Анатолий Зерний
Проблема современной энергетики состоит в том, что производство электроэнергии – источник материальных благ человека находится в губительном противостоянии с его средой обитания – природой и как результат этого – неизбежность экологической катастрофы.
Поиск и открытие альтернативных экологически чистых способов получения электроэнергии – актуальнейшая задача человечества.
Одним из источников энергии, является природная окружающая среда: воздух атмосферы, воды морей и океанов, которые содержат огромное количество тепловой энергии, получаемой от Солнца.
Рассмотрим для примера изолированный кристалл собственного полупроводника, который легирован (см. рис.1) донорной примесью вдоль оси X по экспоненциальному закону
Nд(x) = f (ekx).
Рис. 1. Кристалл полупроводника легированый донорной примесью
Левая часть кристалла (X0) легируется до такой концентрации Nдмакс, чтобы уровень Ферми находился у дна зоны проводимости полупроводника, а правая часть кристалла (Xк) легируется до минимально возможной концентрации Nдмин, чтобы уровень Ферми находился посредине запрещенной зоны полупроводника, при заданной температуре.
Основными носителями заряда, в данном случае, являются электроны (n).
Для простоты рассуждений, неосновными носителями – дырками (р) пренебрегаем из-за малой их концентрации.
В некоторый условный начальный момент, когда закон распределения концентрации электронов совпадает с законом распределения донорной примеси (n=Nд), кристалл в целом является электрически нейтральным и в каждом его элементарном объеме выполняется условие np=ni2, а вдоль оси X существует положительный градиент концентрации (см. рис.2) основных носителей – электронов dn/dx>0.
Рис. 2. Закон распределения концентрации основных носителей в кристалле
Под действием сил теплового движения и в результате наличия градиента концентрации, электроны начинают диффундировать в кристалле вдоль оси X из области высокой их концентрации (X0) в область низкой концентрации (Xк), в результате – электронейтральность кристалла нарушается.
Электроны, движущиеся слева направо, оставляют после себя положительно заряженные ионы донорной примеси Nд+.
Эти ионы, жестко связанные с кристаллической решеткой полупроводника, образуют в левой части кристалла неподвижный положительный объемный заряд, а электроны, перешедшие в правую часть кристалла, образуют отрицательный объемный заряд равной величины, в результате чего в объеме кристалла полупроводника вдоль оси X образуется постоянное по величине электрическое поле Eх (см. рис.3).
Рис. 3. Распределение объемных зарядов в кристалле
Силы электрического поля будут стремиться возвращать электроны в ту область кристалла, откуда они диффундировали. Те электроны, энергия которых недостаточна для преодоления сил электрического поля, будут возвращаться – дрейфовать в электрическом поле в направлении, противоположном процессу диффузии.
Таким образом, в кристалле полупроводника вдоль оси X текут два встречно направленных тока: Jдиф. – ток диффузии, Jдр. – ток дрейфа.
В процессе образования электрического поля в кристалле в сторону увеличения его напряженности, диффузионный ток уменьшается вследствие снижения градиента концентрации электронов, а дрейфовый ток увеличивается за счет увеличения количества электронов, возвращаемых растущим полем в обратную сторону, что в конечном итоге приводит к выравниванию этих токов Jдиф.=Jдр. и установлению в объеме кристалла электрического и термодинамического равновесия.
Плотность тока диффузии: Jдиф. = –qnD(dn/dx).
Плотность тока дрейфа: Jдр. = μnqnEx .
Суммарный ток в кристалле:
Jk = Jдр. + Jдиф. = μnqnEx – qnD(dn/dx) = 0.
Исходя из вышеизложенного, напряженность электрического поля в кристалле:
Ex = (kT / qn) K,
где: k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура кристалла, qn – заряд основных носителей, K – показатель экспоненты распределения примеси.
Таким образом, неоднородное распределение донорной примеси Nд вдоль оси X кристалла полупроводника по экспоненциальному закону приводит к образованию в объеме кристалла полупроводника постоянного по величине электрического поля, величина напряженности которого Ex не зависит от координаты X, а определяется только величиной абсолютной температуры T кристалла и показателем K экспоненты распределения донорной примеси. При этом один конец полупроводника (X0) окажется заряженным положительно по отношению к другому концу полупроводника (Xk).
В этом случае, при заданной температуре, диаграмма энергетических зон в полупроводнике вдоль оси X приобретает следующий вид (см. рис.4)
Рис. 4. Диаграмма энергетических зон
ΔEс – высота потенциального барьера между концами полупроводникового кристалла, φk – разность потенциалов между концами полупроводникового кристалла, α – угол наклона энергетических зон.
tgα = qnEx .
Это означает, что между противоположными концами полупроводникового кристалла существует разность потенциалов, φk а значит, развивается ЭДС (холостого хода).
ЭДС, выраженная в Вольтах будет по величине численно равна половине ширины запрещенной зоны полупроводника:
ЭДС = (Ec – Ev) / 2 [B].
Например, для германия ЭДСGе = 0,35В, для кремния ЭДСSi = 0,55В при температуре 293ºК.
Если замкнуть разноименные концы полупроводникового кристалла металлическим проводником с сопротивлением R, то в цепи потечет электрический ток JR, и как следствие в кристалле нарушится электрическое и термодинамическое равновесие, а именно: электроны уйдут с правого конца кристалла и перейдут в левый конец кристалла через проводник, чем будет увеличен градиент концентрации электронов, а значит ток диффузии Jдиф.. увеличится, а ток дрейфа Jдр. уменьшится, так как уменьшится напряженность электрического поля Eх.
Ток JR в проводнике будет составлять разницу между токами диффузии Jдиф. и дрейфа Jдр.:
JR = Jдиф. – Jдр..
При увеличении тока диффузии электроны будут отбирать тепловую энергию от кристаллической решетки полупроводника, вследствие преодоления ими потенциального барьера ΔЕс, в результате чего кристалл будет охлаждаться. Для поддержания постоянного тока в цепи нагрузки необходимо непрерывно подводить к кристаллу теплоту Q от окружающей среды (воздух, вода и т.п., см. рис.5).
Рис. 5. Электрическая схема полупроводникового преобразователя
Аналогичные рассуждения и выводы можно сделать при легировании кристалла полупроводника акцепторной примесью (Na) или встречно легировать донорной и акцепторной примесями (Nд – Na).
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.n-t.org/
Похожие работы
... данном случае – 0,55В), что означает наличие между ними Э.Д.С. (холостого хода). Если замкнуть контакты М1 и М2 внешним металлическим проводником с сопротивлением RH, то электрическое и термодинамическое равновесие полупроводникового кристалла нарушится и в цепи нагрузки потечет электрический ток I RH. При этом p-n переход будет охлаждаться, т. к. энергия электронов переходящих из р-области в n- ...
... [3, с. 83] где - напряжение холостого хода; - уменьшение выпрямленного напряжения за счет перекрытия при индуктивной нагрузке; R-активное сопротивление цепи падение в вентилях; в полупроводниковых преобразователях мало и им можно пренебречь, кроме того, в установках средней мощности , поэтому: (3.1.2) В относительных единицах формула (3.1.2) будет иметь вид: (3.1.3) где - ...
... и целенаправленный путь. Электрическую энергию легко можно передавать на большие расстояния и непосредственно использовать для самых разнообразных целей. Все прежние машины и механизмы требовали «топлива», т. е. источника энергии, непосредственно на месте: паровая машина не в состоянии работать без достаточного количества топлива, ветряная мельница – без ветра, водяная мельница – без потока воды. ...
... кризис по причине роста народонаселения и дефицита природных ресурсов не выглядит как фатальная неизбежность, он может быть предотвращен. 4. Пути охраны окружающей среды от загрязнений в условиях научно-технического прогресса "Главный вопрос уже теперь не в том, сможет ли человечество производить достаточно пищи и предметов потребления, а в том, как скажутся на биосфере попытки достигнуть этого", ...
0 комментариев