6. Как показали исследования полупроводников АВ" и jYgvi стремление получить пленки, совершенные по структуре м свободные от напряжений, не всегда приводит к желаемому результату - обеспечению максимальной термоэлектрической эффективности. В мелкоблочных монокристаллических структурах обнаружено заметное повышение термоэлектрической добротности, обусловленное рассеяниями носителей на межблочных границах. Этим дополнительным механизмом рассеяния удается управлять путем изменения размеров блоков, степени их разориен-тации, а также варьируя сорт легирующей примеси. Положительное влияние на термоэлектрическую эффективность могут оказывать также анизотропные механические напряжения.

Обнаружение этих эффектов по-новому ставит вопрос о критериях оптимальной технологии, оптимального выбора подложки, выбора легирующей примеси, уровня легирования. Исследования пленок, кроме того, открыли новые, ранее неизвестные способы управления термоэлектрической добротностью. Их реализация в принципе возможна и в объемных термоэлементах.

7. Специфические проблемы возникают при разработке конструкций ПТБ. Выше уже отмечалась большая роль паразитного теплопереноса по подложке и теплообмена с окружающей средой. Последний обусловлен сильно развитой поверхностью термоэлектрических ветвей; их длина и ширина на несколько порядков превосходят толщину. К указанным проблемам следует добавить принципиальную сложность подвода и съема тепла при малой (порядка нескольких микрон) толщине термоэлементов. При последовательном соединении ветвей в батарею увеличение их числа уменьшает надежность электрической цепи. В то же время в существующих ПТБ число ветвей достигает 100 и более.

В последние годы в преодолении указанных трудностей достиг--нуты заметные успехи. Переход от планарной схемы (все термоэлементы расположены на подложке в одной плоскости) к многослойным и компактным конструкциям резко уменьшил влияние паразитного теплообмена, существенно упростил процесс сборки батареи. Оба эти варианта стали возможными благодаря использованию в качестве подложек гибкой полимерной ленты. Предложены новые способы подвода и съема тепла, весьма эффективные принципы электрической коммутации, резко повысившие надежность ПТБ. Тем не менее поиск новых конструктивных решений при разработке плецочных термоэлектрических приборов остается важнейшей задачей.

Сформулированные проблемы исследований и разработок пленочных термоэлектрических элементов и приборов на их основе определили содержание настоящей книги. Авторы стремились по возможности подробно осветить те результаты и проблемы, которые, по их мнению, имеют наибольшее значение для дальнейших работ в этой области, опуская при этом сведения, уже имеющиеся в литературе.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - работа

~~ Фактор анизотропии в коэффициенте Холла

а - постоянная решетки

В - магнитная индукция

Ь - отношение подвижностей электронов и дырок

с ~ удельная теплоемкость D - коэффициент диффузии примесей

d - толщина пленки D* - удельная обнаружительная способность приемника

/ - функция распределения электронов gCiS) - плотность состояний

е - абсолютная величина заряда электронов

Е - напряженность электрического поля

- энергия

- ширина запрещенной зоны

"JkT - приведенная ширина запрещенной зоны / - электрический ток 7 плотность тока к - волновой вектор

Ло - постоянная Больцмана

Ж - коэффициент температуропроводности

К - коэффициент анизотропии эффективных масс

£в - число Лоренца

1е - длина свободного пробега носителей заряда

те - масса свободного электрона

т - эффективная масса носителей заряда

171(1 - эффективная масса плотности состояний

- эффективная масса проводимости

п - концентрация электронов щ - собственная концентрация свободных носителей Nd, Na - концентрации доноров и

акцепторов jV* - число эквивалентных экстремумов

р - концентрация дырок Р - давление

Q - коэффициент ЭНЭ (поперечного эффекта Нернста - Эт-тингсгаузена) г - параметр рассеяния R - коэффициент Холла

5 - энтропия

Т - температура \t - время

V - скорость

V - разность потенциалов и - внутренняя энергия

и - подвижность свободных носителей

Ux - холловская подвижность W - плотность потока энергии (О - циклическая частота Z - термоэлектрическая эффективность а - коэффициент термо-ЭДС

6 - коэффициент линейного рас-

ширения

у - плотность

я - коэффициент Пельтье

8 излучательная способность (коэффициент черноты)

0 -диэлектрическая проницаемость

Ei - относительная деформация [jl - химический потенциал электронов (энергия Ферми) [jl* = [л/коТ - приведенный хими

ческий потенциал 6р - температура Дебая к - удельная теплопроводность у-р - теплопроводность кристаллической решетки - теплопроводность, обусловленная свободными носителями (электронная теплопроводность) р - удельное сопротивление - удельная электропроводность ~ постоянная Стефана-Больц- мана

т - время релаксации

К - длина волны

Ф - электростатический потенциал

Глава 1

ТЕОРИЯ ЯВЛЕНИЙ ПЕРЕНОСА

И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

в ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНКАХ

1.1. Основы феноменологического описания явлений переноса

Классификация явлений переноса. Весьма сложную в общем случае картину взаимосвязанных потоков заряда и энергии в кристаллах, с одной стороны, и внешних полей (электрического» магнитного, градиентов температуры и концентрации), с другой, можно представить как результат наложения конечного числа основных кинетических эффектов (явлений переноса). Феноменологическое рассмотрение позволяет классифицировать эти эффекты, дать определения кинетических коэффициентов и установить некоторые соотношения между ними, не конкретизируя природы и свойств носителей заряда и энергии. Это рассмотрение осуществляется на основе термодинамики необратимых процессов [3].

Согласно этой теории, к частям неравновесной системы, находящимся в локальном равновесии, применимо основное уравнение термодинамики квазистатических процессов

Т dSdU + ЬА - (1.1)

где ,5 - энтропия, Т - температура, U - внутренняя энергия, ЬА - совершенная работа, ji - химический потенциал i-й компоненты системы, Nt - концентрация i-u компоненты.

Принцип локального равновесия состоит в том, что взаимодействие частиц внутри макроскопически малого объема гораздо сильнее, чем с частицами других частей системы, в результате чего каждый такой объем можно считать находящимся в равновесии, в то время как между отдельными объемами, т. е. во всей системе, равновесие отсутствует. Принцип локального равновесия позволяет ввести понятия локальных температуры и химического потенциала, а также градиентов этих величин.

В термодинамической теории для описания каждого элементарного процесса, происходящего в неравновесной системе или ее части (подсистеме), вводится понятие обобщенной силы X и обобщенного потока /. Все элементарные процессы идут в направлении, приводящем к увеличению энтропии, причем скорость