Внутренняя и внешняя контактная разность потенциалов в металлах

Обновлено: 02.05.2024

В металлах, согласно электронной теории проводимости, свободные электроны находятся в состоянии постоянного хаотичного теплового движения. Однако при нормальных температурах они не покидают металл. У поверхности металла существует задерживающее электрическое поле. Чтобы вылететь из металла электрон должен совершить работу по преодолению задерживающих сил. Эта работа называется работой выхода.

Работа выхода - работа, которую должен совершить электрон, чтобы выйти из металла.

Формула для работы выхода:

где e - заряд электрона, U - разность потенциалов между точками в металле и за пределами задерживающего слоя.

Работа выхода измеряется в электронвольтах.

Электронвольт - внесистемная единица измерения, равная энергии, которую приобретает электрон при движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1 Вольт.

Как у поверхности металла образуется задерживающее поле?

Вследствие теплового движения электроны с поверхности металла могут отрываться и образуют над поверхностью электронное облако.
На местах покинувших металл электронов образуются положительные ионы. По закону Кулона, они стремяться вернуть покинувшие металл электроны обратно.

В результате у поверхности металла образуется двойной электрический слой.

В вакууме за пределами задерживающего слоя поле отсутствует, поэтому формула для работы выхода запишется в виде:

где φ - потенциал выхода, равный потенциалу поля внутри металла.

Контактная разность потенциалов

Явление контактной разности потенциалов в 1797 году открыл Алессандро Вольта (1745 -1827).

Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов - разность потенциалов, которая возникает при контакте поверхностей двух разных металлов.

Разность потенциалов, возникающая при контакте двух разных металлов, зависит от их химического состава и температуры.
Если цепь составлена из нескольких разных проводников при одинаковой температуре, контактная разность потенциалов определяется только контактной разностью между крайними проводниками.

Причины возникновения контактной разности потенциалов:

Разная работа выхода для разных металлов.
Разная концентрация свободных электронов в разных металлах.

Схематически рассмотрим контакт двух металлов. Пусть у металла 1 работа выхода больше, чем у металла 2, и в металле 1 концентрация свободных электронов больше.

Между точками a и b , лежащими рядом с поверхностью, но не принадлежащими проводнику, возникает внешняя контактная разность потенциалов.

Электроны диффундируют из одного металла в другой, при этом из металла 1 в металл 2 уходит больше электронов, так как n 1 > n 2 . В результате металл 1 приобретает положительный, а металл 2 - отрицательный заряд. Возникшая разность потенциалов называется внутренней контактной разностью потенциалов.

Контактные явления, контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов и толщина слоя объемного заряда

Рассмотрим явления в контакте металл – полупроводник при отсутствии поверхностных состояний. Возьмем контакт электронного полупроводника (n-типа ) и металла в предположении, что работа выхода электрона из полупроводника Ф_П меньше работы выхода электрона из металла Ф_М, то есть Ф_П < Ф_М.

На рисунке 1а показана зонная энергетическая диаграмма металла (Me) и полупроводника (п/п) не находящихся в контакте друг с другом. Термодинамическая работа выхода – это расстояние от уровня вакуума Е₀ до уровня Ферми в металле F_М или в полупроводнике F_М:

Если металл и полупроводник привести в непосредственный контакт (рис.1б), то электроны будут переходить преимущественно из полупроводника в металл, так как уровень Ферми в полупроводнике в момент соединения с металлом лежит выше, чем в металле, F_П > F_М. При этом металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. Направленный поток электронов проходит над потенциальным барьером, который возникает в приконтактной области полупроводника (рис. 1в). Этот поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми F_П и F_М не выровняются, после чего установится динамическое равновесие (токи j_П и j_М будут равны друг другу). Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов:

где е – абсолютная величина заряда электрона.

Здесь при выводе этой формулы разность уровней F_П - F_М берется из рис. 1а или рис. 1б, так как после установления равновесия (рис. 1в) F_П = F_М . Величина j_М – это высота потенциального барьера со стороны металла, она имеет смысл работы выхода электронов из металла в полупроводник, равной расстоянию от уровня Ферми до зоны проводимости на границе. Величина F = E_C – F_П в глубине проводника, рис. 1в. При этом имеет место следующее равенство:

Итак, в приконтактной области полупроводника возникает слой положительного объемного заряда толщиной L, рис. 1в. Из этого слоя все электроны ушли в металл. В физике полупроводников доказывается, что толщина этого слоя

где ε – диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε₀ – электрическая постоянная, n₀ – концентрация свободных электронов в глубине полупроводника (т.е. при x > L).

Рис. 1. Зонная энергетическая диаграмма контакта металл – полупроводник (Me – п/п)

а) Me и п/п далеко друг от друга;

б) момент соприкосновения Me и п/п;

в) после установления термодинамического равновесия

Рис. 2. Зонная диаграмма контакта металл-полупроводник

а) при положительном напряжении;

б) при отрицательном напряжении

Величина L обычно составляет 10÷100 нм. Концентрация свободных электронов в металле значительно больше, чем в полупроводнике, поэтому толщина отрицательного слоя объёмного заряда в металле ничтожно мала и она не дает вклада в контактную разность потенциалов. Толщина слоя объёмного заряда L называется длиной экранирования Дебая. Этот слой экранирует внутреннюю часть полупроводника от проникновения туда контактного поля.

Рассмотрим условие динамического равновесия при контакте металла и полупроводника, рис. 1в. Ток термоэлектронной эмиссии электронов из металла в полупроводник над потенциальным барьером высотой j_М дается уравнением Ричардсона-Дэшмена:

где А – постоянная, Т – абсолютная температура, k – постоянная Больцмана, S – площадь контакта.

Обратный ток термоэлектронной эмиссии электронов из полупроводника в металл j_П равен, см. рис. 1в:

где величина eU_К + F играет роль работы выхода электрона из полупроводника в металл. При динамическом равновесии j_М = j_П. Этот же вывод следует и из уравнения (3).

2. Вольт‑амперная характеристика контакта

Наличие потенциального барьера на границе металл – полупроводник приводит к тому, что возможно явление выпрямления переменного тока, а ВАХ для постоянного тока будет несимметричной.

За положительное напряжение U примем такое напряжение, когда металл имеет положительный потенциал относительно полупроводника. Так как в области объемного заряда L (в приконтактной области полупроводника) свободных электронов практически нет, то удельное сопротивление этой области очень велико и все внешнее напряжение будет падать здесь.

При U > 0 все уровни в полупроводнике сдвинутся вверх на величину eU, рис. 2а. Переход электронов из полупроводника в металл облегчится, высота барьера со стороны полупроводника уменьшится, а со стороны металла высота барьера останется той же самой j_М. Результирующий поток электронов направлен от полупроводника к металлу и увеличивается с ростом напряжения.

При U < 0 все уровни в полупроводнике сдвинутся вверх на величину eU, рис.2б, и высота потенциального барьера со стороны полупроводника увеличится, а со стороны металла вновь не изменится. Вследствие этого поток электронов j_П со стороны полупроводника уменьшится, и при увеличении U этот поток станет очень мал. Поэтому через барьер будет проходить только постоянный поток электронов из металла и результирующий поток будет идти из металла в полупроводник.

В общем случае при любой полярности напряжения результирующий ток j = j_П – j_М.

Из диаграммы на рис. 2 при любой полярности приложенного напряжения получим:

- ток, обусловленный термодинамической эмиссией электронов из металла в полупроводник по-прежнему дается формулой (5).

- ток, обусловленный термодинамической эмиссией электронов из полупроводника в металл:

- уравнение (3) остается справедливым и при наличии внешнего напряжения. Результирующий ток

где j_М дается формулой (5). Используя уравнение (3), можно записать для тока:

ВАХ, построенная по уравнению (8), показана на рис. 3 (кривая 1). При ток быстро (экспоненциально) растет. При (но U < 0) ток становится постоянным j_Sº j_М, то есть не зависящим от U, и малым. Этот ток j_S получил название тока насыщения.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика выпрямляющего контакта полупроводника с металлом

1 – диодная теория; 2 – диффузионная теория

Вышеприведенный вывод ВАХ получил название диодной теории. Эта теория справедлива, если токи j_М и j_П обусловлены термоэлектронной эмиссией, когда электроны вылетают из металла или полупроводника с тепловыми скоростями υ_T. Но в нашем случае эти электроны вылетают не в вакуум, а должны пролететь через слой объёмного заряда толщиной L без столкновений с атомами решетки полупроводника.

где m – подвижность электронов.

Величина токов будет определяться формулой:

где поле E(x) и концентрация n(x) электронов может зависеть от координаты x. Так будет в области барьера, где объемный заряд, обусловленный контактной разностью потенциалов, делает поле E(x) неоднородным.

Ток, протекающий через полупроводник, должен быть одинаков в любом поперечном сечении полупроводника. Вычислим этот ток при x = 0, который протекает над вершиной потенциального барьера. Из физики полупроводников известно, что концентрация электронов в зоне проводимости равна:

где N_C – эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника.

При отсутствии внешнего напряжения, как видно из рис. 1, вблизи границы . Поэтому концентрация свободных электронов в полупроводнике у самой границы (при x = 0):

Как видно из рис. 2а и 2б, величина n_s не изменяется при приложении внешнего напряжения любой полярности, так как около границы величина F = E_C – E_П = j_М от напряжения U не зависит. Напряженность электрического поля E_s в полупроводнике около границы с металлом (при x = 0)

так как здесь поля, создаваемые внешним напряжением U и контактной разностью потенциалов U_К складываются.

При U = 0 в состоянии динамического равновесия результирующий ток . Из уравнений (10), (12) и (13) при U = 0 получим:

Это уравнение по своему смыслу определяет ток, создаваемый потоком электронов из полупроводника в металл под действием контактного поля . Но при равновесии . Это значит, что из металла в полупроводник течёт такой же электронный ток j_М (14), но он имеет диффузионную природу, так как в слое объёмного заряда – концентрация свободных электронов зависит от координаты.

При подаче напряжения U из тех же уравнений (10), (12) и (13) получим, что диффузионный поток электронов из металла через барьерный слой в полупроводнике создает ток

Видно, что напряжение U увеличивает диффузионный ток (сравните уравнения (14) и (15)). Связано это с тем, что напряжение U изменяет вид распределения n(x).

Однако обратный поток электронов из полупроводника в металл j изменяется из-за изменения высоты потенциального барьера со стороны полупроводника под влиянием напряжения U (рис. 2), . В итоге результирующий ток будет равен

что по форме совпадает с уравнением (8), но только ток насыщения j_S определяется не уравнением (9), а уравнением (15). Используя (3), получим:

Эта теория получила название диффузионной теории. ВАХ, даваемая уравнением (16), показана на рис. 3 (кривая 2). Ток «насыщения» j_S из (13) теперь зависит от приложенного напряжения, что часто наблюдается экспериментально. В учебниках по физике полупроводников уравнение (17) обычно записывают следующим образом:

n₀ – концентрация свободных электронов в глубине полупроводника (при x > L).

В заключение отметим, что слой объёмного заряда L получил название запирающего слоя, а потенциальный барьер – барьера Шоттки. Напряжение U > 0 называется прямым, а U < 0 – обратным. Поэтому соответственно говорят о прямых и обратных токах через контакт.

Одностороннюю проводимость контактов металл – полупроводник используют для изготовления полупроводниковых усилителей переменного тока. Для выпрямления технических токов низкой частоты (f = 50 Гц) широко применяют селеновые выпрямители, в которых запирающий слой образуется у границы слоя Se и металлического электрода. Металлический электрод обычно состоит из сплава различных металлов (например, Bi, Cd и Sn). В меднозакисных выпрямителях запирающий слой возникает на границе между медной пластиной и слоем закиси меди Cu₂O. Для выпрямления токов высокой частоты применяют германиевые и кремниевые «точечные» СВЧ-детекторы. К пластине полупроводника прижимается или приваривается металлическая проволока малого диаметра (микроны).

Контакты металл – полупроводник разных других конфигураций широко используют для создания быстродействующих нелинейных элементов, которые часто называются диодами Шоттки.

В уравнениях (8) диодной теории и (16) диффузионной теории величины токов j_П и j_s определяются при .

Воспользуемся уравнением вольт‑амперной характеристики диффузионной теории (16) и определим дифференциальную проводимость p‑n перехода при очень малых значениях напряжения.

Графическая зависимость позволяет определить величину контактной разности потенциалов U_к.

Тангенс угла наклона экспериментальной зависимости , домноженный на , дает значение U_к.

Если все величины имеют размерность системы СИ, то величина контактной разности потенциалов U_к выражена в вольтах.

Контакт двух металлов по зонной теории

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов.Итальянский физик А. Вольта (1745 – 1827) установил, что если металлы А1, Zn, Sn, Pb, Sb, Bl, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pb привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называется рядом Вольта.Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых до целых вольт.

Вольтаэкспериментально установил два закона:

1. Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2. Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Для объяснения возникновения контактной разности потенциалов воспользуемся представлениями зонной теории. Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А₁ и А₂ , т.е. с различными положениями уровня Ферми (верхнего заполненного электронами энергетического уровня). Если А₁ < А₂ (этот случай изображен на рис. 26, а), то уровень Ферми располагается в металле 1 выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, что приведет к тому, что металл 1 зарядится положительно, а металл 2 – отрицательно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле, заряжающемся положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицательно, – вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, которое, как доказывается в статистической физике, характеризуется; совпадением уровней Ферми в обоих металлах (рис. 26, 6).

Так как для соприкасающихся металлов уровни Ферми совпадают, а работы выхода А₁и А₂не изменяются (они являются константами металлов и не зависят от того, находятся металлы в контакте или нет), то потенциальная энергия электронов в точках, лежащих вне металлов в непосредственной близости к их поверхности (точки А и В на рис. 26, б), будет различной. Следовательно, между точками А и В устанавливается разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

Δφ' = (А₂ – А₁) / е. (246.1)

Разность потенциалов (246.1), обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов.Чаще говорят просто о контактной разности потенциалов, подразумевая под ней внешнюю.

Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов не одинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов,которая, как следует из рисунка, равна

Δφ'' =

В квантовой теории доказывается, что причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является различие концентраций электронов и контактирующих металлах. Δφ'' зависит от температуры Т контакта металлов (поскольку наблюдается зависимость E_F от Т), обусловливая термоэлектрические явления. Как правило, Δφ'' φ'.

Если, например, привести в соприкосновение три разнородных проводника, имеющих одинаковую температуру, то разность потенциалов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциала во всех контактах. Она, как можно показать (предоставляем это сделать читателю), не зависит от природы промежуточных проводников (второй, закон вольта).

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает в двойном электрическом слое, образующемся вприконтактной области, называемом контактным слоем.Толщина контактного слоя в металлах составляет примерно 10 –10 м, т. е. соизмерима с междоузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих и диффузии через контактный слой, составляет примерно 2 % от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Столь незначительное изменение концентрации электронов в контактном слое, с одной стороны, и малая по сравнению с длиной свободного пробега электрона его толщина – с другой, не могут привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с остальной частыо металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и через сами металлы, т.е. контактный слой проводит электрический ток в обоих направлениях (1 → 2 и 2 → 1)одинаково и не дает эффекта выпрямления, который всегда связан с односторонней проводимостью.

Внутренняя и внешняя контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления (явления Зеебека, Пельтье и Томсона)

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Итальянский физик А. Вольта установил, что если металлы Аl, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называется рядом Вольта. Контактная разность потенциалов для различных металлов составляет от десятых до целых вольт.

Вольта экспериментально установил два закона:

Для объяснения возникновения контактной разности потенциалов воспользуемся представлениями зонной теории. Рассмотрим контакт двух металлов с различными работами выхода А₁ и А₂, т.е. с различными положениями уровня Ферми (верхнего заполненного электронами энергетического уровня). Если A₁₂(этот случай изображен на рис. 330, а), то уровень Ферми располагается в металле 1 выше, чем в металле 2. Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить на более низкие уровни металла 2, что приведет к тому, что металл 1 зарядится положительно, а металл 2 — отрицательно. Одновременно происходит относительное смещение энергетических уровней: в металле, заряжающемся положительно, все уровни смещаются вниз, а в металле, заряжающемся отрицательно, — вверх. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока между соприкасающимися металлами не установится равновесие, которое, как доказывается в статистической физике, характеризуется совпадением уровней Ферми в обоих металлах (рис. 330, б).

Так как для соприкасающихся металлов уровни Ферми совпадают, а работы выхода А₁ и A₂ не изменяются (они являются константами металлов и не зависят от того, находятся металлы в контакте или нет), то потенциальная энергия электронов в точках, лежащих вне металлов в непосредственной близости к их поверхности (точки А и В на рис. 330, б), будет различной. Следовательно, между точками А и В устанавливается разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

Разность потенциалов (246.1), обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов. Чаще говорят просто о контактной разности потенциалов, подразумевая под ней внешнюю.

Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов не одинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

В квантовой теории доказывается, что причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является различие концентраций электронов в контактирующих металлах. Dj'' зависит от температуры T контакта металлов (поскольку наблюдается зависимость Е_F от T), обусловливая термоэлектрические явления. Как правило, Dj''j'.

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает в двойном электрическом слое, образующемся в приконтактной области и называемом контактным слоем. Толщина контактного слоя в металлах составляет примерно 10 –10 м, т. е. соизмерима с междоузельными расстояниями в решетке металла. Число электронов, участвующих в диффузии через контактный спой, составляет примерно 2% от общего числа электронов, находящихся на поверхности металла. Столь незначительное изменение концентрации электронов в контактном слое, с одной стороны, и малая по сравнению с длиной свободного пробега электрона его толщина — с другой, не могут привести к заметному изменению проводимости контактного слоя по сравнению с остальной частью металла. Следовательно, электрический ток через контакт двух металлов проходит так же легко, как и через сами металлы, т.е. контактный слой проводит электрический ток в обоих направлениях (1®2 и 2®1) одинаково и не дает эффекта выпрямления, который всегда связан с односторонней проводимостью.

Термоэлектрические явления.

Термоэлектрические явления-совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Термоэлектрическими явлениями являются эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.

Эффект Зеебека.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает ЭДС (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающей термоэдс зависит только от материала проводников и температур горячего (T₁) и холодного (T₂) контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс E можно считать пропорциональной разности температур:

E = α₁₂(T₂ − T₁), где α₁₂ — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс)

В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако строго говоря, он зависит и от температуры и в некоторых случаях с изменением температуры α₁₂ меняет знак.

Более корректное выражение для термоэдс:

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов, равная

F — энергия Ферми, e — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

Эффект Пельтье.

Заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока через контакт двух разных проводников. Эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека.

Сущность эффекта Пельтье состоит в том, что при прохождении электрического тока через контакт двух металлов или полупроводников в области их контакта в дополнение к обычному джоулеву теплу выделяется или поглощается дополнительное количество тепла, называемого теплом Пельтье Q_п. В отличие от джоулева тепла, которое пропорционально квадрату силы тока, величина Q_п пропорциональна первой степени тока.

t — время прохождения тока,

П — коэффициент Пельтье, коэффициент пропорциональности, зависящий от природы материалов, образующих контакт. Коэффициент Пельтье П = Т Da, где Т — абсолютная температура, а Da —разность термоэлектрических коэффициентов проводников. От направления тока зависит, выделяется или поглощается тепло Пельтье.

Причина возникновения эффекта заключается в том, что в случае контакта металлов или полупроводников на границе возникает внутренняя контактная разность потенциалов. Это приводит к тому, что потенциальная энергия носителей по обе стороны контакта становится различной, так как средняя энергия носителей тока зависит от их энергетического спектра, концентрации и механизмов их рассеяния и различна в разных проводниках. Так как средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, в разных проводниках различается, в процессе соударений с ионами решетки носители отдают избыток кинетической энергии решетке, и тепло выделяется. Если при переходе через контакт потенциальная энергия носителей уменьшается, то увеличивается их кинетическая энергия и электроны, сталкиваясь с ионами решетки, увеличивают свою энергия до среднего значения, при этом тепло Пельтье поглощается. Таким образом, при переходе электронов через контакт электроны либо передают избыточную энергия атомам, либо пополняют ее за их счет.

При переходе электронов из полупроводника в металл энергия электронов проводимости полупроводника значительно выше уровня Ферми металла, и электроны отдают свою избыточную энергию. Эффект Пельтье особенно велик у полупроводников, что используется для создания охлаждающих и обогревающих полупроводниковых приборов, в том числе для создания микрохолодильников в холодильных установках.

Эффект Томсона.

Заключается в дополнительном выделение или поглощение тепла (в зависимости от направления тока), помимо тепла, выделяемого в соответствии с законом Джоуля — Ленца, при прохождении тока через проводник, в котором имеется перепад температуры. Если вдоль проводника с током существует градиент температур, то в каждой единице объема проводника будет поглощаться или выделяться, в зависимости от направления тока, тепло, пропорциональное току и градиенту температуры.

Количество выделенного тепла Q_т (теплота Томсона) пропорционально силе тока I, времени t и перепаду температур (Т₁-Т₂) и определяется следующим образом:

Коэффициент пропорциональности — коэффициент Томсона, — зависит от природы материала.

Явление Томсона проявляется во всем объеме термоэлектрического вещества.

Эффект Томсона объясняется аналогично эффекту Пельтье. Если вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, и если ток течет в направлении возрастания температуры, то электроны движутся из мест с более высокой температурой и более высокой кинетической энергией в области с более низкой температурой. В результате происходит торможение электронов, которые передают избыточную энергию окружающим атомам в процессе столкновения, т.е. выделяется теплота. Для дырок эффект имеет обратный знак.

Читайте также: