Модель атома, допускающая передачу тепла посредством электронов.

Определим теплопередачу следующими правилами:

1. В металлах-проводниках тепло передаётся только электронами.

2. Так как электроны обладают массой и зарядом, то они участвуют в 2-х явлениях одновременно – в тепловом и электрическом, что приводит к сравнению силы обеих явлений. Чтобы определить результат воздействий на электрон, при математическом моделировании был создан раздел «переход процессов», описывающий электрическое и тепловое действие на ток при условии соизмеримости этих 2-х процессов (теплового и электрического).

Итак, те электроны, что могли бы участвовать в электрическом токе, также могут участвовать и в передаче тепла. Поэтому модель передачи тепла в металлах-проводниках может описываться так: если два соседних атома имеют разную тепловую энергию, то ядро атома с более высокой энергией передаёт частицу своей энергии электрону, который переходит в расположение атома с низкой энергией и передаёт его ядру часть своей энергии. Это движение произошло, когда тепловой процесс был большим, чем электрический, однако в процессе теплопередачи нарушилась электронейтральность - более холодный атом стал отрицательным ионом (на короткое время). Итак, после передачи тепла тепловой процесс исчез, но обнаружилось нарушение электронейтральности - теперь начинается электрический процесс, когда электрон из второго атома уже без тепловой энергии под действием электрических сил возвращается в расположение первого атома. Значит, можно сделать вывод:

Явление теплопередачи является для двух атомов локально-уравнивающим, то есть теплопередача осуществляется колебательным (эстафетным) движением электронов, а на границах вещества процесс теплопередачи посредством электронов приобретает вид термоэлектронной эмиссии. Это может значить, что процесс теплопередачи посредством электронов – это более общий закон, и он может касаться не только проводников, но и полупроводников и даже изоляторов! На границах вещества процесс теплопередачи посредством электронов носит всё тот же вид колебаний (эстафеты) электронов, что создаёт в пространстве инфракрасное излучение - в вакууме металлы передают тепло также посредством инфракрасного излучения, что говорит о колебаниях электронов на границах металлов, то есть о той же теплопередаче в вакууме посредством электронов.

Теперь модель атомов для металлов-проводников немного прояснилась. Почему же полупроводники ведут себя по-другому? Изоляторы же, по законам современной физики, вовсе не нуждаются в электронном способе теплопередачи. Но, тем не менее, по принципу аналогии можно предложить гипотезу о едином способе передачи тепла для всех веществ – электронном. Исследуя полупроводники, можно обнаружить особенности в модели атома полупроводников -  они заключаются в особом управляемом способе энергообмена между ядром атома и электронами. Поэтому полупроводник может не обладать проводимостью и даже термоэлектронной эмиссией, пока не подвергнется некоторым воздействиям и условиям. При этом термин «ширина запрещённой зоны» является неверным по смыслу. В полупроводниках, которые имеют «широкую запрещённую зону», отсутствует непосредственный энергообмен между ядром атома и электронами. У полупроводников с  «узкой запрещённой зоной» имеется непосредственный энергообмен между ядром атома и электронами. Термин «работа выхода» уже связан с механизмом ядра атома, включающим (увеличивающим) термоэлектронную эмиссию - она может включаться (управляться) определёнными энергетическими явлениями: например, облучение полупроводника светом может включить в атомах полупроводника термоэлектронную эмиссию, поэтому фотоэлектронная эмиссия – это частный случай термоэлектронной эмиссии. Эта гипотеза отвергает существование тепловых фононов (они не требуются, надо всего лишь изучить функции ядра атома), но в то же время электромагнитные волны остаются востребованными.

Такие сложности существуют в модели атомов полупроводника. В модели атома изоляторов связь электронов с ядром атома ещё более сильная, но и к ним может быть применима высказанная гипотеза о эстафетной передаче тепла посредством электронов.

Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия, как и теплопередача, имеет связь с проводимостью вещества и бывает открытой и скрытой. Открытая термоэлектронная эмиссия соответствует материалам-проводникам и существует без условий, то есть неуправляема. Скрытая термоэлектронная эмиссия – это эмиссия, которая существует при возникновении некоторых условий, то есть управляема. Пример управляемой (скрытой) эмиссии — возникновение ЭДС при облучении PN-перехода светом, то есть фотоэлектронная эмиссия — это управляемая термоэлектронная эмиссия. Это можно проверить экспериментом, если изменять температуру PN-перехода. Скрытая термоэлектронная эмиссия соответствует материалам-полупроводникам с «широкой запретной зоной». При этом изоляторы обладают более «широкими запрещёнными зонами», чем полупроводники, и в них процессы термоэлектронной эмиссии имеют вид всем известных процессов электризации (электростатика).

Теперь можно рассмотреть контакт двух веществ как результат взаимодействия их электронных эмиссий. Попытаемся найти аналогии между разными явлениями.

Термопары.

Термопары создаются на основе материалов с открытой термоэлектронной эмиссией - на основе проводников или полупроводников с «узкой запретной зоной» (или, что то же самое - с малой «работой выхода»). При этом понятие PN-перехода для термопар аналогично понятию PN-перехода полупроводникового диода. Само явление нагревания контакта можно определить так: на выводах термопары при нагревании её контакта возникает ЭДС, при этом важно, чтобы сам контакт обладал температурой большей, чем его выводы. Зона P — это материал термопары, на выводе которого имеется положительный полюс ЭДС, а зона N —это материал термопары, на выводе которого имеется отрицательный полюс ЭДС. Здесь обозначения P и N несут смысл «позитива» и «негатива» и никак не связаны с понятиями дырочной и электронной проводимости по той простой причине, что дырочной проводимости в природе не существует, как не существует самих «дырок» и ионов внутри твёрдого вещества. Для термопар существует термоэлектрический ряд напряжений - для 3-х веществ понятие P- и N-зон становиться уже неудобным, потому для них необходимо знать расположение веществ в термоэлектрическом ряду напряжений. Следует учесть, что вещества со скрытой термоэлектронной эмиссией термо-ЭДС не создают, пока не возникнут соответствующие физические условия (управление), то есть термо-ЭДС у них управляема.

Радиотехническое условное графическое изображение термопары имеет вид:

Рис. 1.1.1. Радиотехническое обозначение термопары

Для понимания термоэлектрической теории разработаем условные графические изображения PN-переходов. Они будут 2-х типов: 1-й тип соответствует УГО полупроводникового диода, 2-й тип изображает контакт 2-х веществ.

Рис.1.1.2. Термоэлектрические обозначения термопар и PN-переходов (синей стрелкой обозначено направление движения электронов при прямом токе): 1 — 1-й тип графических обозначений, 2а — контакт 2-х веществ с открытой термоэлектронной эмиссией, 2б — контакт 2-х веществ со скрытой термоэлектронной эмиссией. Буквами N и P обозначена полярность термо-ЭДС.

При изучении термоэлектроники будем пользоваться и 1-м, и 2-м типом термоэлектрических обозначений. Для обеспечения полной информативности схем необходимо использовать и обозначения, поясняющие расположение вещества в термоэлектрическом ряду напряжений. Опять же, здесь можно использовать 2 типа пояснений: 1-й тип основан на термоэлектрическом ряду напряжений (U), а 2-й тип может сообщать об атомном номере вещества (Z).

Рис. 1.1.3. Пояснения к обозначениям термопар и PN-переходов.

Итак, термопары имеют открытую термоэлектронную эмиссию и следующие обозначения (см. рис. 1.1.4.):

Рис. 1.1.4. Термоэлектрическое обозначение термопар.

Термопара, основанная на контакте «медь — алюминий», может быть изображена так:

Рис. 1.1.5. Термоэлектрические обозначения термопары Cu-Al: 13 — атомный номер алюминия, 29 — атомный номер меди.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод обычно называют кремниевым, хотя на самом деле его внутренняя конструкция может быть сложной:

Рис. 1.1.6. "Кремниевый" диод.

Как мы видим на рис. 1.1.6, "кремниевый" диод имеет PN-переход вовсе не кремниевый. Он имеет в своём составе много других веществ, главное назначение которых —создать кристаллические решётки различной плотности, при этом сохранив способность к скрытой термоэлектронной эмиссии.  Переход обычного диода состоит из контактирующих поверхностей 2-х разных веществ: первое вещество — сплав кремния с веществом-донором, второе вещество — сплав кремния с веществом-акцептором. По принципам термоэлектроники, дырочной проводимости не существует, тогда какими свойствами обладают эти два вещества? Второе вещество обладает более сжатой кристаллической решёткой, чем первое вещество, при этом оба вещества обладают скрытой термоэлектронной эмиссией - это полная характеристика PN-переходов, обладающих односторонней проводимостью. Характерным для полупроводниковых диодов является также наличие "омического контакта" с проводниками-выводами, которые могут быть термопарами - такая локализация термопар может не давать термо-ЭДС при работе прибора, так как их термо-ЭДС взаимно противоположны.

Диоды Шоттки — это как раз тот вариант PN-перехода, когда регулировкой концентрации напыления металла можно создать омический или не омический контакт (не омическая зона обладает свойством создавать контакт только посредством термоэлектронной эмиссии). Ещё более интересными особенностями обладают так называемые "туннельные" диоды - в обычном PN-переходе зону N дополнительно легируют, причём концентрация напылённого металла регулируется, что создаёт условия омического контакта только на начальном участке вольт-амперной характеристики (ВАХ) прямого тока; для более высокой плотности тока этого омического контакта не хватает, и диод переходит в состояние прямого тока при скрытой термоэлектронной эмиссии.

Транзисторы

Величина скрытой термо-ЭДС PN-переходов транзистора может быть найдена при измерении вольт-амперных характеристик (ВАХ) переходов или из условных обозначений:

Рис. 1.1.7. Термоэлектрические обозначения транзисторов. Напряжения веществ получены с некоторым стандартным веществом, например с платиной (Э — эмиттер, Б — база, К — коллектор)

Здесь следует вспомнить о термоэлектрическом ряде напряжений. Их условных обозначений сразу можно заметить, что PN-переход «база-эмиттер» создаёт термо-ЭДС большую, чем термо-ЭДС PN-перехода «база-коллектор» (скрытая термо-ЭДС PN-перехода определяется как разность потенциалов, обозначенных на рис. 1.1.7). Значит, говорить о NPN- или PNP-структуре некорректно - переходы «база-эмиттер» и «база-коллектор» неодинаковы и различаются уровнем скрытой термоэлектронной эмиссии.

Электровакуумный диод

Катод электровакуумного диода обладает открытой термоэлектронной эмиссией:

Рис. 1.1.8. Обозначение вакуумного диода: 1 – радиотехническое, 2 – термоэлектрическое (направление движения электронов при токе отмечено синей стрелкой).

Ток, протекающий через лампу в одном направлении (электроны движутся от катода к аноду), называют "прямым током", однако с точки зрения термопар этот ток относиться к обратному току! Каковы признаки обратного тока у термопар? При прямом токе на PN-переходе термопары выделяется тепло, а при обратном токе у некоторых видов термопар происходит охлаждение PN-перехода. Поэтому электровакуумный диод работает на принципе охлаждения катода, при этом процесс охлаждения всё время компенсируется источником тепла — нитью накала диода. Получается, что электровакуумный диод — уникальный прибор, который обладает односторонним обратным током с позиций полупроводникового диода! При этом ток от анода к катоду (при обратной полярности анодного источника напряжения) вакуумного диода настолько мал, что его сложно измерить. Какая жк сила обеспечивает одностороннюю проводимость? Просто электроны участвуют в теплопередаче, двигаясь от нагретого катода к холодному аноду, и одновременно в анодном токе, но при этом силы теплопередачи очень велики и обеспечивают ток только в одном направлении.

Итак, теория с носителями электрического заряда в вакууме некорректна: электроны - не только носители электрического заряда, но и носители теплового заряда, поэтому мы можем наблюдать у электровакуумного диода переход процессов от теплового к электрическому и наоборот. Кроме того, иногда электронные лампы некорректно исследуют. Во-первых, покрывая катоды оксидом, мы имеем уже не чистый материал катода, а полупроводник; в некоторых случаях исследовать необходимо чистый металл, при этом каждый металл обладает уникальными свойствами. Поэтому нельзя смешивать все катоды, предлагая для них универсальное уравнение Ричардсона-Дэшмана, которое из-за обобщения неточно и уже не соответствует физическому явлению тока насыщения, в химии следует изучать каждое вещество катода отдельно. Во-вторых, при исследовании необходимо учитывать, из какого вещества сделан анод, какой теплоёмкостью он обладает и какова его температура в ходе эксперимента.