, однак для деяких пар металів ця залежність не сильно виражена. Для більшості металів чисельні значення α в загальному малі.

У табл.1 наводяться значення α для деяких металів і сплавів по відношенню до платини.

Невеликі чисельні значення а для всіх металів і стали однією з причин того, що протягом 130 років з моменту відкриття явища термоелектрики воно не знайшло енергетичних застосувань. Лише в термометрії термоелектричний ефект знайшов широке і заслужене визнання. Коефіцієнт корисної дії металевих термопар зазвичай обчислюється сотими, а в кращому випадку десятими частками відсотка. Це пояснюється марною тратою значної кількості теплової енергії, що підводиться до нагрівається спаю, і малим значенням а, В металах концентрація вільних електронів практично залишається постійною в широкому температурному діапазоні, а їх кінетична енергія мало залежить від температури. Тому хоча при створенні на кінцях металу різниці температур виникають умови для дифузії електронів, але ця дифузія така, що утворюється різниця потенціалів дуже мала.

Зовсім інша картина спостерігається в напівпровідниках. Вона настільки вигідно відрізняється від того, що має місце в металах, що стало можливим говорити про здійснення термоелектробатарей, безпосередньо перетворюють теплову енергію в електричну з порівняно великим коефіцієнтом корисної дії. Як відомо, в напівпровідниках концентрація носіїв електрики при кімнатній температурі значно менше, ніж в металах. Потім кінетична енергія носіїв струму в напівпровідниках зростає з підвищенням температури сильніше, ніж в металах. На відміну від металів в напівпровідниках концентрація носіїв струму швидко зростає з температурою. Якщо при абсолютному нулі температури в зоні провідності немає жодного електрона, то навіть при кімнатних температурах концентрація носіїв зарядів може досягати цифри в 10 ^ 20 на 1 см3. "

Ці найважливіші відмінності напівпровідників від металів дають можливість спостерігати в багатьох напівпровідниках термоелектродвіжущей сили, в десятки разів більші, ніж в металах. При цьому відбувається наступний процес. Носії електрики, електрони або "дірки" дифундують з більш гарячої області напівпровідника, в якій як їх концентрація, так і їх кінетичні енергії мають великі значення в області зі зниженою температурою, де їх концентрації і кінетичні енергії менше. З іншого боку, відбувається переміщення носіїв струму і в зворотному напрямку - від холодного кінця до гарячого.

Але на самому початку процесу, до моменту встановлення динамічної рівноваги, число носіїв, які прямують від гарячого кінця до холодного, більше, ніж у зворотному напрямку. Це переміщення зарядів призводить до досить швидкого виникнення надлишку позитивних зарядів на одному кінці напівпровідника і надлишку негативних на його іншому кінці. Одночасно зі збільшенням числа зарядів зростає і різниця потенціалів між крайніми точками напівпровідника. Як і в розглянутому вище випадку з металом, зростаюче електричне поле буде сповільнювати дифузію зарядів від гарячого кінця до хо-лодной, що, врешті-решт, призведе до рівноважного стану: потоки зарядів в обох напрямках зрівняються, а виникла при цьому різниця потенціалів і буде термоелектродвіжущей силою. У цьому процесі з особливою чіткістю проявляється дірковий і електронний механізм 'Провідності напівпровідника. Гарячий кінець діркового напівпровідника заряджається негативно, а холодний - позитивно, що відповідає дифузії дірок з гарячою області в холодну. В електронному речовині спостерігається зворотна картина: гарячий кінець заряджається позитивно, а холодний негативно, що відповідає дифузії електронів від гарячого кінця до холодного.

На відміну від металів коефіцієнт термоелектродвіжущей сили, а у напівпровідників значно більше і може досягати значень, понад 1000 мкв на градус.