Полупроводниковый преобразователь тепловой энергии окружающей среды

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:

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки