Реферат по электротехнике на тему Электротермические эффекты в полупроводниках

ВВЕДЕНИЕ
Современное развитие электротехники, электроники и энергетики невозможно без глубокого понимания физических процессов, протекающих в полупроводниковых материалах[1, 3]. Полупроводники являются основой большинства электронных и электротехнических устройств, включая источники и преобразователи энергии, измерительные приборы, системы автоматического управления и элементы силовой электроники[6, 7]. Особое место среди физических явлений, определяющих свойства и области применения полупроводников, занимают термоэлектрические и электротермические эффекты[2].
Термоэлектрические эффекты, такие как эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона, связаны с взаимным преобразованием тепловой и электрической энергии в полупроводниковых материалах[2, 3]. Эти явления лежат в основе работы термоэлектрических генераторов, холодильников и датчиков температуры, широко применяемых в промышленности, энергетике, приборостроении и научных исследованиях. Электротермические эффекты, в свою очередь, обусловлены выделением тепла при прохождении электрического тока через материал и существенно влияют на тепловые режимы работы полупроводниковых приборов, их надежность и долговечность[2].
Актуальность изучения термоэлектрических и электротермических эффектов в полупроводниках определяется возрастающими требованиями к энергоэффективности, миниатюризации электронных устройств и использованию альтернативных источников энергии. В условиях интенсивного развития микро- и наноэлектроники, а также технологий энергосбережения, особое значение приобретает оптимизация тепловых процессов в полупроводниковых структурах и использование термоэлектрических явлений для прямого преобразования энергии без применения механических узлов[8, 9].
Кроме того, практическая значимость данной темы обусловлена тем, что термоэлектрические и электротермические эффекты оказывают существенное влияние на электрические параметры полупроводниковых материалов — электропроводность, коэффициент термоЭДС, теплопроводность и температурную устойчивость. Знание закономерностей этих эффектов позволяет целенаправленно выбирать материалы для конкретных условий эксплуатации, а также разрабатывать новые композиции и структуры с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Целью данного реферата является изучение сущности термоэлектрических и электротермических эффектов в полупроводниках, анализ физических механизмов их возникновения и рассмотрение их практического применения в электротехнике и электронике.
Для достижения поставленной цели в работе предполагается решение следующих задач:
-рассмотреть общие физические свойства полупроводниковых материалов;
-изучить основные термоэлектрические эффекты и условия их проявления в полупроводниках;
-проанализировать электротермические явления и их влияние на работу полупроводниковых приборов;
-рассмотреть области практического применения термоэлектрических и электротермических эффектов;
-обобщить значение изучаемых эффектов для современного электроматериаловедения и электротехники.
Объектом исследования в данном реферате являются полупроводниковые материалы, применяемые в электротехнике и электронике.
Предметом исследования являются термоэлектрические и электротермические эффекты, возникающие в полупроводниках при воздействии электрического тока и температурных градиентов.
Теоретической и методологической основой работы послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области электроматериаловедения и физики полупроводников, в том числе учебные и научные издания, рекомендованные Уфимским государственным нефтяным техническим университетом (УГНТУ), а также современные научные публикации и учебные пособия.
 
1 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

1.1 Физическая сущность термоэлектрических эффектов

Термоэлектрические эффекты в полупроводниках представляют собой совокупность физических явлений, возникающих при взаимном влиянии электрических и тепловых процессов в материале[1, 3]. Их сущность заключается в том, что температурные неоднородности в полупроводнике приводят к возникновению электрического поля и электрического тока, а прохождение электрического тока, в свою очередь, сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Данные эффекты обусловлены особенностями энергетической структуры полупроводников и характером движения носителей заряда[3].
В полупроводниковых материалах концентрация и подвижность носителей заряда существенно зависят от температуры. При наличии температурного градиента в объёме полупроводника происходит неравномерное распределение носителей заряда: в более нагретых областях их средняя энергия выше, чем в холодных. Это приводит к диффузии носителей заряда из областей с высокой температурой в области с более низкой температурой, что сопровождается возникновением разности электрических потенциалов. Данное явление лежит в основе термоэлектрической электродвижущей силы, возникающей в полупроводниковом материале[6, 7].
Физической причиной термоэлектрических эффектов является совместное действие электрического поля, температурного градиента и процессов рассеяния носителей заряда. В условиях температурного градиента движение носителей определяется не только внешним электрическим полем, но и тепловой диффузией. В результате в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором диффузионный поток носителей компенсируется дрейфовым, что и приводит к возникновению термоэлектродвижущей силы[1, 3].
Количественной характеристикой термоэлектрических явлений является коэффициент термоэлектродвижущей силы (коэффициент Зеебека), который определяется как отношение возникающей разности потенциалов к разности температур между концами образца[2]: