Выпрямление тока в контакте металл-полупроводник
А. Рассмотрим соединение металл - полупроводник n-типа. Пусть работа выхода электрона из металла больше, чем из полупроводника (рис. 24.5.1) 
.
Значит, электрону легче выйти из полупроводника, чем из металла. При контакте металл - полупроводник выравниваются энергии Ферми, а работы выхода остаются прежними. Электроны выходят из полупроводника в металл, который заряжается отрицательно.
Полупроводник соответственно заряжается положительно. Возникает двойной электрический слой – запирающий слой, как в контакте двух разнородных полупроводников.
Запирающий контактный слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, т.е. может пропускать ток в одном направлении. Для рассмотренного случая пропускным является направление тока из металла в полупроводник.
Запирающий слой не образуется при 
.
Б. Запирающий слой и односторонняя проводимость возникает и при контакте металла и полупроводника р-типа, если работа выхода электронов из металла меньше, чем из полупроводника р-типа
.
В этом случае электроны выходят из металла в полупроводник, и пропускным направлением для тока будет из полупроводника в металл.
Запирающий слой не образуется при 
.
Контакты металл - полупроводник применяют в качестве выпрямителей, так же как и контакт из двух полупроводников различной проводимости (полупроводниковый диод).
| |
|
|
|
Лекция 25
КОНТАКТНЫЕ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
В МЕТАЛЛАХ
Работа выхода электрона из металла
Уровнем Ферми в металле называется верхний энергетический уровень, заполненный электронами при температуре 0 К. 
Работой выхода электрона из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на уровне Ферми, чтобы удалить его из металла (рис. 25.1.1).
Работа выхода электрона из металла зависит от его химической природы и чистоты обработки поверхности (см. табл. 1 в параграфе 18.2).
Контактная разность потенциалов
При соединении двух разнородных металлов возникает разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов.
Итальянский физик А. Вольта установил экспериментально два закона.
1. Контактная разность потенциалов двух металлов зависит от химической природы и температуры соприкасающихся проводников.
Контактная разность потенциалов последовательно соединенных нескольких разнородных проводников, имеющих одинаковую температуру, не зависит от химической природы промежуточных проводников, а определяется контактной разностью потенциалов, которая возникает при контакте крайних проводников.
|
|
|
Рассмотрим контакт двух металлов с разными работами выхода.
Пусть работа выхода электронов из первого металла меньше, чем из второго А 
, а уровень Ферми в первом металле выше, чем во втором 
(рис. 25.2.1). При контакте двух металлов электроны будут переходить с высоких энергетических уровней первого металла на более низкие энергетические уровни второго металла. В результате уровни Ферми обоих металлов выравниваются и возникают внешняя и внутренняя контактная разности потенциалов (рис. 25.2.2).
Внешняя контактная разность потенциалов между точками А и В определяется разностью работ выхода электронов из металла
и равна 
,
здесь е – элементарный электрический заряд.
Рис. 25.2.1 Рис. 25.2.2
Внутренняя контактная разность потенциалов возникает между двумя точками разнородных металлов, находящихся в двойном электрическом слое, который образуется в приконтактной области. Этот слой называется контактным. Его толщина в металлах составляет 10 
м. Внутренняя
|
|
|
контактная разность потенциалов определяется разными значениями энергий уровней Ферми двух разнородных металлов
и равна 
.
К возникновению внутренней контактной разности потенциалов приводит разная концентрация электронов в металлах. Внутренняя контактная разность потенциалов зависит от температуры контактов и обусловливает термоэлектрические явления. Внешняя контактная разность потенциалов много больше внутренней контактной разности потенциалов.
Второй закон Вольта можно вывести на примере соединения трех разнородных металлов (рис. 25.2.3).
Разность потенциалов в цепи, содержащей последовательно соединенные проводники при одинаковой температуре, равна сумме всех разностей потенциалов, поэтому, учитывая формулы внешней и внутренней контактной разности потенциалов, можно записать
.
Из полученного выражения следует, что разность потенциалов цепи, состоящей из трех проводников, зависит только от характеристик первого и третьего проводника, т.е. от крайних металлов.
Термоэлектрические явления
А. Явление Зеебека
В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек (1770 – 1831) открыл экспериментально, что в замкнутой цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников, появляется электрический ток, если температуры контактов разные.
|
|
|
Возникновение термоэлектрического тока в цепи из двух разных металлов называется явлением Зеебека.
Пусть в цепи, состоящей из двух разнородных металлов, спаи имеют разную температуру и 
. Направление тока указано на рис. 25.3.1.
Опыт показывает, что термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) в замкнутой цепи прямо пропорциональна разности температур контактов
.
Коэффициент 
называется постоянной термоэлектродвижущей силы. Единица измерения в СИ 
В/К.
Постоянная термо-ЭДС зависит от химической природы металлов.
Из формулы термо-ЭДС можно определить температуру 
.
Полученное выражение применяют при дистанционном измерении температуры с помощью термопары.
Термопара – это устройство для измерения температуры, которое состоит из двух сваренных по концам разнородных металлов.
Первый спай термопары размещают в месте замера температуры ( 
), а второй спай имеет температуру окружающей среды ( 
).
Измеряя термо-ЭДС и температуру , подставляя известное значение постоянной термо-ЭДС ( 
), можно вычислить значение температуры 
..
Б. Явление Пельтье
В 1834 г. французский физик Ж. Пельтье обнаружил, что при прохождении тока через контакт двух проводников кроме джоулевой 
теплоты выделяется (поглощается) дополнительная теплота.
Джоулева теплота пропорциональна квадрату силы тока 
. Теплота в явлении Пельтье пропорциональна силе тока в первой степени и времени
,
где П - коэффициент Пельтье.
При прохождении тока через цепь из двух (рис. 25.3.2) металлов (I') спай 1 охлаждается (в явлении Зеебека он был нагрет), а спай 2 нагревается (он был более холодным).
Если поменять направление тока, нагревается спай 1, а спай 2 охлаждается, поэтому можно записать
.
Объясняется явление тем, что электроны по разные стороны спая имеют разную среднюю энергию. Пропустим ток в прежнем направлении (по часовой стрелке). Электрон проходит через спай 2 в область с меньшей энергией и его энергия уменьшается. Избыточную энергию электрон отдает спаю, который нагревается. При движении через спай 1 электроны переходят в область с большей энергией. Энергия электронов повысится, если они заберут энергию у спая, а спай 1 охладится.
Явление Пельтье применяют в работе термоэлектрических полупроводниковых холодильников. Явление Пельтье обратно явлению Зеебека.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 498; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!