Метални и полупроводникови термоелектричество

През 1821, Зеебек открил явлението, известно като термоелектрически ефект. Същността на това явление се състои в появата на електрически ток в затворен кръг, образуван от различни състава проводници, при условие, че винаги съединителни проводници взаимно имат различни температури. Да разгледаме следния конкретен пример. Ние образуват верига на две парчета от стомана, и парче меден проводник.

Ако спойка краищата на проводниците, както е показано на фиг. 1, ние получаваме отворена верига, средната от които е образувана от меден проводник. Нека температурата на стоманената тел и първото кръстовище ще има една и съща стойност на температурата T1. Ако сега кръстовището се нагрява до втора температура Т2, след това краищата на стоманени телове възниква разлика на потенциалите U, която е пропорционална на температурна разлика Т2 - Т1 т.е. U = α (Т2 - Т1) ..

Ако вместо три проводника само две спойка (мед и стомана) и както в предишния случай, на кръстовището се нагрява до температура Т2, и краищата на проводника поддържат при температура Т1 ще след това също потенциалната разлика в краищата на проводниците. Със затварянето на тази верига за милиамперметър вид миналата марка ток, който ще тече непрекъснато, като се поддържа температурната разлика между първия и втория кръстовища.

В горното явление протича пряко преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия. Въпреки това, една много важна функция, термоелектричество продължение на много години остана в очите на хората, по-скоро забавен феномен, отколкото важен фактор, който може да се използва за решаване на големите енергийни проблеми. "Сред най-големите открития на Оерстед, Ампер и Фарадей, - казва академик Йофе - термоелектричество привлече малко внимание в бъдеще, за да го прилага по отношение на измерването на температурата пребледня в сравнение с електромагнити, електрически машини и трансформатори, така че остава в периферията на физиката .. ".

Ситуацията се променя коренно, само след като се започва от около 30-те години на нашия век, физиците започнаха да се интензивно изучаване на термоелектрически явления в полупроводници.

Преди да се пристъпи към полупроводници, помислете защо температурната разлика между веригата за първа и втора кръстовища състои от три метални проводници, създаване на потенциалната разлика. Първо, помислете за един прост случай. Ако краищата на проводниците са от еднакъв материал при различни температури Т1 и Т2, в който случай електроните ще се движат от горещия край на телта към студен край на по-голям брой от в обратна посока. Следователно горещия край положително заредена, и студ - е отрицателен. Външният вид на положителните и отрицателните заряди в двата противоположни края на олово проводник към електрическо поле, насочено от горещия към студения край на проводника. Тъй електрони дифундират от горещия край на студа в по-голям брой от в обратна посока, което води до повишаване на натрупването на положителни и отрицателни заряди пространство, електрическа сила на полето от своя страна също се увеличава. Въпреки че непрекъснато се поддържа температурна разлика, увеличаване на таксата за топли и студени части на проводника в крайната спирка. Това е така, защото електрическото поле се увеличава до стойност, при която по-нататък компенсира силите на дифузия. В резултат на това в краищата на проводника при дадена температура разлика Т2-Т1 е установен постоянен потенциална разлика.

Малко по-сложно е, когато два различни метала.

Над него се отбележи, че в резултат на потенциална разлика, или така наречената thermoelectromotive сила пропорционална на температурната разлика. Това означава, че термо-електродвижещо коефициент сила алфа е числено равна на стойността на потенциалната разлика, произтичаща когато температурна разлика от един градус. Общо казано, топлоелектрическа фактор а, от своя страна, също зависи от температурата, но тази зависимост не е силно изразен при някои метали двойки. За повечето метали, цифровите стойности на α цяло малък.

Таблица 1 дава стойностите на α за някои метали и сплави, по отношение на платина.

По-малките числени стойности и за всички метали, и са една от причините, че за 130 години от откриването на термоелектричество, че не е установено мощност приложения. Само в термометрия термоелектрически ефект е намерил широко и заслужено признание. Ефективността на метални термодвойки обикновено се изчислява в стотни, а в най-добрия случай, десети от процента. Това се дължи на загуба на значително количество топлина, доставена от нагрятата spayu и малка стойност, а в метали концентрация на свободен електрон остава практически постоянна в широк температурен диапазон и тяхната кинетична енергия е само малко зависими от температурата. Затова, въпреки че създаването на краищата на условията на метал температурната разлика възниква за разпространението на електрони, но това дифузия е такава, че в резултат на потенциалната разлика е доста малък.

А съвсем различна картина се наблюдава в полупроводници. Тя е толкова благоприятно с която се проявява в метали, стана възможно да се говори за прилагането на termoelektrobatarey директно трансформира топлинната енергия в електрическа енергия с относително висока ефективност. Известно е, че в полупроводници електрически концентрация носител при стайна температура е много по-малко от метали. Тогава кинетичната енергия на таксата превозвачи в един полупроводник увеличава с температура повече в сравнение с метали. За разлика от полупроводници, метали в концентрация носител на настоящите нараства бързо с температура. Ако в абсолютна нула температура в диапазон от проводимост не е един електрон, дори при стайна температура, концентрацията на носители на заряд на фигурите може да достигне 10 ~ 20 в 1 cm3. "

Тези важни разлики полупроводници до метали имат възможност да наблюдават много полупроводници, топлоелектрическа е десет пъти по-големи, отколкото в метали. По този начин е налице следващия процес. Носители ток, електрони или "дупки" дифундират от гореща област на полупроводника, където тяхната концентрация и тяхната кинетична енергия имат големи стойности в район с по-ниска температура, където неговата концентрация и кинетичната енергия, по-малко. От друга страна, има движение на носители на заряд в обратната посока - от студ край на горещо.

Но в самото начало на процеса, докато се установи динамично равновесие, броя на превозвачите, които се движат от горещия към студения край е по-голяма, отколкото в обратната посока. Това движение на таксите води до доста бързо появяване на излишната положителен заряд в единия край на производството на полупроводници и излишната отрицателен в другия си край. Едновременно с увеличаването на броя на таксите се увеличава, както и потенциалната разлика между крайните точки на полупроводника. Както и в случая по-горе с метална, увеличаване на електрическото поле ще се забави разпространението на такси от горещия край на хо-lodnomu че в крайна сметка да доведе до равновесно състояние: такса тече и в двете посоки се изравняват, и се появи с потенциалната разлика, и ще топлинна електродвижеща сила. Този процес е показан с специално яснота отвор и електронен механизъм "проводимост полупроводници. Горещият края на отвора на полупроводника е отрицателно заредена, и студена - положително, което съответства на дифузия на дупки от горещ региона на студено. Електронната материал обратното е вярно: горещия край е положително заредена и студ е отрицателен, което съответства на дифузия на електрони от горещия край на студ.

За разлика от коефициента на метал thermoelectromotive сила и в полупроводници е много по-голяма и може да достигне стойности над 1000 микроволта за градус.