Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
Е — аАТ (15Л).
в котором коэффициент пропорциональности а носит название коэффициента Томсона. Обычно Е по порядку величины составляет несколько милливольт.
Эффект Томсона наблюдается и в полупроводниках. По знаку термо-э. д. с. можно различить полупроводники с п- и р-типом проводимости. В полупроводниках я-типа, как и в металлах, «холодный» конец приобретает отрицательный знак. Для полупроводников р-типа в области собственной проводимости (рис. 14.20) носителями заряда являются положительные дырки и холодный конец заряжен положительно. Происходит это потому, что на горячем конце из валентной зоны на акцепторные уровни переходит большее количество электронов, чем на холодном конце стержня. Избыток концентрации положительных дырок, возникающий на горячем конце, приводит к тому, что некоторые из них перемещаются к холодному концу и сообщают ему положительный заряд.
.-96
15. Другие электрические свойства
Как таковой эффект Томсона трудно использовать для получения энергии. В частности, с его помощью нельзя получить электрический ток по замкнутому контуру, так как при создании разности температур в двух точках однородного металлического контура в двух его ветвях, соединяющих горячую и .холодную точки, создаются равные, но противоположно направленные э. д. с. (рис. 15.1, в). Если же ветви контура изготовлены .из различающихся металлов, то как показано ниже, в местах их контактов возникают дополнительные термоэлектрические эффекты.
15.1.2. Эффект Пельтье
При пропускании электрического тока в определенном направлении на границе двух разнородных проводников, например железа и меди, выделяется теплота. При перемене направления тока происходит поглощение тепла. Когда два разнородных металла просто приведены в контакт друг с другом, то электроны одного из этих металлов переходят в другой до тех пор, пока не будет достигнута такая величина электрического поля (или «пространственного заряда»), которая препятствует дальнейшему переходу электронов. Процесс перехода электронов возникает вследствие разного положения уровней Ферми в различных металлах. Контакт разнородных металлов таким образом становится источником э. д. с, называемой э. д. с. Пельтье и •обозначаемой буквой я; величина этой э. д. с. зависит от природы контактирующих металлов и температуры контакта. Э. д. с. Пельтье, как правило, составляет несколько милливольт. Наибольшие значения получены для пары олово — висмут и некоторых полупроводниковых соединений.
Зонная структура контакта металл — полупроводник /г-типа схематически изображена на рис. 15.2. При установившемся равновесии в каждом таком контакте уровни Ферми по обе стороны находятся на одинаковой высоте. Для достижения равновесия, однако, необходимо некоторое изменение зонной структуры на поверхности полупроводника (похожие явления наблюдаются на поверхностях полупроводник — воздух: в приповерхностном слое создается пространственный заряд, влияющий на зонную структуру). В полупроводнике /г-типа уровень Ферми расположен на глубине и ниже дна зоны проводимости. Для того чтобы электроны перемещались через контакт слева •направо, им необходима энергия, позволяющая перейти из валентной зоны металла в зону проводимости полупроводника, и .дополнительная энергия, равна 3/г^^, соответствующая кинетической энергии свободных электронов. Таким образом, каждый •электрон, .который осуществляет переход в указанном иаправ
15.1. Термоэлектрические явления
97
лении, «черпает» энергию из металла, что приводит в итоге к охлаждению контакта. Наоборот, если электронный ток / направлен справа налево, то на контакте выделяется теплота
<2 = я1 = 1/е0(и+ (15.2)
15.1.3. Эффект Зеебека
Рассмотрим замкнутый контур, образованный разнородными проводниками А и В (рис. 15.3), контакты которых находятся при температурах Т\ и Т2. Градиенты температуры устанавливаются в обоих металлах, и соответственно в каждом из них возникает э. д. с. Томсона. В обоих контактах возникают э. д. с. Пельтье, но они различны по величине вследствие различия
металл
полупроводник зона проводимости
Рис. 15.2. Зонная структура на границе металл — полупроводник, приводящая к возникновению э. д, с. Пельтье.
температур контактов. Результирующая по всему контуру э. д. с. равна алгебраической сумме двух э. д. с. Томсона и двух э. д. с. Пельтье и, как правило, отлична от нуля
Е = К-о-в) АГ + (яАВГа-яАВг1) (15.3)
Направления (знаки) отдельных составляющих э. д. с. указаны на рис. 15.3. Ток будет идти по контуру все время, пока поддерживается разность температур контактов двух проводников. Это явление, называемое эффектом Зеебека, лежит в основе
7—1426
98
15. Другие электрические свойства
<ГААГ
0-вД7"
Рис. 15.3. Эффект Пельтье и Томсона в термопаре.
действия термопар. Коэффициент термо-э. д. с. (или коэффициент Зеебека) а определяется соотношением
а = я/Г (15.4)
Как правило, сс^Ю-6 В/град, но для цепей с некоторыми полупроводниками значения а достигают ~ 1 мВ/град.
15.1.4. Термопары
Термопары являются незаменимыми устройствами при измерениях температуры. Они используются в чрезвычайно широком температурном интервале, ограниченном сверху плавлением используемых металлов (для платиновых сплавов, например, предельные температуры достигают ~1700°С).
