Термоэлектрические явления в полупроводниках

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет

 имени первого  Президента России Б.Н.Ельцина»

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Термоэлектрические явления в полупроводниках»

 

 

 

 

 

 

Студент  группы :                                           

Преподаватель:                                                                 

 

 

12.12.13

г. Екатеринбург

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

Введение

Целью данного реферата является ознакомление с термоэлектрическими явлениями, возникающими при определенных условиях в полупроводниках, рассмотрение их практического применения и знакомство с “праотцами” термоэлектричества.

По мере своего развития, человечеству для комфортной жизни нужны всё более и более совершенные технологии. Причем эти технологии связаны друг с другом. Так, скачок в одной сфере промышленной деятельности влечёт за собой некоторые проблемы, которые могут быть решены лишь при усовершенствовании другой сферы и так далее.

Сейчас, в 21–ом веке, человечество столкнулось со следующими проблемами:

• низкий коэффициент выработки электроэнергии на тепловых электростанциях и, как следствие, высокий уровень теплового загрязнения вместе с колоссальными финансовыми убытками;
• необходимость уменьшения размеров и увеличения производительности микросхем;
• необходимость проведения различного рода измерений в местах с экстремальными физическими условиями;
• и многое другое.

Как известно, всё новое – это хорошо забытое старое. Термоэлектрические явления, открытые ещё в далёком 19–ом веке, теперь служат нам верой и правдой. Правда, так было не всегда…

Несмотря на то, что КПД тепловых машин и термоэлектрических процессов были тогда, в начале 19–ого века, примерно одинаковы и составляли всего лишь 2–3 %, человечество отдало предпочтение именно тепловым машинам. Термоэлектричество оказалось практически полностью незаслуженно забыто до 20–ого века. Никто не знает, каким был бы наш мир, если человечество выбрало 2–ой вариант и также активно развивало его с самого открытия термоэлектрическичества вплоть до сегодняшнего дня. 

Первооткрыватели термоэлектрических явлений

Как было сказано ранее, термоэлектрические явления были открыты в начале 19–ого века. Пионерами в этой области были Томас Иоган Зеебек и Жан Шарль Атаназ Пельтье.

Зеебек (Seebek) Томас Иоганн (9.04.1770 – 10.12.1831) – немецкий физик, член Берлинской Академии Наук (1814г.). Родился в городе Ревель (теперь Таллин). Учился в Берлинском и Гёттингенском унтах, в последнем получил в 1802г. степень доктора. Работал в Йене, в 20–х годах в Берлине. Открыл в 1821г. явление термоэлектричества, названное в последствие “Эффект Зеебека” (в паре "медь – висмут"), построил термопару и использовал ее для измерения температуры. Однако сам он сначала истолковал полученные результаты неправильно.

Пельтье, Жан Шарль Атаназ (22.02.1785 – 27.10.1845) – французский физик, часовщик и метеоролог. Получив в 1815г. наследство, целиком посвятил себя науке. В 1834г. открыл явление выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных полупроводников, получившее название “Эффект Пельтье”. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками. В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут–медь нагревается, а другое – остывает.

Тем не менее, Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснен в 1838г. Ленцем.

 

Принцип действия полупроводникового термоэлектрического прибора.

В полупроводниковых приборах используют термоэлементы, состоящие из двух последовательно соединённых ветвей, изготовленных из различных материалов. Обычно одна ветвь, называемая p–ветвью или положительной ветвью, имеет электропроводность p–типа; другая, называемая n–ветвью или отрицательной ветвью – электропроводность n–типа. Ветви термоэлемента электрически соединены между собой металлическими пластинами. Контакт ветви термоэлемента с металлической пластиной называют спаем.

Принципиальная схема полупроводникового термоэлемента с сопротивлением нагрузки

Возникновение термо–э.д.с. (эффект Зеебека)

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой электрической цепи из разнородных полупроводников при различной температуре спаев возникает термо–э.д.с. которая содержит в себе три составляющие.

1. Диффузия носителей зарядов от горячих спаев к холодным.

Диффузия нарушает электрическую нейтральность горячих и холодных концов каждой ветви, оставляя на горячих нескомпенсированные ионизированные примесные атомы, а на холодных – избыток основных носителей заряда.

Две причины диффузии:

• Если температуры спаев ниже температуры истощения примеси, то у горячего спая оказывается большее число ионизированных примесей по сравнению с холодными концами ветвей. При дополнительной ионизации примесей увеличивается концентрация соответствующих носителей на горячих концах ветвей. Таким образом, возникает градиент концентрации носителей, который и является причиной диффузии.
• Если температуры спаев выше температуры истощения примеси, то изначально концентрация носителей заряда на горячем и холодном конце каждой ветви одинакова. Но на горячих концах ветвей носители обладают большими энергиями. Следовательно, будет происходить диффузия от горячего к холодному концу в каждой ветви из–за выравнивания средней энергии, приходящейся на носитель определённого знака.

2. Зависимость уровня Ферми энергии электронов в полупроводнике от температуры.

Это приводит к тому, что в спаях термоэлемента, находящихся при разных температурах, происходят скачки потенциала при переходе из одного полупроводника в другой.

3. Фононное увлечение электронов (дырок).

Если есть градиент температуры в ветвях термоэлемента, то при колебаниях кристаллическая решётка будет испускать энергию в виде квантов тепловой энергии, летящих от горячего конца к холодному. Сталкиваясь с электронами, фононы увлекают за собой в n–ветви электроны, а в p–ветви – дырки. Всё это приводит к избытку электронов вблизи холодного конца и их недостатку вблизи горячего конца. В результате, внутри проводника возникает электрическое поле, направленное противоположно градиенту температуры.

Таким образом, результирующая термо–э.д.с., состоящая из трёх вышерассмотренных слагаемых зависит от температуры горячего и холодного спаев и от электрофизических свойств материалов, образующих ветви термоэлемента.

В небольшом диапазоне температур термо–э.д.с. можно считать по формуле: , где –коэффициент термо–эдс, Тг и Тх – температуры горячего и холодного спаев соответственно.

Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) – это агрегат энергопитания, состоящий из источника тепловой энергии (поток сплошной среды, горелка, атомный реактор и т.п.), термоэлектрической батареи, токопроводящих цепей и радиатора, охлаждающего холодные спаи термоэлементов. Термоэлектрическая батарея – это совокупность электрически соединённых термоэлементов, которые могут быть соединены между собой последовательно, параллельно или смешанно.

Коэффициент полезного действия термоэлемента

Термоэлектрические генераторы предназначены для непосредственного перевода тепловой энергии в электрическую. Поэтому основным параметром ТЭГ является коэффициент полезного действия, то есть отношение полезной мощности, выделяемой на нагрузке генератора, к количеству тепла, поступающего в единицу времени на горячие спаи термоэлементов.

При рассмотрении работы отдельного термоэлемента была выведена формула его кпд (n). В нижеследующей формуле: R – полное сопротивление ветвей термоэлемента,K – полная теплопроводность ветвей элемента,

 –коэффициент термо–эдс, Тг и Тх – температуры горячего и холодного спаев соответственно, , Rн – сопротивление нагрузки.

Таким образом мы видим, что первый множитель представляет собой кпд идеальной тепловой машины, работающей при том же температурном режиме, что и термоэлемент. Второй множитель характеризует уменьшение кпд, вследствие необратимых потерь на теплопроводность и джоулево тепло в термоэлементе.

Величина называется эффективностью или добротностью термоэлемента. Нетрудно показать, что при определённых температурах концов термоэлемента и , , то есть к кпд идеальной тепловой машины

На данный момент ТЭГ имеют кпд всего лишь около 10%, однако ряд экспертов в квантовой физике утверждают, что в будущем он может быть увеличен вплоть до 20%.

Конструкционные особенности термоэлектрической батареи

В большинстве ТЭГ термоэлектрическая батарея исполнена в виде плоской конструкции, состоящей из нескольких десятков термоэлементов. По форме термоэлементы могут быть разнообразными в зависимости от конструктивных особенностей источника тепловой энергии. Наиболее распространены термоэлементы из ветвей в виде параллелепипедов с различным соотношением площади поперечного сечения и высоты.

Внешний вид одного из вариантов термоэлектрической батареи

Соединение отдельных ветвей между собой должно быть осуществлено металлическими перемычками так, чтобы контактные сопротивления были намного меньше сопротивления ветвей термоэлемента. Иначе контактные сопротивления могут уменьшать эффективность термоэлемента из–за возрастания общего сопротивления термоэлемента при неизменной величине термо–эдс.

Практическое применение термоэлектрических генераторов

Преимущества ТЭГ:

• прямое преобразование теплоты в ток;
• отсутствие движущихся частей и, как следствие, вибрации и стирания;
• длительный ресурс работы без обслуживания;
• возможность использования теплоты от любых источников тепловой энергии, включая ядерные реакции;
• отсутствие вредных химических и тепловых выбросов;
• способность работы не зависимо от пространственного положения;
• независимость от среды (космос, вода, земля), в которой эксплуатируется ТЭГ;

 

В настоящее время существуют следующие области применения ТЭГ:

• катодная защита магистральных газо– и нефтепроводов от коррозии,
• электропитание космических аппаратов, исследующих дальний космос,
• электропитание навигационных и метеорологических установок,
• источник питания для кардиостимуляторов,
• автономный источник энергии в быту.

Космический аппарат Вояджер–2, питаемый ТЭГ, вышел к границам солнечной системы

 

Холодильники и тепловые насосы

Поглощение или выделение тепла в спаях термоэлементов (эффект Пельтье)

Эффект Пельтье состоит в том, что при протекании тока через цепь, составленную из разнородных полупроводников, в одних спаях происходит выделение, а в других – поглощение тепла. Таким образом, эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека.

Установлено, что количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла пропорционально заряду q, прошедшему через спай: , где – к –оэффициент Пельтье, зависящий от электрофизических свойств материалов ветвей термоэлемента.

Наряду с этим явлением происходит также выделение джоулева тепла, пропорционального квадрату силы тока и сопротивлению спая .

Алгебраическая сумма количеств теплоты для спая, где поглощается тепло: .

Зависимость количества тепла Q, поглощаемого на холодном спае термоэлемента, от величины тока, проходящего по термоэлементу

При токе равном 0 оба тепловых эффекта отсутствуют и охлаждения нет, а при достаточно большом токе будет выделяться больше джоулева тепла, чем поглощаться тепла Пельтье и охлаждение спая перейдёт в нагрев. Поэтому существует оптимальный ток, при котором эффект охлаждения максимален. Приняв время за единицу (рассматривая эффекты в единицу времени) и продифференцировав уравнение ( ) по I, находим, что Q имеет экстремум при оптимальном токе: . При этом токе .

Так как эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека, то для термоэлемента существует связь между коэффициентом Пельтье и коэффициентом термо – эдс:

Это соотношение может быть получено при применении к термоэлектрическим явлениям первого и второго законов термодинамики.

Два типа контактов:

1. Контакт двух полупроводников с одинаковыми типами проводимости.

В этом случае носители тока (электроны или дырки) по разные стороны от спая имеют различную среднюю энергию (состоящую из кинетической и потенциальной составляющих). Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они отдают избыток энергии кристаллической решётке, в результате чего спай нагревается. На другом спае носители переходят в область с большей энергией; недостаток энергии они заимствуют у решётки, что приводит к охлаждению спая.

2. Контакт проводников с различными типами проводимости.

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 p–полупроводник, занимает в валентной зоне место дырки. При этом высвобождается энергия, которая требуется для образования свободного электрона в n–полупроводнике и дырки в p–полупроводнике, а также кинетическая энергия электрона и дырки. Эта энергия сообщается кристаллической решётке и идёт на нагревание спая. На другом спае протекающий ток отсасывает электроны и дырки от границы между полупроводниками. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счёт попарного рождения электронов и дырок (при этом электрон из валентной зоны p–полупроводника переходит в зону проводимости n–полупроводника). На образование пары затрачивается энергия, которая заимствуется у решётки, – в спай охлаждается.