Напівпровідниковий перетворювач теплової енергії навколишнього середовища

Анатолій Зерно

Проблема сучасної енергетики полягає в тому, що виробництво електроенергії -- джерело матеріальних благ людини знаходиться в згубний протистоянні з його середовищем існування - природою і як результат цього - неминучість екологічної катастрофи.

Пошук і відкриття альтернативних екологічно чистих способів отримання електроенергії -- актуальне завдання людства.

Одним з джерел енергії, є природна навколишнє середовище: повітря атмосфери, води морів і океанів, які містять величезну кількість теплової енергії, одержуваної від Сонця.

Розглянемо для приклад ізольований кристал власного напівпровідника, який легувати (див. рис.1) донорно домішкою вздовж осі X за експоненціальним закону

nД (x) = f (ekx).

Рис. 1. Кристал напівпровідника легування донорно домішкою

Ліва частина кристала (X0) легується до такої концентрації Nдмакс, щоб рівень Фермі знаходився біля дна зони провідності напівпровідника, а права частина кристала (XК) легується до мінімально можливої концентрації Nдмін, щоб рівень Фермі знаходився посередині забороненої зони напівпровідника, при заданій температурі.

Основними носіями заряду, в даному випадку, є електрони (n).

Для простоти міркувань, неосновними носіями - дірками (р) нехтуємо через малу їх концентрації.

У деякий умовний початковий момент, коли закон розподілу концентрації електронів співпадає з законом розподілу донорно домішки (n = nД), кристал в цілому є електрично нейтральним і в кожному його елементарному обсязі виконується умова np = ni2, а вздовж осі X існує позитивний градієнт концентрації (див. рис.2) основних носіїв - електронів dn/dx> 0.

Рис. 2. Закон розподілу концентрації основних носіїв в кристалі

Під дією сил теплового руху і в результаті наявності градієнта концентрації, електрони починають дифундувати в кристалі вздовж осі X з області високої їх концентрації (X0) в область низької концентрації (XК), в результаті - електронейтральності кристала порушується.

Електрони, рухаються зліва направо, залишають після себе позитивно заряджені іони донорно домішки nД +.

Ці іони, жорстко пов'язані з кристалічними гратами напівпровідника, утворюють в лівій частини кристала нерухомий позитивний об'ємний заряд, а електрони, перейшли в праву частину кристала, утворюють негативний об'ємний заряд рівної величини, в результаті чого в об'ємі кристала напівпровідника уздовж осі X утворюється однаковий за величиною електричне поле Eх (див. рис.3).

Рис. 3. Розподіл об'ємних зарядів у кристалі

Сили електричного поля будуть прагнути повертати електрони в ту область кристала, звідки вони дифундувати. Ті електрони, енергія яких недостатня для подолання сил електричного поля, будуть повертатися -- дрейфувати в електричному полі в напрямку, протилежному процесу дифузії.

Таким чином, в кристалі напівпровідника вздовж осі X течуть дві зустрічно спрямованих струму: Jдіф. - Струм дифузії, Jдр. - Струм дрейфу.

У процесі освіти електричного поля в кристалі в бік збільшення його напруженості, дифузійний струм зменшується внаслідок зниження градієнта концентрації електронів, а дрейфовий струм збільшується за рахунок збільшення кількості електронів, що повертаються зростаючим полем у зворотний бік, що в кінцевому підсумку призводить до вирівнювання цих струмів Jдіф .= Jдр. і встановлення в об'ємі кристала електричного і термодинамічної рівноваги.

Щільність струму дифузії: Jдіф. =-QnD (dn/dx).

Щільність струму дрейфу: Jдр. =