Лекция 15 Элементы физики твердого тела Термоэлектрические явления

Лекция 15. Элементы физики твердого тела. Термоэлектрические явления. Аэроионы 1. 2. 3. 4. Элементы зонной теории проводимости твердых тел. Электронно - дырочный переход. Полупроводниковый диод. Термоэлектрические явления. Аэроионы и их профилактическое действие.

1. Элементы зонной теории проводимости твердых тел l l Твердые тела по своим электрическим свойствам разделяются на три класса: металлы, полупроводники, диэлектрики. У проводников удельная электрическая проводимость имеет значения 104 -106 См/см, у диэлектриков она менее 10 -10 См/см, а у полупроводников ее значение определяются диапазоном от диэлектриков до проводников.

Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T

Энергия электрона l l Электропроводность полупроводников определяется энергетической структурой носителей зарядов. Энергия электрона может принимать только разрешенные значения, которые группируются в зоны.

Валентная зона и зона проводимости

Валентная зона l l Валентная зона – это зона, связанная с атомами. Зона проводимости свободна. В валентной зоне и зоне проводимости уровни энергии сосредоточены достаточно часто, расстояние между соседними уровнями 10 -23 э. В.

Запрещенная зона l В полупроводнике дно зоны проводимости отделено от потолка валентной зоны интервалом энергии, внутри которого, если кристалл идеальный и без примесей, разрешенных значений энергии нет. Это запрещенная зона.

Переходы электронов l l l При температуре 0 К все уровни валентной зоны в полупроводнике заняты, а зоны проводимости свободны. В силу принципа Паули возможны переходы электронов с уровней валентной зоны на свободные уровни зоны проводимости. Сообщение электрону энергии, превышающей ширину запретной зоны, требует высокой напряженности электрического поля либо повышения температуры.

Изменение концентрации электронов в зоне проводимости l При T>0 концентрация электронов в зоне проводимости, а вместе с ней и проводимость полупроводника экспоненциально изменяется с температурой

Собственная проводимость l Происходит переход электронов из атомов в электронный газ. Проводимость, возникающая в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости, называется собственной.

Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары

Введение примесей l Если в основной кристаллической решетке имеются примесные атомы, то в запрещенной зоне образуются локальные энергетические уровни

Образование локальных энергетических уровней

Примесная проводимость l l l При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа

Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа

2. Электронно – дырочный переход. Полупроводниковый диод l l Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно–дырочным или переходом. Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании одного или нескольких переходов.

Электронно-дырочный переход l l Электронно-дырочный переход (или n– p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. При контакте двух полупроводников n- и pтипов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в pобласть.

Запирающий слой l l l в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу другу

Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p- и nтипов

Вольт-амперная характеристика кремниевого диода.

3. Термоэлектрические явления l l При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Разность потенциалов, которая обусловлена различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов.

Энергетические уровни металлов

Уровень Ферми l l Уровень Ферми – это верхний, заполненный электронами энергетический уровень (у металла). Если уровни Ферми для двух не контактирующих металлов не одинаковы, то внутри наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов

Явление Зеебека l Явлением Зеебека называется возникновение электродвижущей силы в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников (полупроводников), если места их контакта поддерживаются при различных температурах.

Термопара l Простейшую замкнутую электрическую цепь, состоящую из двух разнородных проводников или полупроводников 1 и 2, называют термоэлементом или термопарой.

Внешний вид термопары

Использование термопары l l Явление Зеебека в металлах используют в основном для измерения температуры посредством термопары. Полупроводниковые термоэлементы используются для прямого преобразования внутренней энергии в электрическую.

Явление Пельтье l Явлением Пельтье называют выделение или поглощение теплоты, называемой теплотой Пельтье, осуществляющейся в приконтактном слое разных проводников или полупроводников при прохождении через слой постоянного электрического тока.

Явление Пельтье l l В отличие от теплоты, пропорциональной квадрату силы тока и всегда выделяющейся в проводнике, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока, а ее знак зависит от направления тока в слое. Явление Пельтье обратно явлению Зеебека. При прохождении термотока в цепи термоэлемента в горячем слое теплота Пельтье поглощается, а в холодном – выделяется. Явление Пельтье в полупроводниках используется для создания достаточно экономичных и производительных холодильных установок.

Явление Томсона l l Явлением Томсона называют выделение или поглощение теплоты, избыточной над джоулевой , при прохождении постоянного тока по неравномерно нагретому однородному проводнику или полупроводнику. Явление Томсона связано с тем, что в более нагретой части проводника средняя энергия носителей тока больше, чем в менее нагретой. Если носители тока перемещаются в направлении убывания температуры, то они отдают избыток своей энергии кристаллической решетке проводника, т. е. теплота Томсона выделяется. В противоположном случае теплота Томсона поглощается.