Приведенная оценка дифференциальной термоЭДС для электронного германия с n = 1023 м-3 при Т = 300 К даст величину порядка 10-3 В/к, что на три порядка больше, чем в металлах.

Увлечение электронов фононами появляется при низких темпера-

турах. Механизм эффекта заключается в следующем. При наличии градиента температуры в проводнике возникает термодиффузионное перемещение фононов от горячего конца к холодному со средней скоростьюф. Электроны, которые рассеиваются на фононах, получают дополнительный импульс и сами перемещаются от горячего конца проводника к холодному, создавая термоЭДС Uф. Расчет дифференциальной термоЭДС, обусловленной увлечением электронов фононами, показал, что

где ηф и ηе – среднее время релаксации фононов и электронов.

Применение эффекта Зеебека основано на преобразовании тепловой энергии в электрическую. Такое преобразование осуществляется в термоэлектрогенераторах, которые используют тепловую энергию солнечного излучения, радиоактивного распада, химических реакций. Достоинством термогенераторов являются простота в эксплуатации, мобильность. Основной их недостаток – низкий КПД (~20%).

Эффект Зеебека широко используется для измерения температур. С помощью различных термопар измеряют температуру в диапазоне от -200°С до 2000°С. Достоинством термопар является относительная линейность их характеристик в рабочем диапазоне.

Кроме того, эффект Зеебека используют в устройствах функциональной теплоэлектроники, для генерации токовых импульсов (носителей информации) под действием тепловых импульсов.

7.7. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье состоит в том, что при пропускании тока по цепи,

в контактах разнородных проводников в дополнение к джоулеву теплу выделяется или поглощается тепло Пельтье. Количество тепла Пельтье Qп пропорционально заряду It, прошедшему через контакт

188

где П – коэффициент Пельтье.

Если изменить направление тока, холодный и горячий контакты поменяются местами.

Между эффектами Пельтье и Зеебека существует непосредственная связь: разность температур вызывает в цепи, состоящей из разнородных проводников, электрический ток, а ток, проходящий через такую цепь, создает разность температур контактов. Эта связь выражается уравнением Томсона

Наиболее просто и наглядно механизм эффекта Пельтье можно пояснить, используя цепь металл – n-полупроводник – металл, где контакты являются нейтральными. В этом случае работы выхода из металла и полупроводника равны, отсутствуют изгибы зон и слои обеднения или обогащения. В равновесном состоянии уровни Ферми металла и полупроводника располагаются на одной высоте, а дно зоны проводимости находится выше уровня Ферми металла, поэтому для электронов, переходящих из металла в полупроводник, существует потенциальный барьер высотой – Ефп (рис. 7.12, а).

Рис. 7.12. Энергетическая диаграмма цепи металл-n-полупроводник – металл: а – равновесные состояния; б – прохождение тока

Приложим к цепи разность потенциалов U (рис. 7.12, б). Эта разность потенциалов будет падать в основном в участке с большим сопротивлением, т.е. в полупроводнике, где произойдет постоянное изменение высоты уровней. В цепи возникает поток электронов, направленный справа налево.

189

Для контакта металл – металл коэффициент Пельтье можно определять с помощью (7.79)

или с учетом выражения для α

где Еф1 и Еф2 – уровни Ферми в металлах.

Анализ механизма возникновения эффекта показывает, что коэффициент Пельтье для контакта металл – металл имеют существенно меньшую величину, чем в случае контакта металл – полупроводник (см.

пп. 7.1, 7.2).

В контакте разнородных полупроводников, напротив, коэффициент Пельтье оказывается значительно больше, что обусловлено более высоким потенциальным барьером на границе p-n–перехода. Кроме того, в такой цепи один из переходов оказывается включенным в прямом направлении, а второй в обратном. В первом случае преобладают рекомбинация электронно-дырочных пар и выделение дополнительного тепла, а во втором происходят генерация пар и соответственно поглощение такого же количества тепла.

Эффект охлаждения контакта при прохождении тока имеет существенное прикладное значение, так как позволяет создавать термоэлектрические холодильники для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры и термостабилизаторы для опорных элементов аппаратуры. Выпускаются и различные охлаждающие стойки, используемые в биологии и медицине.

В функциональной теплоэлектронике данный эффект применяется для создания теплоимпульсов – носителей информации.

7.8. Фотоэффект в p-n–переходе. Фотодиоды

Выше мы рассматривали фотоэлектрические явления в однородном полупроводнике и, прежде чем перейти к данной теме, рекомендуем вспомнить основные положения п. 6.3.

191

Если p-n–переход разомкнут, то величина фотоЭДС может быть определена из (7.90); если считать j = 0, тогда фотоЭДС в режиме холостого хода будет равна

Вслучае если p-n–переход закорочен, то при умеренных токах можно полагать, что падение напряжения на переходе равно нулю. Тогда ток короткого замыкания равен фототоку jкз = jф (рис. 7.14, б).

Впромежуточном случае, если p-n–переход замкнут через некоторое сопротивление Rн, ток через переход и напряжение на нем определяются общим управлением фотодиода (7.89) или

Такой режим работы p-n–перехода получил название вентильного режима работы фотоэлемента, он осуществляется в четвертом квадранте.

Если p-n–переход работает в фотодиодном режиме (рис. 7.14, а) и, работая, точка не выходит за пределы третьего квадранта, ток через переход можно считать равным js+jф, а напряжение на переходе

где Iобр – полный обратный ток через переход.

Выражение (7.89) получено для идеализированного случая. В действительности как структура p-n–перехода, так и условия генерации и рекомбинации существенно отличаются от рассмотренных. В частности, излучение теряет свою интенсивность с глубиной проникновения в полупроводник, падает и скорость генерации носителей

где α – коэффициент поглощения.

Таким образом, толщина слоя, где происходит генерация, весьма мала (10-2 – 1 мкм). Существенный вклад вносит и поверхностная рекомбинация носителей. Тогда необходимо выбирать условия lp << Lp,

194

т.е. очень тонкую p-область. С учетом сказанного можно найти выражение для вольт-амперной характеристики фотодиода

где s – скорость поверхностной рекомбинации.

Первое слагаемое в (7.96) описывает темновой ток, а второе – фототок, который достигает максимума при s = 0, т.е. в отсутствие поверхностной рекомбинации. При прочих равных условиях необходимо иметь максимальный коэффициент диффузии Dp и минимальные

значения lp и s.

С целью более эффективного отвода носителей от поверхности p-n- переход формируют так, что при поверхностной области создается неравномерное распределение примеси. Это приводит к созданию тянущего поля в этой области.

Эффективность разделения полем перехода генерируемых носителей заряда характеризуется фоточувствительностью, равной отношению

где Р – приращение мощности оптического излучения. Вышеуказанные недостатки фотодиода на основе p-n–перехода

устраняются в p-i-n фотодиодах, где между p- и n-областями расположен i-слой с собственной проводимостью. Толщина этого слоя выбирается достаточно большой lp >> Lp, с тем чтобы поглощение света происходило именно в этой области. В i-слое при нормальной температуре свободные носители практически отсутствуют. И при обратном смещении перехода все приложенное напряжение будет падать на высокоомном i-слое. Фотогенерированные пары в сильном поле i-слоя будут

195

раз-деляться более эффективно, и фотоотклик таких диодов будет более быстрым. Основное преимущество p-i-n-фотодиода заключается в высоких скоростях переключения и высоком квантовом эффекте, поскольку толщина i-слоя позволяет большинству фотонов поглощаться в этом слое.

Для повышения фоточувствительности в качестве фотоприемника часто используют не фотодиод, а фототранзистор, где управление осуществляется светом, подаваемым на базовую область. Такой транзистор управляется не током базы, но световым потоком. Фоточувствительность фототранзистора больше, чем для фотодиода, поскольку транзистор имеет коэффициент усиления βТ. Тогда полный фототок фототранзистора будет равен

т.е. в β+1 больше фоточувствительности фотодиода при прочих равных условиях.

Новым типом эффективных фотоприемников, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). Они действуют на основе МДП структур (пп. 8.4, 10.2). На их базе разработаны ПЗС-матрицы, применяемые в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах. Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС-матриц с размером индивидуального элемента пикселя в несколько микрометров позволило использовать ПЗС-телекамеры в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике.

Серийное производство ПЗС-матриц осуществляется компаниями

Texas Instruments, Sony, Samsung, Kodak и др. Среди российских произ-

водителей можно назвать НПП «Электрон-Оптроник», НПП «Силар» (Санкт-Петербург).

В качестве примера продукции этих предприятий можно привести матрицу ПЗС ISD-077, в которой число элементов составляет 1040 при размере ячейки 16х16 мкм с общей фоточувствительной поверхностью

– 16,6 мм2. На ее базе разработана малокадровая цифровая камера SEC1077, предназначенная для регистрации изображений в ультрафиолетовом и видимом спектральных диапазонах, используемая в астрономии, медицине, технологии МЭА.

196