8.9. Тензоелектричні напівпровідникові прилади

Напівпровідникові тензоелектричні прилади (тензоприлади) служать для вимірювання тиску і деформацій.

Тензорезистори засновані на тензорезистивному ефекті, який полягає в тому, що опір напівпровідника залежить від тиску на напівпровідник. Матеріалом для тензорезисторів частіше за все служить кремній, але можуть бути використані також інші напівпровідникові матеріали. До основних параметрів тензорезисторов відносяться номінальний опір (від десятків ом до десятків кілоом), тобто опір при відсутності тиску, і коефіцієнт тензочутливості, рівний відношенню відносної зміни опору ΔR/R до відносної зміни довжини тензорезистора ΔL /L. Цей коефіцієнт залежить від речовини, напівпровідника, типу електропровідності, питомого опору і напрямку деформації. У напівпровідників п-типу коефіцієнт тензочутливості від’ємний, тобто при зростанні тиску опір зменшується, а у напівпровідників р-типу він додатний. Практично цей коефіцієнт може дійти до сотень зі знаком «плюс» або «мінус». Тензорезистори характеризуються також граничною допустимою деформацією, яку не можна перевищувати не уникаючи виходу приладу з ладу.

Крім кристалічних тензорезисторів з кристалічного напівпровідника n- або р-типу можуть бути полікристалічні тензорезистори, в яких при деформації опір додатково змінюється за рахунок зміни опору контактів між окремими кристаликами.

Напівпровідникові тензодіоди працюють за принципом зміни вольт-амперної характеристики під дією тиску. Ця зміна пов'язана з тим, що при деформації змінюється висота потенціального бар'єра в n-р-переході. Коефіцієнт тензочутливості у тензодіодов досягає сотень і навіть тисяч. Він може бути ще вищим у тунельних тензодіодов.

У тензотранзисторах також під дією тиску змінюється вольт-амперна характеристика. У залежності від того, до якої області транзистора прикладений тиск, при його зростанні може спостерігатися зменшення або збільшення струму.

У тензотиристорах із збільшенням тиску на базовий електрод, що грає роль керуючого електрода, зростає струм емітера і за рахунок цього знижується напруга вмикання.

8.10. Термоелектричні напівпровідникові прилади

У

Рис.8.24. Схема виникнення термо-ЕРС в напівпровіднику

перше явище виникнення ЕРС під дією теплоти, назване термоелектрикою, спостерігав в 1821р. німецький фізик Т.І. Зеєбек. Процес отримання термо-ЕРС відбувається таким чином. Нехай є, наприклад, напівпровідник n-типу (рис.8.24.а), у якого один кінець (на малюнку лівий) нагрітий сильніше, ніж інший (правий). Тоді на лівому, «гарячому» кінці концентрація і енергія рухливих носіїв заряду (електронів) буде більшою, ніж на правому, «холодному» кінці, і станеться дифузія електронів від «гарячого» кінця до «холодного» (зліва направо). У результаті на правому кінці утвориться надлишок електронів, тобто від’ємний заряд, а на лівому кінці - додатний заряд. Між цими зарядами виникне електричне поле, яке буде прагнути рухати електрони в зворотному напрямку і перешкоджати подальшому зростанню заряду. Встановиться урівноважений стан, який характеризується деякою різницею потенціалів, яка і є термо-ЕРС. Вона може складати до 0,5 мВ на кожний градус різниці температур. Аналогічне явище може відбуватися і в напівпровіднику р-типу (рис.8.24.б), в якому будуть дифундувати дірки і виникнуть заряди протилежних знаків в порівнянні з отриманими в напівпровіднику n-типу. Практично для отримання термо-ЕРС застосовують так звані термоелементи, або термопари (рис.8.25), в яких нагрівається контакт двох напівпровідників n- і р-типу. Термо-ЕРС, яка при цьому виникає, тим більша, чим вища різниця температур між «гарячим» контактом термоелемента і його «холодними» кінцями. Термоелементи можуть бути також складені з двох різних металів або з металу і напівпровідника. Однак термоелемент з двох напівпровідників дає найбільшу термо-ЕРС. При нагріві до 600^о С можна отримати термо-ЕРС до 0,3 В.

С

Рис.8.25. Принцип побудови напівпровідникового термоелемента

початку термоелементи використовувалися головним чином у вимірювальних приладах і в різних давачах температури, а надалі з них стали будувати термоелектрогенератори або джерела постійного струму, в яких велика кількість термоелементів сполучена послідовно або змішано (послідовно-паралельно). У створенні таких генераторів особливо велику роль зіграли роботи фізиків під керівництвом академіка А. Ф. Іоффе. Під час Великої Вітчизняної війни партизанські радіостанції живилися іноді від термоелектрогенераторів, які надягали на скло гасової лампи. Потужність термоелектрогенераторів може бути від одиниць до сотень ват і навіть більш, а ККД - до десятків відсотків.

У 1834 р. французький фізик Ж. Ш. А. Пельтьє відкрив ефект, який назвали його ім'ям і зворотний ефекту Зеєбека. Ефект Пельтьє полягає в тому, що при протіканні струму через контакт двох різнорідних металів або напівпровідників цей контакт нагрівається або охолоджується в залежності від напряму струму. На цьому ефекті заснований принцип дії термоелектричних холодильників, що застосовуються в науці і техніці. Такі холодильники є батареєю послідовно сполучених термоелементів. Вони не можуть конкурувати із звичайними холодильниками великого об'єму, але зате особливо зручні для побудови приладів малого розміру.