Физические процессы в полупроводниках и их свойства. Термоэлектрические явления в полупроводниках, страница 14

При использовании фотодиода для измерительных целей важно, чтобы обратный ток был пропорционален освещенности. Характеристики фотодиодов представлены на рис.10.19.

  I

                                                    U, I   U_хол                          R_внеш=0 

     U₄              U увеличивается                                               I₁ 

              U₃            

                   U₂                                            I_К                           I₁      R_внеш

                                                                                                  I₃     увеличивается

U₁

E                                                                   E

Рис.10.19.Характеристика фотодиодов с       Рис.10.20.Характеристики фото- увеличением напряжения                                элементов с увеличением внешнего сопротивления

10.12. Фотоэлемент

Фотодиод, не потребляющий тока от внешнего источника, представляет собой фотоэлемент. На рисунке 10.20. показаны графики зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания от освещенности. При наличии внешнего сопротивления R_внеш>0 ток не пропорционален освещенности.

10.13.Термоэлектрические явления в полупроводниках

В полупроводниках наблюдаются три термоэлектрических явления, которые получили названия по именам первооткрывателей. Это эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона(Кельвина).Из них на практике используются эффекты Зеебека и Пельтье.

Эффект Зеебека состоит в появлении ЭДС между местами полупроводника с различной температурой. Его вызывает диффузия свободных носителей заряда из более теплых мест в более холодные.

Важным показателем свойств полупроводников, в которых используется эффект Зеебека, является коэффициент термо-ЭДС a (коэффициент Зеебека), который определяется как электрическое напряжение, возникающее при разности температур в 1К. Эта величина для полупроводников на один-два порядка выше, чем для металлов.

Эффект Зеебека чаще всего используется для измерения температуры с помощью полупроводниковых датчиков температуры. При этом необходимо учитывать, что при обычных способах определения; измеренное термоэлектрическое напряжение является суммой термо-ЭДС и ЭДС, возникающей при соприкосновении двух материалов и называемой контактной ЭДС.

Эффект Пельтье (электротермический эффект) состоит в поглощении или выделении теплоты в месте соединения двух полупроводников, по которым протекает электрический ток. Причиной эффекта Пельтье является различие значений энергии выхода полупроводников. В этом случае важным показателем свойств материала является коэффициент Пельтье П, который определяется как количество теплоты, выделенной или поглощенной за единицу времени соединением, через которое протекает единичный электрический ток. Между коэффициентами Зеебека и Пельтье существует связь, которая выражается формулой Кельвина:

П=aТ,                                                                                                  (10.20)

где Т- термодинамическая температура.

Эффект Пельтье используется, главным образом, для преобразования электрической энергии в тепловую и наоборот. На нем основано действие полупроводниковых термостатов, холодильников, термоэлектрических генераторов.

В этих случаях применения решающим показателем свойств полупроводника является коэффициент термоэлектрической эффективности Z, который определяется выражением:                                    γ              λ              α

Z=a²g/l,                  СИ    См/м   Вт/(м·к) Вт/(м²·к)     (10.21)

где a- коэффициент термо-ЭДС; g- удельная электрическая проводимость; l-коэффициент теплопроводности.

У самых лучших материалов в настоящее время параметр Z достигает значений Z=3·10^-3К^-1, что позволяет добиться КПД устройств преобразования энергии до 30%.