Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

и дырок, а также позволяла вводить электроны в возбужденные со-' стояния. Такие состояния будут получены, если удастся инжекти­ ровать электроны в полупроводник, в котором больше дырок, т. е. в р-кристалл. Тот же эффект получится введением дырок в полу­ проводник п-типа. Наконец, можно также прибегнуть к инжекции в изолятор дырок и электронов.

Если, пропуская ток через полупроводник, мы осуществим один из этих процессов, то произойдет прямое превращение энергии

Наиболее удобными для практического осуществления электро­ люминесценции оказались р — n-диоды, изготовленные из бинар­ ных полупроводников типа фосфида или арсенида галлия. На рис. 308а дана схема энергетических уровней диода. Между р- и п- областями диода установится, как только что было объяснено, контактная разность потенциалов, уравновешивающая диффузию электронов (черные кружки) в р-область и дырок (светлые кружки) в п-область (рис. 308а, а)

При наложении поля (рис. 308а, б) барьер понижается, элект­ роны начинают свое движение вправо на нашем чертеже, а дырки влево. В пограничном слое создаются благоприятные условия для рекомбинации всех четырех типов. Энергия образующихся фотонов, грубо говоря, равна зазору между полосами.

Конечно, процесс рекомбинации не обязательно должен сопро­ вождаться излучением. Соответствующая энергия может перейти и в тепло. Если бы удалось осуществить идеальный случай, то выход излучения превосходил бы подводимую электрическую энергию и прибор работал бы как холодильник, черпая тепло в кристалле и окружающей среде.

Все излучение распространяется в плоскости пограничного слоя. Два конца диода, перпендикулярные границе, полируются таким образом, чтобы создалась резонансная полость. При больших токах излучение становится стимулированным со всеми вытекаю-

Наблюдение разности потенциалов в неравномерно нагретом проводнике представляет некоторые сложности. Порядок величины возникающего падения потенциала — это 10~* В на градус. Разу­ меется, нельзя обнаружить явление, изготовив замкнутый проводник в надежде измерить электрический ток. Действительно, такой замк­ нутый проводник мы всегда можем мысленно разбить на две половины: в первой происходит падение потенциала, а во второй — возрастание. В однородном проводнике эти величины будут строго равны и результирующую э. д. с. обнаружить нельзя.

§ 278. Термоэлектродвижущая сила

Электрический ток можно наблюдать в кольцевом проводе, составленном из двух (или более) различных тел, если только места соединения (спаев) находятся при разных температурах. Это и есть известное явление термоэлектричества, имеющее широкое примене­ ние на практике.

Причин появления термоэлектрического тока может быть две. Прежде всего, очевидно, что падение потенциала вдоль обоих про­ водов, происходящее из-за перепада температуры, может быть раз­ ное у этих двух тел (обозначим их 1 и 2), если только их константы

вероятной зависимости контактной разности потенциалов от темпе­ ратуры. В результате помещения двух спаев в разные температур­ ные условия их контактные разности потенциалов могут оказаться разными. Опять-таки и одного этого условия было бы достаточно для возникновения результирующей разности потенциалов в замк­ нутой цепи, а значит, и появления тока.

Учитывая оба явления, мы можем записать выражение для термоэлектродвижущей силы в виде суммы падения напряжения в первом проводе, скачка потенциала от первого тела ко второму, падения потенциала во втором теле и скачка потенциала от второго

и так же преобразуем аналогичную вторую разность. Тогда формула для э. д. с. примет вид

* - ] ' { * - # ) < * - ] { * • - ¥ ) < « • •

г, 4 / г, 4 ' Нам удалось таким способом выразить $ в виде разности двух ве­

личин, каждая из которых является характеристикой данного тела. Довольно часто термин «термоэлектродвижущая сила» применяют не к этим интегралам, а к величине э. д. с , отнесенной к одному градусу:

а = а- dT

Эта величина является основной характеристикой термоэлектри­ ческих свойств тела. Она не является неизменной константой, а мо­ жет зависеть от термодинамических условий, в том числе и от темпе­ ратуры. Впрочем, для многих тел эта зависимость не выражена ярко.

Измеряя термоэлектродвижущую силу, можно определить не ос, а разность этих величин. Однако, комбинируя разные пары провод­ ников и полупроводников, мы имеем возможность определить зна­ чения а по отношению к одному телу, принятому за «начало от­ счета». Таким образом можно расположить тела в ряд по их термо­ электродвижущим силам. По вполне понятным после сказанного причинам ряд по термоэлектродвижущим силам не совпадает с рядом по контактной разности потенциалов.

Приведем термоэлектродвижущие силы некоторых металлов по отношению к платине. Если данный металл спаян с платиной, причем один спай находится при 0°С, а другой — при 100°С, то в замкнутом контуре возникает э. д. с. (в мил­ ливольтах):

Константан —3,4

Положительный знак означает, что в спае, находящемся при 0°С, ток течет от данного металла к платине.

Беря из таблиц значение констант а, мы сразу же подсчитаем значение термоэлектродвижущей силы, имеющей место при данной разности температур: g=(&i — a g ) (7\ — Т2). Такой вид будет иметь формула в случае термоэлемента, составленного двумя

металлами или двумя полупроводниками, обладающими одинаковыми по знаку носителями тока. В этом случае разности потенциалов, возникающие в обоих плечах цепи, направлены друг против друга и результирующая э. д. с. представляет собой разность действий обоих проводов, составляющих цепь Однако картина меняется в том случае, если мы составим цепь из двух полупроводников, один из которых обладает дырочной, а другой — электронной проводи­ мостью. У дырочного проводника на холодный спай направляются дырки, а электроны идут к горячему спаю. У электронного провод­

Первое из этих явлений, носящее имя Пельтье, состоит в сле­ дующем. Если через спай двух тел проходит электрический ток, то в спае выделяется или поглощается тепло, пропорциональное силе протекающего тока:

при изменении направления электрического тока: в зависимости от направления тот же самый спай будет либо выделять, либо погло­ щать тепло. Опытом Ленца это было доказано более ста лет назад. В углубление на стыке стержней сурьмы и висмута Ленц поместил каплю воды. Пропуская ток в одном направлении, можно было показать, что капля замерзает. Меняя направление тока на об­ ратное, можно эту же каплю расплавить.

Второе явление имеет место в любом однородном проводнике, если он неравномерно нагрет. Положим, например, что ток идет вдоль стержня, один конец которого находится при одной темпера­ туре, а второй конец — при другой. Тогда в этом проводе будет происходить дополнительное выделение тепла, пропорциональное первой степени силы тока (а не ее квадрату, как в эффекте Джоуля). Разумеется, чтобы заметить это явление, надо свести к минимуму джоулево тепло.

Можно хотя бы следующим образом демонстрировать этот эф­ фект (его предсказал на основании термодинамических соображе­ ний английский физик Томсон). В состав цепи тока входят два