Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
7°. На рис. IV.5.4 показаны зонные диаграммы для /!-«-перехода в равновесном состоянии (а) и для двух полярностей включения в электрическую цепь внешнего источника тока (б, в). Контактный слой представляет собой потенциальный барьер для перехода через него основных носителей (электронов из п- в р-область и дырок из р в тг-область). Соответственно неосновные носители проходят через контактный слой беспрепятственно.
d0
W ) HHT • •
OHT Ґ =? і о * <1
о * < с д. I
UUUU OHT J О
О U HHT
-Дно ЗП
-Уровень Ферми
Рис. IV.5.4, а
IV 5.2. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
439
В состоянии термодинамического равновесия электрический ток /°сн , идущий из р- в и-область за счет перехода через контактный слой основных носителей, полностью компенсируется электрическим током I^eoca ,
идущим в обратном направлении за счет перехода через контактный слой неосновных носителей. Результирующий электрический ток из р- в гс-область
T=T
О OCH
/ - О.
-tHeocH
При включении р-71-перехода во внешнюю цепь в пропускном направлении (рис. IV.5.4, б) напряженность Евнеш внешнего поля противоположна по направлению напряженности Efc контактного электрического поля, создаваемого ионизированными атомами донор-ных и акцепторных примесей в контактном слое. В этом случае с ростом внешнего напряжения U < О уменьшаются и высота и ширина потенциального барьера для основных носителей. Поэтому ток Iocb быстро увеличивается с ростом U, тогда как сила тока /неосн не изменяется
и остается равной /°еосн. Соответственно растет и результирующий ток I > О через р~п-переход, t/ > О
Tl -р внеш + _
+ + - р
W,
d+
=L
і
-Дно ЗП
---Уровень Ферми
-о—Верхний край ВЗ
Рис. IV.5.4, б
440 IV.5. КОНТАКТНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТР И ЭМИССИОН. ЯВЛЕНИЯ
В случае включенияр -n-перехода во внешнюю цепь в запорном направлении, показанном на рис. IV.5.4, в и соответствующем U 0, вектор Евнеш сонаправлен с Ea. С увеличением \U\ возрастают и высота и ширина потенциального барьера для основных носителей. Поэтому
Iocb = Itleocs и быстро убывает с увеличе-
нием |t/|. Результирующий ТОК I — Iocfi - Iaweacit < 0 и бы-
W Jf / • • H і
< а а. I Ь' CU I у Г С с с с U-U-
о о d
- Дно ЗП
-Уровень Ферми -Верхний край ВЗ
Рис. IV.5.4, в
Вольт-амперная характеристика р-п-перехода имеет
вид
Z= Г
MS) ‘ 1J-
3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ
1°. В металлах и полупроводниках процессы переноса заряда (электрический ток) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения подвижных носителей тока — электронов проводимое-
IV.5.3 ТЕРМОЭЛЕКТР ЯВЛ ВМЕТАЛ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ 441
ти и дырок. Эта взаимосвязь обусловливает ряд явлений (Зеебека» Пельтье и Томсона), которые называют термоэлектрическими явлениями.
Выражения для плотности постоянного тока j и плотности потока энергии и в изотропном металле или полупроводнике в отсутствие внешнего магнитного поля имеют вид:
- j =-agrad T-grad f<P - й), (5-1)
о 1 е J
u = -К grad T + nj + ^ф - У ^ j. (5.2)
Здесь ц — химический потенциал электронов, ф —
электрический потенциал, е — элементарный заряд, (ц — еф) — электрохимический потенциал, Kuc — коэффициент теплопроводности и удельная электропроводность. Коэффициенты а и П называют соответственно удельной термоэлектродвижущей силой и коэффициентом Пельтье. Они зависят от материала проводника или полупроводника, а также от температуры. Величины П и а связаны между собой соотношением, вытекающим из законов термодинамики и называемым вторым соотношением Томсона'.
П = а Т.
2°. Явлением Зеебека называют возникновение электродвижущей силы в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников (или полупроводников), если места их контакта (спаи) поддерживают при различных значениях температуры. Величину Wr называют термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Так как
^Ф - ^ ^ — непрерывная функция координат, то = -<j> a grad T - dl = -<Ji a dТ,
L L
где интегрирование производится по всему замкнутому контуру L электрической цепи.
Простейшую замкнутую электрическую цепь (рис. IV.5.5), состоящую из двух разнородных провод-пиков (или полупроводников) I и 2, называют термо-
442 IV.5. КОНТАКТНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТР. И ЭМИССИО.Н. ЯВЛЕНИЯ
элементом, или термопарой. Если Ta и Tb — температуры спаев а и b термоэлемента, то при выбранном на рис. IV.5.5 направлении обхода цепи по часовой стрелке термо-ЭДС термоэлемента равна Th Т„ Tb
Рис. iv.5.5 S7t = " J CX1 AT — J CC2 AT= J- CC12 AT,
где CC1 и CC2 — значения а для двух различных материалов 1 и 2 ветвей термоэлемента, a CC12 = CC2 - CC1 — удельная дифференциальная термоэлектродвижущая сила для данной пары материалов:
«12--^ ¦
Если интервал температур Tb - Ta невелик, то в его пределах можно считать, что Ct12 — постоянная величина и
Zr = VlATb-TJ.
При Tb > Ta Ш‘Т> О, если CC12 = CC2 - CC1 > О, и < О, если CC12 < О. В первом случае термоток I в цепи термоэлемента идет в направлении, показанном на рис. IV.5.4 (по часовой стрелке), а во втором — в противоположном направлении. Таким образом, в горячем спае термоэлемента термоток всегда идет из ветви с меньшим значением а в ветвь с большим значением сс.
