Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Cтатьи / Источники энергии
Начало сайта / Cтатьи / Источники энергии

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Биологически активные

Время, хранимое как драгоценность

Квантовый мир

Плеяда великих медиков

Среди запахов и звуков

Часы. От гномона до атомных часов

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Полупроводниковый преобразователь тепловой энергии окружающей среды

Анатолий ЗЕРНИЙ

Проблема современной энергетики состоит в том, что производство электроэнергии – источник материальных благ человека находится в губительном противостоянии с его средой обитания – природой и как результат этого – неизбежность экологической катастрофы.

Поиск и открытие альтернативных экологически чистых способов получения электроэнергии – актуальнейшая задача человечества.

Одним из источников энергии, является природная окружающая среда: воздух атмосферы, воды морей и океанов, которые содержат огромное количество тепловой энергии, получаемой от Солнца.

Рассмотрим для примера изолированный кристалл собственного полупроводника, который легирован (см. рис. 1) донорной примесью вдоль оси X по экспоненциальному закону

Nд(x) = f (ekx).

Рис. 1. Кристалл полупроводника легированый донорной примесью

Левая часть кристалла (X0) легируется до такой концентрации Nд макс, чтобы уровень Ферми находился у дна зоны проводимости полупроводника, а правая часть кристалла (Xк) легируется до минимально возможной концентрации Nд мин, чтобы уровень Ферми находился посредине запрещенной зоны полупроводника, при заданной температуре.

Основными носителями заряда, в данном случае, являются электроны (n).

Для простоты рассуждений, неосновными носителями – дырками (р) пренебрегаем из-за малой их концентрации.

В некоторый условный начальный момент, когда закон распределения концентрации электронов совпадает с законом распределения донорной примеси (n = Nд), кристалл в целом является электрически нейтральным и в каждом его элементарном объеме выполняется условие np = ni2, а вдоль оси X существует положительный градиент концентрации (см. рис. 2) основных носителей – электронов dn/dx > 0.

Рис. 2. Закон распределения концентрации основных носителей в кристалле

Под действием сил теплового движения и в результате наличия градиента концентрации, электроны начинают диффундировать в кристалле вдоль оси X из области высокой их концентрации (X0) в область низкой концентрации (Xк), в результате – электронейтральность кристалла нарушается.

Электроны, движущиеся слева направо, оставляют после себя положительно заряженные ионы донорной примеси Nд+.

Эти ионы, жестко связанные с кристаллической решеткой полупроводника, образуют в левой части кристалла неподвижный положительный объемный заряд, а электроны, перешедшие в правую часть кристалла, образуют отрицательный объемный заряд равной величины, в результате чего в объеме кристалла полупроводника вдоль оси X образуется постоянное по величине электрическое поле Eх (см. рис. 3).

Рис. 3. Распределение объемных зарядов в кристалле

Силы электрического поля будут стремиться возвращать электроны в ту область кристалла, откуда они диффундировали. Те электроны, энергия которых недостаточна для преодоления сил электрического поля, будут возвращаться – дрейфовать в электрическом поле в направлении, противоположном процессу диффузии.

Таким образом, в кристалле полупроводника вдоль оси X текут два встречно направленных тока: Jдиф. – ток диффузии, Jдр. – ток дрейфа.

В процессе образования электрического поля в кристалле в сторону увеличения его напряженности, диффузионный ток уменьшается вследствие снижения градиента концентрации электронов, а дрейфовый ток увеличивается за счет увеличения количества электронов, возвращаемых растущим полем в обратную сторону, что в конечном итоге приводит к выравниванию этих токов Jдиф. = Jдр. и установлению в объеме кристалла электрического и термодинамического равновесия.

Плотность тока диффузии: Jдиф. = –qnD(dn/dx).

Плотность тока дрейфа: Jдр. = μnqnEx .

Суммарный ток в кристалле:

Jk = Jдр. + Jдиф. = μnqnExqnD(dn/dx) = 0.

Исходя из вышеизложенного, напряженность электрического поля в кристалле:

Ex = (kT / qn) K,

где: k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура кристалла, qn – заряд основных носителей, K – показатель экспоненты распределения примеси.

Таким образом, неоднородное распределение донорной примеси Nд вдоль оси X кристалла полупроводника по экспоненциальному закону приводит к образованию в объеме кристалла полупроводника постоянного по величине электрического поля, величина напряженности которого Ex не зависит от координаты X, а определяется только величиной абсолютной температуры T кристалла и показателем K экспоненты распределения донорной примеси. При этом один конец полупроводника (X0) окажется заряженным положительно по отношению к другому концу полупроводника (Xk).

В этом случае, при заданной температуре, диаграмма энергетических зон в полупроводнике вдоль оси X приобретает следующий вид (см. рис. 4)

Рис. 4. Диаграмма энергетических зон

ΔEс – высота потенциального барьера между концами полупроводникового кристалла, φk – разность потенциалов между концами полупроводникового кристалла, α – угол наклона энергетических зон.

tgα = qnEx .

Это означает, что между противоположными концами полупроводникового кристалла существует разность потенциалов, φk а значит, развивается ЭДС (холостого хода).

ЭДС, выраженная в Вольтах будет по величине численно равна половине ширины запрещенной зоны полупроводника:

ЭДС = (EcEv) / 2 [B].

Например, для германия ЭДС = 0,35 В, для кремния ЭДСSi = 0,55 В при температуре 293°К.

Если замкнуть разноименные концы полупроводникового кристалла металлическим проводником с сопротивлением R, то в цепи потечет электрический ток JR, и как следствие в кристалле нарушится электрическое и термодинамическое равновесие, а именно: электроны уйдут с правого конца кристалла и перейдут в левый конец кристалла через проводник, чем будет увеличен градиент концентрации электронов, а значит ток диффузии Jдиф.. увеличится, а ток дрейфа Jдр. уменьшится, так как уменьшится напряженность электрического поля Eх.

Ток JR в проводнике будет составлять разницу между токами диффузии Jдиф. и дрейфа Jдр.:

JR = Jдиф.Jдр..

При увеличении тока диффузии электроны будут отбирать тепловую энергию от кристаллической решетки полупроводника, вследствие преодоления ими потенциального барьера ΔЕс, в результате чего кристалл будет охлаждаться. Для поддержания постоянного тока в цепи нагрузки необходимо непрерывно подводить к кристаллу теплоту Q от окружающей среды (воздух, вода и т.п., см. рис. 5).

Рис. 5. Электрическая схема полупроводникового преобразователя

Аналогичные рассуждения и выводы можно сделать при легировании кристалла полупроводника акцепторной примесью (Na) или встречно легировать донорной и акцепторной примесями (NдNa).

 

Об авторе:

Анатолий Николаевич Зерний, инженер-радиоконструктор,
г. Желтые Воды, Украина.
Тел.: 05652-5-5080; факс: 05652-2-7647, e-mail: zernij@hotmail.com.

См. также:

Зерний А.Н. Преобразователь тепловой энергии (принцип работы, конструкция). НиТ, 2002.

Дата публикации:

14 мая 2001 года

Электронная версия:

© НиТ. Cтатьи, 1997