А.И.Иоффе выдвинул идею использования явления Пельтье для создания холодильных установок. Рабочим элементом таких приборов является батарея из чередующихся полупроводников n- и р-типа. Спаи одного вида (соответствующие, например переходу от n к р) введены в охлаждаемую область, другого вида (соответствующие переходу от р к n) выведены наружу. При надлежащем направлении тока внутренние спаи поглощают тепло, понижая температуру окружающего их пространства, наружные спаи отдают тепло внешней среде.

Явление Томсона.

На основании термодинамических соображений Томсон предсказал, что тепло аналогичное теплу Пельтье, должно выделяться (или поглощаться) при прохождении тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температур.

Явление Томсона объясняется по аналогии с явлением Пельтье. Пусть ток течет в направлении возрастания температуры. Если носители тока - электроны, они при своем движении будут переходить из мест с более высокой температурой ( и ,следовательно, большей средней энергией электронов) в места с более низкой температурой ( и меньшей средней энергией). Избыток своей энергии электроны отдадут решетке, что приведет к выделению тепла. Если носителями тока являются дырки, эффект будет иметь обратный знак.

Контактные явления в полупроводниках.

В технике наиболее широко применяются полупроводниковые кристаллы, у которых в смежные области введены различные типы примесей. Таким образом одна часть кристалла обогащена подвижными дырками, а другая - подвижными электронами. Фактически в этом случае можно говорить о соединении полупроводников р- и n- типа. В этом случае между ними возникает область, в которой тип проводимости постепенно меняется; эта область носит название р-n перехода.

Первоначапьно можно ожидать, что подвижные носители находятся там, где находятся образовавшие их ионы. Каждый атом-акцептор устанавливает в структуре дополнительные связи; для этого атом захватывает электрон, дотоле принадлежавший какой-либо соседней связи, становится при этом отрицательным ионом и отправляет в “путешествие” положительную дырку. Аналогично каждый атом-донор становится положительным ионом, высвобождая для странствий по кристаллу свой избыточный электрон.

Но такое свободное движение носителей не может продолжаться долго. Некоторые дырки, пройдя через область р-n перехода, забредут в область избытка электронов и сразу соединятся (рекомбинируют) с ними. Аналогично некоторые электроны пересекут область р-n перехода и войдут в область, где будут захвачены дырками и превратятся из электронов проводимости в связанные (валентные) электроны. Это движение есть не что иное, как диффузия дырок и электронов в противоположных направлениях. ( см рис.17)

Процесс диффузии продолжается до тех пор,пока концентрация диффундирующего вещества не выравняется во всем доступном частицам объеме. Однако в нашем случае электроны и дырки по обе стороны р-n перехода не могут уравнять свои концентрации по следующей причине. Каждый примесный атом создал добавочные носители тока, захватив или потеряв электрон и превратившись при этом в ион соответствующего знака. Постепенно эти неподвижные ионные заряды накапливаются и проявляют тенденцию к удержанию вблизи себя подвижных зарядов. Таким образом, вблизи р-n перехода достигается равновесная концентрация носителей тока разного знака. После того, как диффузия продолжалась достаточно долго, суммарный “связанный” ионный заряд возрастает настолько,что начинает препятствовать дальнейшему процессу диффузии; кроме того возникает даже компенсирующий ток носителей в обратном направлении.

На рис.18 изображено состояние р-n перехода в тот момент, когда между указанными процессами установится равновесие. Вблизи перехода образуется двойной слой электрического заряда, так как диффузия подвижных зарядов оставляет неподвижные заряды частично нескомпенсированными; двойной слой препятствует дальнейщей диффузии. Можно сказать, что наличие двойного слоя эквивалентно потенциальному барьеру, который диффундирующим подвижным зарядам необходимо преодолеть, причем для электронов и дырок барьер обращен ступенькой в противоположные стороны.

Опишем теперь, что происходит при нарушении установившегося равновесия, если это нарушение вызвано подключением кристалла с р-n переходом к полюсам электрической батареи. Под действием созданного батареей электрического поля противоположно заряженные электроны и дырки приобретут противоположно направленные дрейфовые скорости. Эти скорости сложатся со скоростями хаотического теплового движения. Но встречное движение разноименных зарядов дает электрический ток одного направления, и поэтому мы можем рассматривать лишь движение дырок, считая, что за счет движения электронов ток примерно удвоится.

На рис. 19а показано, что происходит с дырками перед тем как произошло подключение батареи. Несмотря на отталкивание положительным ионным зарядом, дырки из р-области диффундируют через переход слева направо; с этим движением связан ток If. Дырки возникающие за счет теплового возбуждения в n-области, создают встречный ток Ig, полностью компенсирующий ток If.

Разумеется, чтобы преодолеть барьер и участвовать в создании тока If, у дырки должен быть достаточный запас энергии ( во всяком случае не меньший, чем высота барьера). Таким образом сила тока If будет зависеть от высоты барьера и числа дырок, способных “взять “ этот барьер.

Присоединенная к кристаллу электрическая батарея изменяет высоту барьера. Если положительный полюс батареи подключкен к n-области кристалла, а отрицательный к его р-области, то батарея помогает положительным ионам n- области отталкивать приходящие дырки. Другими словами, такое подключение увеличивает высоту барьера, а переключение полюсов его понижает (рис. 19б, 19в).

Изменение высоты барьера очень мало влияет на величину тока Ig. Этот ток зависит от скорости, с которой образуются дырки при тепловом возбуждении атомов в n-области, и от того, как долго им удается уцелеть во “враждебном окружении”( точнее , успеют ли образовавшиеся дырки продиффундировать к краю барьера). Однако изменение высоты барьера может существенным образом повлиять на величину тока If. Результирующий, или суммарный, ток через р-n переход как функция приложенного к нему напряжения показан на рис.20. Видно, что при повышении напряжекния ток резко возрастает, если электрическое поле “ опускает” барьер; при обратном способе включения батареи ток ( обратный) сначала тоже возрастает с ростом напряжения, однако гораздо медленнее; наконец при достаточном поднятии барьера дальнейшее возрастание тока вовсе прекращается. Окончательное значение тока - ток насыщения - устанавливается в тот момент, когда практически ни одна дырка не в состоянии преодолеть энергетический барьер; ток насыщения в точности равен току Ig. Лишь при очень большом обратном напряжении сила тока начинает резко возрастать, что обусловлено электрическим пробоем перехода (левая ветвь). Каждый р-n переход характеризуется своим предельным значением обратного напряжения, которое он способен выдержать без разрушения.