Полупроводниковый перетворювач теплової енергії довкілля

Полупроводниковый перетворювач теплової енергії оточуючої среды

Анатолий Зерний Проблема сучасної енергетики у тому, що виробництво електроенергії - джерело матеріальних благ людини перебуває у згубному протистояння з його середовищем проживання — природою, і як наслідок цього — неминучість екологічної катастрофы.

Поиск і відкриття альтернативних екологічно чистих способів отримання електроенергії - найактуальніша завдання человечества.

Одним з джерел енергії, є природна довкілля: повітря атмосфери, води морів, і океанів, які містять дуже багато теплової енергії, одержуваної від Солнца.

Рассмотрим для прикладу ізольований кристал власного напівпровідника, який легирован (див. мал.1) донорной домішкою вздовж осі X по експонентному закону.

Nд (x) = f (ekx).

.

Рис. 1. Кристал напівпровідника легированый донорной примесью Левая частина кристала (X0) легируется про таку концентрації Nдмакс, щоб рівень Фермі знаходився біля дна зони провідності напівпровідника, а права частина кристала (Xк) легируется до мінімально можливої концентрації Nдмин, щоб рівень Фермі перебував посередині забороненої зони напівпровідника, при заданої температуре.

Основными носіями заряду, у разі, є електрони (n).

Для простоти міркувань, неосновными носіями — дірками (р) нехтуємо через малої їх концентрации.

В певний умовний початковий момент, коли закон розподілу концентрації електронів збігаються з законом розподілу донорной домішки (n=Nд), кристал загалом є електрично нейтральною та у його елементарному обсязі виконується умова np=ni2, а вздовж осі X існує позитивний градієнт концентрації (див. мал.2) основних носіїв — електронів dn/dx>0.

.

Рис. 2. Закон розподілу концентрації основних носіїв в кристалле Под дією сил теплового руху, і внаслідок наявності градієнта концентрації, електрони починають дифундувати в кристалі вздовж осі X в галузі високої їх концентрації (X0) до області низькою концентрації (Xк), в результаті - электронейтральность кристала нарушается.

Электроны, рухомі зліва-направо, залишають по собі позитивно заряджені іони донорной домішки Nд+.

Эти іони, жорстко пов’язані з кристалічною гратами напівпровідника, утворюють у лівій частини кристала нерухомий позитивний об'ємний заряд, а електрони, перейшли в праву частина кристала, утворюють негативний об'ємний заряд рівної величини, у результаті обсягом кристала напівпровідника вздовж осі X утворюється постійне за величиною електричне полі Eх (див. рис.3).

.

Рис. 3. Розподіл об'ємних зарядів в кристалле Силы електричного поля прагнутимуть повертати електрони у той область кристала, звідки вони диффундировали. Ті електрони, енергія яких недостатня задля подолання сил електричного поля, повертатимуться — дрейфувати в електричному полі напрямі, протилежному процесу диффузии.

Таким чином, в кристалі напівпровідника вздовж осі X течуть два зустрічно спрямованих струму: Jдиф. — струм дифузії, Jдр. — струм дрейфа.

В процесі освіти електричного поля була в кристалі у бік зростання його напруженості, дифузний струм зменшується внаслідок зниження градієнта концентрації електронів, а дрейфовий струм збільшується рахунок збільшення кількості електронів, які повернуться зростаючим полем у бік, що у остаточному підсумку призводить до вирівнюванню цих струмів Jдиф.=Jдр. і встановленню обсягом кристала електричного і термодинамічної равновесия.

Плотность струму дифузії: Jдиф. = -qnD (dn/dx).

Плотность струму дрейфу: Jдр. = ?nqnEx .

Суммарный струм в кристалле:

Jk = Jдр. + Jдиф. = ?nqnEx — qnD (dn/dx) = 0.

Исходя з вищевикладеного, напруженість електричного поля була в кристалле:

Ex = (kT / qn) K,.

где: k — стала Больцмана, T — абсолютна температура кристала, qn — заряд основних носіїв, K — показник експоненти розподілу примеси.

Таким чином, неоднорідне розподіл донорной домішки Nд вздовж осі X кристала напівпровідника по експонентному закону призводить до утворення обсягом кристала напівпровідника постійного за величиною електричного поля, величина напруженості якого Ex залежить від координати X, а визначається лише розміром абсолютної температури T кристала і показником K експоненти розподілу донорной домішки. У цьому один кінець напівпровідника (X0) виявиться зарядженим позитивно стосовно іншому кінцю напівпровідника (Xk).

В цьому випадку, при заданої температурі, діаграма енергетичних зон в полупроводнике вздовж осі X набуває такий вигляд (див. рис.4).

.

Рис. 4. Діаграма енергетичних зон.

?Eс — висота потенційного бар'єра між кінцями напівпровідникового кристала, ?k — різницю потенціалів між кінцями напівпровідникового кристала,? — кут нахилу енергетичних зон.

.

tg? = qnEx .

Это означає, що протилежними кінцями напівпровідникового кристала існує різницю потенціалів, ?k отже, розвивається ЭДС (холостого хода).

ЭДС, виражена в Вольтах буде за величиною чисельно дорівнює половині ширини забороненої зони полупроводника:

ЭДС = (Ec — Ev) / 2 [B].

Например, для германію ЭДСGе = 0,35 В, для кремнію ЭДСSi = 0,55 В за нормальної температури 293ºК.

Если замкнути різнойменні кінці напівпровідникового кристала металевим провідником з опором R, то ланцюга потече електричний струм JR, як і слідство в кристалі порушиться електричне і термодинамічне рівновагу, а саме: електрони підуть із правого кінця кристала і перейдуть у лівий кінець кристала через провідник, чому збільшений градієнт концентрації електронів, отже струм дифузії Jдиф. збільшиться, а струм дрейфу Jдр. зменшиться, оскільки зменшиться напруженість електричного поля Eх.

Ток JR в провіднику становитиме відмінність між струмами дифузії Jдиф. і дрейфу Jдр.:

JR = Jдиф. — Jдр.

При збільшенні струму дифузії електрони відбиратимуть теплову енергію від кристалічною грати напівпровідника, внаслідок подолання ними потенційного бар'єра ?Ес, у результаті кристал охолоджуватиметься. Для підтримки постійного струму у ланцюзі навантаження необхідно безупинно підбивати до кристалу теплоту Q від довкілля (повітря, вода тощо., див. рис.5).

.

Рис. 5. Електрична схема напівпровідникового преобразователя Аналогичные міркування й оприлюднять висновки можна зробити за легировании кристала напівпровідника акцепторной домішкою (Na) чи зустрічно легувати донорной і акцепторной домішками (Nд — Na).

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.