Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
3. Необходимость возникновения термоэлектрического тока видна уже из формулы (104.2), определяющей внутреннюю контактную разность потенциалов на границе двух металлов. Дело в том, что химические потенциалы и щ зависят от температуры. Поэтому, если температуры спаев термопары неодинаковы, то будут неодинаковыми и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению термоэлектрического тока.
484
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ
1ГЛ. VIII
Рассмотрим этот вопрос подробнее. Рассуждение проведем применительно к полупроводникам, так как таким путем будет достигнута большая общность, поскольку в полупроводниках ток переносят не только электроны, но и дырки. Предположим сначала, что носителями тока являются только электроны. Возьмем единственный полупроводник, имеющий форму стержня. Будем нагревать один из его концов, оставляя температуру второго неизменной. Концентрация электронов проводимости в полупроводниках возрастает с повышением температуры. Поэтому у нагретого конца она будет
больше, чем у холодного. Электроны от нагретого конца начнут диффундировать к холодному. Горячий конец, теряя электроны, будет заряжаться положительно, а холодный — отрицательно. Внутри полупроводника возникнет электрическое поле ?, направленное от горячего конца к холодному. Тормозя диффузию электронов, оно будет нарастать до тех пор, пока диффузия не прекратится. Тогда установится стационарное состояние, в котором горячий конец полупроводника окажется заряженным положительно, а холодный—отрицательно. Градиент концентрации электронов, имеющийся в полупроводнике, в отношении возбуждения электрического тока формально эквивалентен полю сторонних сил ЕСТ0р, уравновешивающему в установившемся состоянии электрическое поле Е: ?ст°р = — ?. Таким образом, в электронном полупроводнике поле сторонних сил ?ст°р направлено от холодного к горячему концу (рис. 261, а).
Приведенное рассуждение применимо и к полупроводнику с дырочной проводимостью. Только теперь следует говорить о диффузии дырок, а не электронов. В дырочном полупроводнике нагретый конец зарядится отрицательно, а холодный — положительно. В установившемся состоянии поле Е будет направлено от холодного конца к горячему, а поле сторонних сил ?ст°р — от горячего к холодному (рис. 261, б).
В проводниках смешанного типа от горячего конца к холодному диффундируют одновременно и электроны, и дырки, возбуждая электрические поля в противоположных направлениях. В таких полупроводниках, в зависимости от величины концентраций и подвижностей электронов и дырок, результирующее электрическое поле Е и поле сторонних сил ?ст°р = — Е могут быть направлены как к горячему, так и к холодному концам стержня. В некоторых случаях электрические поля, возникающие из-за диффузии электронов И дырок, компенсируют друг друга, т. Є. Е — — ?стор _ 0.
Злеитронныи jr
полупроводник ~*~ЕСТ~Ц °
Ті>Тг
а)
?¦
'г
'г
Дырочный ------------»- -г
полупроводник Etfop *
6)
Рис. 261.
§ 105]
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
485
Тогда никакой разности потенциалов между концами полупроводника не возникает. Такой случай имеет место в свинце. Вот почему коэффициент термоэлектродвижущей силы а всех материалов принято выражать относительно свинца.
Разность потенциалов между нагретым и холодным концами полупроводника зависит от материала последнего. Поэтому, если* взять две проволоки АВ и А'В' из разных материалов, концы которых А и А' поддерживаются при одной, а концы В и В’ при другой температуре (рис. 262, а), то равновесные разности потенциалоз на концах каждой проволоки будут разными. Соединим в термопару конец А с А', а конец В с В' (рис. 262, б, в). Тогда электрическое равновесие нарушится и в цепи АВВ'А А потечет электрический
а) б) е)
Рис. 262.
ток. Это и есть термоэлектрический ток. Допустим, что проволока А'В' сделана из свинца. Тогда в ней ?ст°р = 0 и весь ток будет обусловлен сторонними силами, действующими в проволоке АВ. Если АВ изготовлена из электронного полупроводника, то ток через горячий спай потечет от Л к Л' (рис. 262, б). Если же она изготовлена из дырочного полупроводника, то он потечет в противоположном направлении (рис. 262, в). Мы видим, что по знаку коэффициента термоэлектродвижущей силы а можно судить о природе носителей тока в полупроводниках: коэффициент а положителен для дырочных и отрицателен для электронных полупроводников.
4. На основании изложенных соображений следует ожидать, что термоэлектрические свойства должны быть выражены значительно сильнее у полупроводников, чем у металлов. Действительно, электроны в металлах находятся в состоянии вырождения. Их энергия весьма слабо зависит от температуры, а концентрация имеет одинаковые значения как при низких, так и при высоких температурах. Слабо зависит от температуры у металлов и положение уровня химического потенциала. Поэтому коэффициент термоэлектродвижущей силы а для металлов и сплавов не превосходит нескольких мкВГС (табл. 6). В полупроводниках, напротив, концентрации дырок и электронов проводимости, а также все параметры, перечисленные выше, сильно меняются с температурой.
