Является ли германий веществом, применяемым в термоэлектронике?

http://bookzie.com/book_800_glava_132_§_105._Termoehlektricheskijj_.html

http://ru.wikipedia.org/wiki/Германий

Теллурид германия применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/985.html

Сплавы германия с Si или с В - высокоэффективные термоэлектрические материалы.

И, наконец, находим

http://termopary.far.ru/history.html

Вещество	Коэффициент Зеебека (термо-ЭДС)
Висмут	−72
Константан	−35
Никель	−15
Платина	0
Алюминий	3,5
Германий	300
Кремний	440
Теллур	500
Селен	900

Таблица 1.5.1. Значения коэффициента Зеебека в мкВ/К.

В таблице отмечено, что германий обладает высокими термоэлектрическими свойствами - коэффициент Зеебека у германия в 100 раз выше, чем у алюминия. N- и P-тип определяется термоэлектрическим рядом напряжений металлов - германий является веществом N-типа по отношению к меди и платине, а по отношению к селену германий будет веществом P-типа.

Это значит, что, пропуская ток через образец из германия, Шокли и Хейнц о многом умолчали - они не измеряли температуру контактов и не учитывали в своём эксперименте термоэлектрические эффекты. Поэтому объяснение опыта Шокли дал поверхностно и неправильно - отсюда появились фиктивные «дырки» вместо термоэлектрической теории PN-перехода.

Опыт Хейнса—Шокли с позиции термоэлектроники.

Приведём термоэлектрическая схему опыта:

Рис. 1.5.3. Термоэлектрическая схема опыта Хейнса—Шокли.

На рис. 1.5.3 все контакты схемы имеют вид PN-переходов термопар. Рассмотрим первый контур цепи - германиевый стержень, подключенный к батарее E1:

Рис. 1.5.4. Схема подключения германиевого стержня к батарее E1.

На рис. 1.5.4 германиевый стержень подключен к контактам (возможно, из меди или латуни) и имеет структуру P-N-P. Почему через неё течёт ток? Контакты такого рода относятся к термопарам - они считаются PN-переходом с «узкой запрещённой зоной» и имеют открытую термоэлектронную эмиссию. Каждый из контактов (на схеме обозначены цифрами 1 и 2) обладает термоэлектрическими качествами - например, для схемы на рис. 1.5.3. при включении батареи E1 в указанной полярности контакт 1 нагревается, а контакт 2 охлаждается (буквой Т обозначено выделение тепла, буквой Х — охлаждение). То есть на рис. 1.5.4. в PN-переходе слева наблюдается тепловой эффект Пельтье, в PN-переходе справа - холодильный эффект Пельтье.

В дальнейшем в своём опыте Хейнц создал ещё 2 контакта - передающий и приёмный. Нарисуем схему передающей стороны.

Рис. 1.5.5. Схема подключения германиевого стержня к батарее E1 и к контуру передающей цепи.

На рис. 1.5.5. генератор импульсов через контакт, обозначенный цифрой 3, периодически подаёт импульс положительной полярности в цепь между контактами 2 и 3. Стрелками синего цвета нарисованы направления движения электронов: e1 — направление движения электронов от источника E1; e2 — направление движения электронов в контуре генератора импульсов. Контакты 1 и 3 нагреваются, а контакт 2 - охлаждается согласно эффекту Пельтье. Поэтому контакт 2 считается PN-переходом, который поглощает тепловую энергию, а также он считается условно «запертым» переходом - из-за «узкой запрещённой зоны» он всё же пропускает ток, но обладает свойством улавливать тепловой поток, при этом ток в его цепи повышается. Свойство условно-запертого перехода 2 преобразовывать тепловой поток в электрический ток используется на приёмной стороне - для этого создаётся контакт 4, на который подаётся запирающее напряжение:

Рис. 1.5.6. Схема подключения германиевого стержня к батарее E1 и к контурам передающей и приёмной цепей.

На рис. 1.5.6 PN-переход, обозначенный как контакт 4, запитывается через батарею E2 и резистор R1 обратным током, и под действием этого тока он охлаждается согласно холодильному эффекту Пельтье. На рис. 1.5.6 потоки электронов обозначены как e1, e2, e3.

Поток электронов e1 задаётся батарей Е1 и течёт постоянно.

Поток электронов e3 задаётся батарей Е2 и течёт постоянно

Поток электронов e2 возникает только во время положительного импульса генератора.

Эти токи задаются пока упрощённо. В дальнейшем можно проанализировать всю цепь, чтобы определить влияние цепи с батареей Е1 на цепь с батареей Е2.

Рассмотрим, как работает опыт Хейнса—Шокли с точки зрения термоэлектрической теории. Работу опытной установки рассмотрим во времени по отдельным моментам. Первоначально рассмотрим момент времени, когда импульс генератора ещё не начался:

Рис. 1.5.7. Момент времени 1 - импульс на контакт 3 ещё не подан.

Момент времени 1.(см. рис. 1.5.7) - импульс на контакт 3 ещё не подан, через германиевый стержень протекают токи 2-х батарей. Электронные потоки обозначены как е1 и е3.

Рис. 1.5.8. Момент времени 2 - подан импульс на контакт 3.

Момент времени 2. (см. рис. 1.5.8.) - импульс на контакт 3 подан, он воздействует на электрическую цепь по законам Киргофа и поэтому мгновенно появляется как опорный импульс на приёмном контакте 4. В то же время от контакта 3 во все стороны распространяется тепловой поток в виде эстафетного движения электронов, участвующих в теплопередаче (эстафетный ток электронов обозначен двунаправленными красными стрелками). Пока это движение тепла в чистом виде, и скорость этого движения невелика. PN-переход 3 включен в прямом направлении с током генератора, поэтому согласно тепловому эффекту Пельтье он нагревается.

Рис. 1.5.9. Момент времени 3 - тепловой поток достигает условно запертого PN-перехода 4.

Момент времени 3. (см. рис. 1.5.9) - тепловой поток достигает условно запертого PN-перехода 4, который начинает отрывать у тепловой эстафеты электроны, заряжая переход следующим образом: зона P — положительный заряд, зона N — отрицательный заряд (так обычно реагируют термопары на тепловую энергию). Так как электрон у эстафеты отрывается на заряд PN-перехода, то эстафетный ток превращается в однонаправленный — инжекционный ток. При этом заряд PN-перехода 4 выглядит как пришедший с опозданием положительный импульс.

Рис. 1.5.10. Момент времени 4.

Момент времени 4. (см. рис 1.5.10.) - условно запертый PN-переход 4 отрывает электрон у тепловой эстафеты, и эстафетный ток превращается в однонаправленный — инжекционный ток. Инжекционный ток заряжает зону P положительным зарядом и зону N — отрицательным зарядом, что на осциллографе выглядит как пришедший с опозданием положительный импульс.

Заключение

Нам удалось получить объяснение явления Хейнса—Шокли без использования «дырочной» проводимости, применяя теорию термоэлектричества.

В опыте Хейнса—Шокли указывается, что при смене полярности батареи Е1 второй («размытый») импульс не наблюдался - объяснить это можно, проанализировав схему с позиции теории цепей. На участке германиевого стержня от контакта 4 до контакта 2 возникает падение напряжения в результате тока батареи Е1. Выше мы рассматривали полярность батареи Е1, при которой падение напряжение на участке 4-2 создавало запирающий эффект на PN-переходе 4. При смене полярности батареи Е1 PN-переход 4 открывается, и ток электронов e3 начинает течь в противоположную сторону. Как известно, на открытый переход тепловые потоки не действуют так значительно, как на закрытый.

Весь опыт Хейнса—Шокли чем-то похож на работу PNP-транзистора. Шокли этого и не скрывает, называя контакт 3 «эмиттером», а контакт 4 – «коллектором». Но, к сожалению, Шокли не учитывает термоэлектрические явления и изобретает мифические «дырки».

Итак, в 1949-м году опыт Хейнса был некорректно объяснен теоретиком Шокли по следующим причинам:

1. Не сообщается о падениях напряжения на контактах.

2. Не сообщается о материалах, из которых сделаны контакты.

3. Не сообщается о температурах контактов во время проведения эксперимента.

4. Не сообщается о назначении батареи E2.

5. Полностью игнорируются термоэлектрические свойства германия.

Вывод: «дырочная» теория Шокли неверна.

Элементы термоэлектроники

Теория теплового заряда.