Термоэлектрические свойства германия.

Германий является веществом, применяемым в термоэлектронике.

Теллурид германия применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К). Сплавы германия с Si или с В - высокоэффективные термоэлектрические материалы.

Таблица 5. Значения коэффициента Зеебека : мкВ/К.

Германий обладает высокими термоэлектрическими свойствами (см. таблицу 5.). Коэффициент Зеебека у германия приблизительно в 100 раз выше, чем у алюминия. Германий является веществом N типа по отношению к меди и платине. По отношению к селену германий будет веществом P-типа.

N и P тип определяется термоэлектрическим рядом напряжений металлов.

Пропуская ток через образец – германий, Шокли и Хейнц о многом умолчали. Они не измеряли температуру контактов и не учитывали в своём эксперименте термоэлектрические эффекты. Потому объяснение опыта Шокли дал поверхностно и не правильно. Отсюда появились фиктивные «дырки» вместо термоэлектрической теории PN-перехода.

Опыт Хейнса — Шокли с позиции термоэлектроники.

Приведём схему опыта. На рисунке 4.19. приведена термоэлектрическая схема опыта Хейнса-Шокли. Все контакты схемы имеют вид PN-переходов термопар. Рассмотрим первый контур цепи: германиевый стержень, подключенный к батарее E1.

Рис. 4.19. Термоэлектрическая схема опыта Хейнса-Шокли

Рис. 4.20. Схема подключения германиевого стержня к батарее E1.

На рисунке 4.20. германиевый стержень подключен к контактам

( возможно из меди или латуни) и имеет структуру PNP.

Почему через неё течёт ток? Контакты такого рода относятся к термопарам. Они имеют открытую термоэлектронную эмиссию и считаются PN-переходом с узкой запрещённой зоной. Каждый из контактов (на схеме обозначены цифрами 1 и 2) обладает термоэлектрическими качествами. Так, например, для схемы на рисунке 4.20., при включении батареи E1 в указанной полярности, контакт обозначенный цифрой 1 нагревается, а контакт обозначенный цифрой 2 – охлаждается. Буквой Т обозначено выделение тепла, буквой Х- охлаждение.

На рисунке 4.20., в PN-переходе слева наблюдается тепловой эффект Пельтье, в PN-переходе справа наблюдается холодильный эффект Пельтье. В дальнейшем, в своём опыте Хейнц создал ещё два контакта: передающий и приёмный. Нарисуем схему передающей стороны.

Рис. 4.21. Схема подключения германиевого стержня к батарее E1 и контура передающей цепи.

На рисунке 4.21., генератор импульсов через контакт обозначенный цифрой 3 периодически подаёт импульс в положительной полярности в цепь между контактами 2 и 3. Стрелками нарисованы направления движения электронов. Стрелки обозначены: e1 – направление движения электронов от источника E1; e2 – направление движения электронов в контуре генератора импульсов. Контакты 1 и 3 нагреваются, контакт 2 охлаждается согласно эффекту Пельтье.

Контакт 2 считается PN-переходом, который поглощает тепловую энергию. Также он считается условно «запертым» переходом. Из-за узкой запрещённой зоны, он всё же пропускает ток, но обладает свойством улавливать тепловой поток, при этом ток в его цепи повышается.

Свойство условно-запертого перехода преобразовывать тепловой поток в электрический ток, используется для создания прёмной стороны. Для этого создаётся контакт 4, на который подаётся запирающее напряжение.

На рисунке 4.22. PN-переход, обозначенный как контакт 4, запитывается через батарею E2 и резистор R1 обратным током, и под действием этого тока охлаждается, согласно холодильному эффекту Пельтье.

На рисунке 4.22. потоки электронов обозначены как e1, e2, e3.

Поток электронов e1 задаётся батарей Е1 и течёт постоянно.

Поток электронов e3 задаётся батарей Е2 и течёт постоянно.

Поток электронов e2 возникает только во время положительного импульса генератора. Эти токи задаются пока упрощённо. В дальнейшем можно проанализировать всю цепь, чтобы определить влияние цепи с батареей Е1 на цепь с батареей Е2.

Рис. 4.22. Схема подключения германиевого стержня к батарее E1 и контуров передающей и приёмной цепей.

Рассмотрим, как работает опыт Хейнса - Шокли с точки зрения термоэлектрической теории. Работу опытной установки рассмотрим во времени по отдельным моментам. Первоначально пронаблюдаем за токами в момент времени, когда импульс генератора ещё не начался.

Рис. 4.23. Момент времени 1. Импульс на контакт 3 ещё не подан.

Момент времени 1. Импульс на контакт 3 ещё не подан. Через германиевый стержень протекают токи 2-х батарей. Электронные потоки обозначены как е1 и е3.

Рис. 4.24. Момент времени 2. Импульс на контакт 3 подан.

Момент времени 2. Импульс на контакт 3 подан. Импульс воздействует на электрическую цепь по правилам Киргофа и потому мгновенно возникает как опорный импульс на приёмном контакте 4. И в то же время от контакта 3 во все стороны распространяется тепловой поток в виде эстафетного движения электронов, участвующих в теплопередачи. Эстафетный ток электронов обозначен двунаправленными стрелками. Пока это движение тепла в чистом виде и скорость этого движения не велика.

PN-переход 3 включен в прямом направлении с током генератора, а потому, согласно тепловому эффекту Пельтье – нагревается.

Рис. 4.25. Момент времени 3. Тепловой поток достигает условно запертого PN-перехода 4.

Момент времени 3. Тепловой поток достигает условно запертого

PN-перехода 4. PN-переход 4 начинает отрывать у тепловой эстафеты электроны, заряжая переход следующим образом: на зону P –положительный заряд, на зону N – отрицательный заряд. Так обычно реагируют термопары на тепловую энергию. Так, как электрон у эстафеты отрывается на заряд PN-перехода, то эстафетный ток превращается в однонаправленный – инжекционный ток. Заряд

PN-перехода 4 выглядит, как пришедший с опозданием положи- тельный импульс.

Рис. 4.26. Момент времени 4.

Момент времени 4. Условно запертый PN-переход 4 отрывает электрон у тепловой эстафеты, и эстафетный ток превращается в однонаправленный – инжекционный ток.

Инжекционный ток заряжает зону P положительным зарядом, зону N- отрицательным зарядом, что на осциллографе выглядит, как пришедший с опозданием положительный импульс.

Вывод: нам удалось получить объяснение явления Хейнса-Шокли без использования дырочной проводимости, применяя теорию термоэлектричества.

Далее в опыте Хейнса-Шокли указывается, что при смене полярности батареи Е1, явление «эха» исчезает. Объяснить это можно, если проанализировать схему с позиции теории цепей.

На участке германиевого стержня от контакта 4 до контакта 2 возникает падение напряжения в результате тока батареи Е1. Мы рассматривали первоначальную полярность батареи Е1, при которой падение напряжение на участке 4-2 создавало запирающий эффект на PN-переход 4.

При смене полярности батареи Е1, PN-переход 4 открывается и ток электронов e3 начинает течь в противоположную сторону. Как известно, на открытый переход тепловые потоки не действуют. Создавать термо-ЭДС тепловые потоки могут только в запертом

PN-переходе.

Весь опыт Хейнса-Шокли чем-то похож на работу PNP-транзистора. Шокли этого и не скрывает, называя контакт 3 эмиттером, а контакт 4 коллектором.

К сожалению, Шокли не учитывает термоэлектрические явления и изобретает мифические «дырки».