Главная Пленочные термоэлементы [0] [1] [ 2 ] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] 6. Как показали исследования полупроводников АВ" и jYgvi стремление получить пленки, совершенные по структуре м свободные от напряжений, не всегда приводит к желаемому результату - обеспечению максимальной термоэлектрической эффективности. В мелкоблочных монокристаллических структурах обнаружено заметное повышение термоэлектрической добротности, обусловленное рассеяниями носителей на межблочных границах. Этим дополнительным механизмом рассеяния удается управлять путем изменения размеров блоков, степени их разориен-тации, а также варьируя сорт легирующей примеси. Положительное влияние на термоэлектрическую эффективность могут оказывать также анизотропные механические напряжения. Обнаружение этих эффектов по-новому ставит вопрос о критериях оптимальной технологии, оптимального выбора подложки, выбора легирующей примеси, уровня легирования. Исследования пленок, кроме того, открыли новые, ранее неизвестные способы управления термоэлектрической добротностью. Их реализация в принципе возможна и в объемных термоэлементах. 7. Специфические проблемы возникают при разработке конструкций ПТБ. Выше уже отмечалась большая роль паразитного теплопереноса по подложке и теплообмена с окружающей средой. Последний обусловлен сильно развитой поверхностью термоэлектрических ветвей; их длина и ширина на несколько порядков превосходят толщину. К указанным проблемам следует добавить принципиальную сложность подвода и съема тепла при малой (порядка нескольких микрон) толщине термоэлементов. При последовательном соединении ветвей в батарею увеличение их числа уменьшает надежность электрической цепи. В то же время в существующих ПТБ число ветвей достигает 100 и более. В последние годы в преодолении указанных трудностей достиг--нуты заметные успехи. Переход от планарной схемы (все термоэлементы расположены на подложке в одной плоскости) к многослойным и компактным конструкциям резко уменьшил влияние паразитного теплообмена, существенно упростил процесс сборки батареи. Оба эти варианта стали возможными благодаря использованию в качестве подложек гибкой полимерной ленты. Предложены новые способы подвода и съема тепла, весьма эффективные принципы электрической коммутации, резко повысившие надежность ПТБ. Тем не менее поиск новых конструктивных решений при разработке плецочных термоэлектрических приборов остается важнейшей задачей. Сформулированные проблемы исследований и разработок пленочных термоэлектрических элементов и приборов на их основе определили содержание настоящей книги. Авторы стремились по возможности подробно осветить те результаты и проблемы, которые, по их мнению, имеют наибольшее значение для дальнейших работ в этой области, опуская при этом сведения, уже имеющиеся в литературе. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ А - работа ~~ Фактор анизотропии в коэффициенте Холла а - постоянная решетки В - магнитная индукция Ь - отношение подвижностей электронов и дырок с ~ удельная теплоемкость D - коэффициент диффузии примесей d - толщина пленки D* - удельная обнаружительная способность приемника / - функция распределения электронов gCiS) - плотность состояний е - абсолютная величина заряда электронов Е - напряженность электрического поля - энергия - ширина запрещенной зоны "JkT - приведенная ширина запрещенной зоны / - электрический ток 7 плотность тока к - волновой вектор Ло - постоянная Больцмана Ж - коэффициент температуропроводности К - коэффициент анизотропии эффективных масс £в - число Лоренца 1е - длина свободного пробега носителей заряда те - масса свободного электрона т - эффективная масса носителей заряда 171(1 - эффективная масса плотности состояний - эффективная масса проводимости п - концентрация электронов щ - собственная концентрация свободных носителей Nd, Na - концентрации доноров и акцепторов jV* - число эквивалентных экстремумов р - концентрация дырок Р - давление Q - коэффициент ЭНЭ (поперечного эффекта Нернста - Эт-тингсгаузена) г - параметр рассеяния R - коэффициент Холла 5 - энтропия Т - температура \t - время V - скорость V - разность потенциалов и - внутренняя энергия и - подвижность свободных носителей Ux - холловская подвижность W - плотность потока энергии (О - циклическая частота Z - термоэлектрическая эффективность а - коэффициент термо-ЭДС 6 - коэффициент линейного рас- ширения у - плотность я - коэффициент Пельтье 8 излучательная способность (коэффициент черноты) 0 -диэлектрическая проницаемость Ei - относительная деформация [jl - химический потенциал электронов (энергия Ферми) [jl* = [л/коТ - приведенный хими ческий потенциал 6р - температура Дебая к - удельная теплопроводность у-р - теплопроводность кристаллической решетки - теплопроводность, обусловленная свободными носителями (электронная теплопроводность) р - удельное сопротивление - удельная электропроводность ~ постоянная Стефана-Больц- мана т - время релаксации К - длина волны Ф - электростатический потенциал Глава 1 ТЕОРИЯ ЯВЛЕНИЙ ПЕРЕНОСА И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ в ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНКАХ 1.1. Основы феноменологического описания явлений переноса Классификация явлений переноса. Весьма сложную в общем случае картину взаимосвязанных потоков заряда и энергии в кристаллах, с одной стороны, и внешних полей (электрического» магнитного, градиентов температуры и концентрации), с другой, можно представить как результат наложения конечного числа основных кинетических эффектов (явлений переноса). Феноменологическое рассмотрение позволяет классифицировать эти эффекты, дать определения кинетических коэффициентов и установить некоторые соотношения между ними, не конкретизируя природы и свойств носителей заряда и энергии. Это рассмотрение осуществляется на основе термодинамики необратимых процессов [3]. Согласно этой теории, к частям неравновесной системы, находящимся в локальном равновесии, применимо основное уравнение термодинамики квазистатических процессов Т dSdU + ЬА - (1.1) где ,5 - энтропия, Т - температура, U - внутренняя энергия, ЬА - совершенная работа, ji - химический потенциал i-й компоненты системы, Nt - концентрация i-u компоненты. Принцип локального равновесия состоит в том, что взаимодействие частиц внутри макроскопически малого объема гораздо сильнее, чем с частицами других частей системы, в результате чего каждый такой объем можно считать находящимся в равновесии, в то время как между отдельными объемами, т. е. во всей системе, равновесие отсутствует. Принцип локального равновесия позволяет ввести понятия локальных температуры и химического потенциала, а также градиентов этих величин. В термодинамической теории для описания каждого элементарного процесса, происходящего в неравновесной системе или ее части (подсистеме), вводится понятие обобщенной силы X и обобщенного потока /. Все элементарные процессы идут в направлении, приводящем к увеличению энтропии, причем скорость [0] [1] [ 2 ] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] 0.0016 |