CINXE.COM

<!DOCTYPE html>    <html>  <head><script type="text/javascript" src="https://web-static.archive.org/_static/js/bundle-playback.js?v=7YQSqjSh" charset="utf-8"></script> <script type="text/javascript" src="https://web-static.archive.org/_static/js/wombat.js?v=txqj7nKC" charset="utf-8"></script> <script>window.RufflePlayer=window.RufflePlayer||{};window.RufflePlayer.config={"autoplay":"on","unmuteOverlay":"hidden"};</script> <script type="text/javascript" src="https://web-static.archive.org/_static/js/ruffle/ruffle.js"></script> <script type="text/javascript"> __wm.init("https://web.archive.org/web"); __wm.wombat("http://n-t.ru/tp/ie/pp.htm","20210420185252","https://web.archive.org/","web","https://web-static.archive.org/_static/", "1618944772"); </script> <link rel="stylesheet" type="text/css" href="https://web-static.archive.org/_static/css/banner-styles.css?v=p7PEIJWi" /> <link rel="stylesheet" type="text/css" href="https://web-static.archive.org/_static/css/iconochive.css?v=3PDvdIFv" />  <title>Полупроводниковый преобразователь тепловой энергии окружающей среды. Cтатьи. Наука и техника</title> <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge,chrome=1"/> <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1"> <meta name="SKYPE_TOOLBAR" content="SKYPE_TOOLBAR_PARSER_COMPATIBLE"/>  <meta property="og:title" content="Полупроводниковый преобразователь тепловой энергии окружающей среды"> <meta property="og:url" content="https://web.archive.org/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/ie/pp.htm"> <meta property="og:image" content="https://web.archive.org/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/n-t158.png"> <meta property="og:image:width" content="316"> <meta property="og:image:height" content="316"> <meta property="og:description" content="Предлагается описание преобразователя тепловой энергии окружающей среды в энергию электрического тока. Он представляет собой кристалл собственного полупроводника, который неоднородно легирован донорной или акцепторной примесями вдоль одной оси объема по экспоненциальному закону. Приведены: теоретическое обоснование, граничные условия легирования, диаграмма энергетических зон полупроводникового кристалла и схема преобразователя. "> <link rel="icon" href="/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/favicon.ico" type="image/x-icon"> <link href="/web/20210420185252cs_/http://n-t.ru/dz/nit.css" rel="stylesheet" type="text/css"> </head> <body> <script type="text/javascript"></script> <div id="fb-root"></div> <script>(function(d, s, id) { var js, fjs = d.getElementsByTagName(s)[0]; if (d.getElementById(id)) return; js = d.createElement(s); js.id = id; js.src = "//web.archive.org/web/20210420185252/http://connect.facebook.net/ru_RU/sdk.js#xfbml=1&version=v2.4&appId=1615304618725556"; fjs.parentNode.insertBefore(js, fjs); }(document, 'script', 'facebook-jssdk'));</script> <div class="vk vkm">  <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/"> <img class="il1" style="float: left;" src="/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/dz/1024-logo.gif" border="0" width="208" height="72" alt="Перейти в начало сайта" title="Перейти в начало сайта"> <img class="il2" style="float: left;" src="/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/dz/480-800-logo.gif" border="0" width="50" height="50" alt="Перейти в начало сайта" title="Перейти в начало сайта"> </a>  <div class="nv nm1">Электронная библиотека «Наука и техника»</div> <div class="nv nm2">n-t.ru: Наука и техника</div>  <div class="nv nv1"><a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/">Начало сайта</a> / <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/">Cтатьи</a> / <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/ie/">Источники энергии</a></div> <div class="nv nv2"><a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/">Начало сайта</a> / <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/">Cтатьи</a> / <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/ie/">Источники энергии</a></div> <div class="fp1"><div class="ya-site-form ya-site-form_inited_no" onclick="return {'action':'https://web.archive.org/web/20210420185252/http://n-t.ru/sy.htm','arrow':false,'bg':'transparent','fontsize':14,'fg':'#000000','language':'ru','logo':'rb','publicname':'Поиск по n-t.ru','suggest':false,'target':'_self','tld':'ru','type':3,'usebigdictionary':true,'searchid':149297,'webopt':false,'websearch':false,'input_fg':'#a1aab3','input_bg':'#ffffff','input_fontStyle':'normal','input_fontWeight':'normal','input_placeholder':'Поиск по n-t.ru:','input_placeholderColor':'#a1aab3','input_borderColor':'#B8D9B8'}"><form action="https://web.archive.org/web/20210420185252/http://yandex.ru/sitesearch" method="get" target="_self"><input type="hidden" name="searchid" value="149297"/><input type="hidden" name="l10n" value="ru"/><input type="hidden" name="reqenc" value=""/><input type="search" name="text" value=""/><input type="submit" value="Найти"/></form></div><style type="text/css">.ya-page_js_yes .ya-site-form_inited_no { display: none; }</style><script type="text/javascript">(function(w,d,c){var s=d.createElement('script'),h=d.getElementsByTagName('script')[0],e=d.documentElement;if((' '+e.className+' ').indexOf(' ya-page_js_yes ')===-1){e.className+=' ya-page_js_yes';}s.type='text/javascript';s.async=true;s.charset='utf-8';s.src=(d.location.protocol==='https:'?'https:':'http:')+'//web.archive.org/web/20210420185252/http://site.yandex.net/v2.0/js/all.js';h.parentNode.insertBefore(s,h);(w[c]||(w[c]=[])).push(function(){Ya.Site.Form.init()})})(window,document,'yandex_site_callbacks');</script></div> </div> <div class="pl plm"> <div class="pll"> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ns/" class="arz">Научные статьи</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ns/fz/" class="arb">Физика звёзд</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ns/fm/" class="arb">Физика микромира</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nj/" class="arz">Журналы</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nj/pr/" class="arb">Природа</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nj/nz/" class="arb">Наука и жизнь</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nj/pl/" class="arb">Природа и люди</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nj/tm/" class="arb">Техника – молодёжи</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nl/" class="arz">Нобелевские лауреаты</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nl/fz/" class="arb">Премия по физике</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nl/hm/" class="arb">Премия по химии</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nl/lt/" class="arb">Премия по литературе</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nl/mf/" class="arb">Премия по медицине</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nl/ek/" class="arb">Премия по экономике</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nl/mr/" class="arb">Премия мира</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ri/" class="arz">Книги</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ri/kl/vz.htm" id="rb">Вода знакомая и загадочная</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ri/pr/zp.htm" id="rb">Законы Паркинсона</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ri/fr/" id="rb">Генри Форд</a>. <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ri/fr/mz.htm" id="rb">Моя жизнь, мои достижения</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ri/ch/pi.htm" id="rb">Популярная информатика</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ri/mn/sc.htm" id="rb">Сын человеческий</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ri/rj/ev.htm" id="rb">Этюды о Вселенной</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ii/" class="arz">Издания НиТ</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ii/ba/" class="arb">Батарейки и аккумуляторы</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ii/os/" class="arb">Охранные системы</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ii/ie/" class="arb">Источники энергии</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ii/st/" class="arb">Свет и тепло</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/" class="arz">Научно-популярные статьи</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/ns/" class="arb">Наука сегодня</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/ng/" class="arb">Научные гипотезы</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/to/" class="arb">Теория относительности</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/in/" class="arb">История науки</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/nr/" class="arb">Научные развлечения</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/ts/" class="arb">Техника сегодня</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/it/" class="arb">История техники</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/iz/" class="arb">Измерения в технике</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/ie/" class="arb">Источники энергии</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/rn/" class="arb">Наука и религия</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/mr/" class="arb">Мир, в котором мы живём</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/lt/" class="arb">Лит. творчество ученых</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/br/" class="arb">Человек и общество</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/ob/" class="arb">Образование</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/rz/" class="arb">Разное</a> </div> <div class="plp plpm"> <h1>Полупроводниковый преобразователь тепловой энергии окружающей среды</h1> <a href="https://web.archive.org/web/20210420185252/mailto:zernij@hotmail.com">Анатолий ЗЕРНИЙ</a> Проблема современной энергетики состоит в том, что производство электроэнергии – источник материальных благ человека находится в губительном противостоянии с его средой обитания – природой и как результат этого – неизбежность экологической катастрофы. Поиск и открытие альтернативных экологически чистых способов получения электроэнергии – актуальнейшая задача человечества. Одним из источников энергии, является природная окружающая среда: воздух атмосферы, воды морей и океанов, которые содержат огромное количество тепловой энергии, получаемой от Солнца. Рассмотрим для примера изолированный кристалл собственного полупроводника, который легирован (см. рис. 1) донорной примесью вдоль оси X по экспоненциальному закону Nд(x) = f (ekx). <img src="/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/tp/ie/pp_p01.gif" width="372" height="254" alt="" vspace="10" border="0"> Рис. 1. Кристалл полупроводника легированый донорной примесью Левая часть кристалла (X0) легируется до такой концентрации Nд макс, чтобы уровень Ферми находился у дна зоны проводимости полупроводника, а правая часть кристалла (Xк) легируется до минимально возможной концентрации Nд мин, чтобы уровень Ферми находился посредине запрещенной зоны полупроводника, при заданной температуре. Основными носителями заряда, в данном случае, являются электроны (n). Для простоты рассуждений, неосновными носителями – дырками (р) пренебрегаем из-за малой их концентрации. В некоторый условный начальный момент, когда закон распределения концентрации электронов совпадает с законом распределения донорной примеси (n = Nд), кристалл в целом является электрически нейтральным и в каждом его элементарном объеме выполняется условие np = ni2, а вдоль оси X существует положительный градиент концентрации (см. рис. 2) основных носителей – электронов dn/dx > 0. <img src="/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/tp/ie/pp_p02.gif" width="273" height="255" alt="" vspace="10" border="0"> Рис. 2. Закон распределения концентрации основных носителей в кристалле Под действием сил теплового движения и в результате наличия градиента концентрации, электроны начинают диффундировать в кристалле вдоль оси X из области высокой их концентрации (X0) в область низкой концентрации (Xк), в результате – электронейтральность кристалла нарушается. Электроны, движущиеся слева направо, оставляют после себя положительно заряженные ионы донорной примеси Nд+. Эти ионы, жестко связанные с кристаллической решеткой полупроводника, образуют в левой части кристалла неподвижный положительный объемный заряд, а электроны, перешедшие в правую часть кристалла, образуют отрицательный объемный заряд равной величины, в результате чего в объеме кристалла полупроводника вдоль оси X образуется постоянное по величине электрическое поле Eх (см. рис. 3). <img src="/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/tp/ie/pp_p03.gif" width="258" height="256" alt="" vspace="10" border="0"> Рис. 3. Распределение объемных зарядов в кристалле Силы электрического поля будут стремиться возвращать электроны в ту область кристалла, откуда они диффундировали. Те электроны, энергия которых недостаточна для преодоления сил электрического поля, будут возвращаться – дрейфовать в электрическом поле в направлении, противоположном процессу диффузии. Таким образом, в кристалле полупроводника вдоль оси X текут два встречно направленных тока: Jдиф. – ток диффузии, Jдр. – ток дрейфа. В процессе образования электрического поля в кристалле в сторону увеличения его напряженности, диффузионный ток уменьшается вследствие снижения градиента концентрации электронов, а дрейфовый ток увеличивается за счет увеличения количества электронов, возвращаемых растущим полем в обратную сторону, что в конечном итоге приводит к выравниванию этих токов Jдиф. = Jдр. и установлению в объеме кристалла электрического и термодинамического равновесия. Плотность тока диффузии: Jдиф. = –qnD(dn/dx). Плотность тока дрейфа: Jдр. = μnqnEx . Суммарный ток в кристалле: Jk = Jдр. + Jдиф. = μnqnEx – qnD(dn/dx) = 0. Исходя из вышеизложенного, напряженность электрического поля в кристалле: Ex = (kT / qn) K, где: k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура кристалла, qn – заряд основных носителей, K – показатель экспоненты распределения примеси. Таким образом, неоднородное распределение донорной примеси Nд вдоль оси X кристалла полупроводника по экспоненциальному закону приводит к образованию в объеме кристалла полупроводника постоянного по величине электрического поля, величина напряженности которого Ex не зависит от координаты X, а определяется только величиной абсолютной температуры T кристалла и показателем K экспоненты распределения донорной примеси. При этом один конец полупроводника (X0) окажется заряженным положительно по отношению к другому концу полупроводника (Xk). В этом случае, при заданной температуре, диаграмма энергетических зон в полупроводнике вдоль оси X приобретает следующий вид (см. рис. 4) <img src="/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/tp/ie/pp_p04.gif" width="322" height="233" alt="" vspace="10" border="0"> Рис. 4. Диаграмма энергетических зон ΔEс – высота потенциального барьера между концами полупроводникового кристалла, φk – разность потенциалов между концами полупроводникового кристалла, α – угол наклона энергетических зон. <img src="/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/tp/ie/pp_e01.gif" width="180" height="49" alt="" vspace="10" border="0"> tgα = qnEx . Это означает, что между противоположными концами полупроводникового кристалла существует разность потенциалов, φk а значит, развивается ЭДС (холостого хода). ЭДС, выраженная в Вольтах будет по величине численно равна половине ширины запрещенной зоны полупроводника: ЭДС = (Ec – Ev) / 2 [B]. Например, для германия ЭДСGе = 0,35 В, для кремния ЭДСSi = 0,55 В при температуре 293°К. Если замкнуть разноименные концы полупроводникового кристалла металлическим проводником с сопротивлением R, то в цепи потечет электрический ток JR, и как следствие в кристалле нарушится электрическое и термодинамическое равновесие, а именно: электроны уйдут с правого конца кристалла и перейдут в левый конец кристалла через проводник, чем будет увеличен градиент концентрации электронов, а значит ток диффузии Jдиф.. увеличится, а ток дрейфа Jдр. уменьшится, так как уменьшится напряженность электрического поля Eх. Ток JR в проводнике будет составлять разницу между токами диффузии Jдиф. и дрейфа Jдр.: JR = Jдиф. – Jдр.. При увеличении тока диффузии электроны будут отбирать тепловую энергию от кристаллической решетки полупроводника, вследствие преодоления ими потенциального барьера ΔЕс, в результате чего кристалл будет охлаждаться. Для поддержания постоянного тока в цепи нагрузки необходимо непрерывно подводить к кристаллу теплоту Q от окружающей среды (воздух, вода и т.п., см. рис. 5). <img src="/web/20210420185252im_/http://n-t.ru/tp/ie/pp_p05.gif" width="286" height="236" alt="" vspace="10" border="0"> Рис. 5. Электрическая схема полупроводникового преобразователя Аналогичные рассуждения и выводы можно сделать при легировании кристалла полупроводника акцепторной примесью (Na) или встречно легировать донорной и акцепторной примесями (Nд – Na). Об авторе: Анатолий Николаевич Зерний, инженер-радиоконструктор, г. Желтые Воды, Украина. Тел.: 05652-5-5080; факс: 05652-2-7647, e-mail: <a href="https://web.archive.org/web/20210420185252/mailto:zernij@hotmail.com">zernij@hotmail.com</a>. См. также: Зерний А.Н. <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/ts/pte.htm">Преобразователь тепловой энергии</a> (принцип работы, конструкция). <a href="https://web.archive.org/web/20210420185252/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2002.  <div class="dk"> <div class="dp"> Дата публикации: 14 мая 2001 года </div> <div class="ev"> Электронная версия: © <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/">НиТ</a>. <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/">Cтатьи</a>, 1997 </div> </div> </div>  </div>  <div class="nk nkm"> <div class="fp2"><div class="ya-site-form ya-site-form_inited_no" onclick="return {'action':'https://web.archive.org/web/20210420185252/http://n-t.ru/sy.htm','arrow':false,'bg':'transparent','fontsize':14,'fg':'#000000','language':'ru','logo':'rb','publicname':'Поиск по n-t.ru','suggest':false,'target':'_self','tld':'ru','type':3,'usebigdictionary':true,'searchid':149297,'webopt':false,'websearch':false,'input_fg':'#a1aab3','input_bg':'#ffffff','input_fontStyle':'normal','input_fontWeight':'normal','input_placeholder':'Поиск по n-t.ru:','input_placeholderColor':'#a1aab3','input_borderColor':'#B8D9B8'}"><form action="https://web.archive.org/web/20210420185252/http://yandex.ru/sitesearch" method="get" target="_self"><input type="hidden" name="searchid" value="149297"/><input type="hidden" name="l10n" value="ru"/><input type="hidden" name="reqenc" value=""/><input type="search" name="text" value=""/><input type="submit" value="Найти"/></form></div><style type="text/css">.ya-page_js_yes .ya-site-form_inited_no { display: none; }</style><script type="text/javascript">(function(w,d,c){var s=d.createElement('script'),h=d.getElementsByTagName('script')[0],e=d.documentElement;if((' '+e.className+' ').indexOf(' ya-page_js_yes ')===-1){e.className+=' ya-page_js_yes';}s.type='text/javascript';s.async=true;s.charset='utf-8';s.src=(d.location.protocol==='https:'?'https:':'http:')+'//web.archive.org/web/20210420185252/http://site.yandex.net/v2.0/js/all.js';h.parentNode.insertBefore(s,h);(w[c]||(w[c]=[])).push(function(){Ya.Site.Form.init()})})(window,document,'yandex_site_callbacks');</script></div> <div style="padding: 4px 0 6px 0; background: #f0faff;"><div class="fp2"><a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/">В начало сайта</a> | <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ri/">Книги</a> | <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/tp/">Статьи</a> | <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nj/">Журналы</a> | <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/nl/">Нобелевские лауреаты</a> | <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ii/">Издания НиТ</a> <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ks.htm#n-t">Карта сайта</a> | <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/sp/">Cовместные проекты</a> | <a href="https://web.archive.org/web/20210420185252/http://smbr.n-t.ru/">Журнал «Сумбур»</a> </div></div> <div style="padding: 4px 0 6px 0; background: #fffceb; border-top: 1px solid #99D8FF;"><div class="fp2">© <a href="https://web.archive.org/web/20210420185252/http://n-t.ru/">МОО «Наука и техника»</a>, 1997...2021</div></div> <div style="padding: 4px 0 6px 0; background: #f0faff; border-top: 1px solid #99D8FF;"><div class="fp2"><a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/md.htm">Об организации</a> • <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ad.htm">Аудитория</a> • <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/ki.htm">Связаться с нами</a> • <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/rr.htm">Разместить рекламу</a> • <a href="/web/20210420185252/http://n-t.ru/pi.htm">Правовая информация</a> </div></div> </div> </body></html>