Тепловой ток диода: Тепловой ток — Студопедия

4.5. Тепловой ток.

В диоде с длинной базой () выражение (4.27а) сводится к виду:

(4.28)

или

, (4.29)

где — скорость термогенерации дырок в базе;

Физический смысл выражений (4.28) и (4.29) поясняется рис.4.3, на котором изображено распределение дырок в базе при (при этом,). В соответствии с (4.21б)

,

.

Таким образом, последний сомножитель в (4.28) имеет смысл градиента концентрации дырок в базе на границе с р-п переходом.

В запертом диоде концентрация неосновных носителей вблизи р-п перехода меньше равновесной величины. Вследствие этого их термогенерация происходит более интенсивно, чем рекомбинации, так как часть генерированных носителей попадает в область

р-п перехода и выбрасывается полем в эмиттер. Выражение (4.29) показывает, что тепловой ток соответствует собиранию р-п переходом неосновных носителей, генерируемых со скоростью в объеме. С расстояния, большего, неосновные носители не успевают диффундировать дор-п перехода за время жизни и не дают вклада в тепловой ток.

В случае такая интерпретация теплового тока несправедлива, так как помимо тепловой генерации дырок, токобусловлен инжекцией дырок из контакта базы. С уменьшением толщины базы тепловой ток возрастает. Особенно велика роль инжекции из контакта в случае короткой базы (). При этом выражение (4.27а) записывается в виде:

. (4.30)

Из рис.4.3 видно, что последний сомножитель в (4.30) имеет смысл градиента концентрации дырок на границе с р-п переходом. В этом случае объем базы мал, и тепловой ток, обусловленный термогенерацией дырок в базе, много меньше, чем тепловой ток, связанный с инжекцией носителей заряда из контакта базы.

Практически база может считаться короткой при и длинной при. Важным свойством теплового тока является сильная температурная зависимость, связанная в основном с резкой зависимостью от температуры концентрации неосновных носителей.

Из соотношений (4.26) и (4.27) получим

. (4.31)

Поскольку

,

для теплового тока получим

, (4.32)

где ток

зависит от температуры значительно слабее, чем , и может считаться постоянным (~).

На практике ток обычно измеряется при комнатной температуре и требуется определить его значение при произвольной температуре. Используя выражение (4.32) для, получим

.

Заметим, что при показатель экспоненты можно представить в виде:

,

где

. (4.33)

При этом

, (4.34)

где — температура удвоения теплового тока.

При увеличении температуры на тепловой ток удваивается. Из соотношения (4.33) видно, что зависимость теплового тока от температуры тем более велика, чем шире запрещенная зона полупроводника. Так, приК величина температуры удвоения теплового тока для германия (эВ) составляет 10 К; для кремния (эВ) — 6,5 К, а для арсенида галлия (эВ) — всего 4,7 К.

Тепловой ток — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

Характеристика диода для прямого и обратного направлений тока. | Силовые диоды. а — диод типа ВКД-500 без воздушного охладителя и с охладителем. б — условные обозначения диодов в схемах.  [1]

Тепловой ток iT, определяющийся образованием дырок и электронов при тепловом движении, остается неизменным для данной температуры. Поэтому счростом приложенного напряжения увеличивается ток / if-ij стремясь по величине к тепловому току ( рис. 18 — 4), который относительно мал.  [2]

Тепловой ток, при прочих равных условиях, обратно пропорционален ширине запрещенной зоны полупроводникового материала.  [3]

Выходные ( а и входные ( б характеристики триода, включенного по схеме с ОЭ.  [4]

Тепловой ток в схеме с ОЭ имеет также другое значение, нежели в схеме ОБ. Это объясняется влиянием эмиттерного перехода на рост теплового тока в схеме с ОЭ.  [5]

Тепловые токи 1 э0 и Гк0 в справочниках на параметры транзисторов не приводятся, но даются сведения о токе / К.  [6]

Тепловой ток для этих решений очень мал. Возмущение, связанное с заменой / 0 на /, спадает с уменьшением температуры.  [7]

Тепловой ток

образуется неосновными носителями, которые генерируются в прилегающих к пространственному заряду объемах полупроводника, с толщиной порядка диффузионной длины L, приходят в область действия пространственного заряда и, подхватываясь его полем, переносятся беспрепятственно в соседнюю область.  [8]

Зависимость характеристик транзистора от температуры. а — входные характеристики, 6 — выходвые характеристики1.  [9]

Тепловой ток сильно изменяет входные ( рис. 87, а) и выходные ( рис. 87, б) характеристики транзистора, что можно объяснить следующим.  [10]

Тепловой ток резко снижается с ростом ширины запрещенной зоны. Тепловой ток уменьшается с ростом концентрации примесей вследствие снижения концентрации неосновных носителей.

 [11]

Меньший тепловой ток у кремниевых триодов является их заметным преимуществом, поскольку температурное влияние на режим их работы сказывается значительно слабее.  [12]

Тепловой ток ISK является своеобразной характеристикой качества данного образца. В схемах с полупроводниковыми триодами ток ISK является важным параметром, используемым при расчетах.  [13]

Предельный тепловой ток / Тепл — это действующее значение тока, который за время своего действия в течение 1 сек нагревает проводники до предельной температуры.  [14]

Тепловые токи закрытого транзистора / со, / ко малы, и в данном случае мы ими пренебрегаем.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

Что такое термодиод?

Полупроводниковые диоды позволяют электричеству течь в одном направлении и препятствуют потоку в другом направлении. Термодиод выполняет аналогичную функцию затвора, только используя тепловую энергию вместо электрической энергии.

При положительном тепловом смещении термодиод действует как теплопроводник, в то время как в противоположном случае с отрицательным тепловым смещением он подвергается плохой теплопроводности, эффективно действуя как теплоизолятор. Принцип действия этого термодиода показан на рис. 1.9.0005

Рисунок 1: Схема работы термодиода.

Когда первая клемма диода (левая сторона) имеет более высокую температуру по сравнению со второй клеммой (правая сторона), тепло может свободно течь от первой клеммы ко второй клемме. Напротив, когда второй вывод становится более горячим по сравнению с первым выводом, поток тепла от второго вывода к первому выводу сильно уменьшается. Это явление впервые наблюдал Чонси Старр на границе раздела меди и оксида меди(I) в 1919 году.30 с.

Так же, как и его электронный аналог, концепция термодиода предполагает наличие механизма нарушения симметрии. Это нарушение симметрии наиболее удобно достигается путем слияния двух материалов с разными характеристиками теплопередачи. Чонси Старр из Политехнического института Ренсселера в Нью-Йорке построил соединение, состоящее из металлической медной части, которую он соединил с ее фазой оксида меди; тем самым подтверждая принцип работы выпрямления тепла в такой структуре. Термический выпрямитель Старра физически основан на асимметричном электрон-фононном взаимодействии, возникающем на границе раздела двух разнородных материалов. Сегодня существует множество макроскопических выпрямителей, которые функционируют за счет разности характеристик материала из-за температурного смещения и/или других внешних управляющих полей. В 2006 году были построены первые микроскопические твердотельные термодиоды.

Термически симметричный

Однополупериодное выпрямление

Исследования в области тепловых или тепловых диодов предлагают теоретические модели для объяснения этого эффекта. В 2017 году в статье, опубликованной в журнале Nature, был представлен новый метод построения теплового диода, в котором диод состоит из фиксированной и подвижной клеммы. На рисунке ниже показаны отдельные изображения одного и того же устройства; подвижный терминал показан внизу, а фиксированный терминал показан вверху на обеих иллюстрациях. На иллюстрации слева диод не проводит тепло, а справа — проводит.

На иллюстрации «вперед» справа подвижный терминал приближается к неподвижному терминалу. На «обратной» иллюстрации слева клеммы находятся дальше. Это происходит из-за свойства теплового расширения материала подвижного терминала. В режиме «вперед» подвижный терминал горячее неподвижного, поэтому он расширяется вверх по направлению к неподвижному терминалу. В «реверсе» подвижный терминал холоднее неподвижного, поэтому он не расширяется вверх; и держит дистанцию.

Тепловое излучение ближнего поля (NTFR) — это процесс, при котором тепло передается посредством теплового излучения между двумя терминалами. Зазор должен быть сравним с длиной волны излучения и, следовательно, должен быть очень маленьким. Расстояние между поверхностями экспоненциально влияет на интенсивность передаваемого тепла. Такова природа исправления. Когда подвижный терминал подходит достаточно близко к фиксированному терминалу, NFTR допускает теплопроводность; в обратном — слишком далеко и теплоотдачи нет.

Термодиоды используются из-за их свойства изменять напряжение на проводе в зависимости от температуры. Разнообразные области применения включают тепловые двигатели, охлаждение и регулирование температуры. Они контролируют температурные пределы микропроцессоров с высокими тепловыми нагрузками. Дальнейшие исследования включают в себя создание микроскопических твердотельных тепловых диодов, применение концепции тепловых диодов для использования солнечной энергии и эффективное преобразование тепла в электричество при более низких температурах, среди прочего.

• Диод (11)

Выпрямление электронного теплового тока с помощью гибридного термодиода

• Опубликовано: 23 февраля 2015 г.

• Мария Хосе Мартинес-Перес ¹ ,
• Антонио Форньери ¹ и
• Франческо Джазотто ¹  

Природа Нанотехнологии том 10 , страницы 303–307 (2015)Процитировать эту статью

• 6397 Доступ

• 150 цитирований

• 21 Альтметрический

• Сведения о показателях

Субъекты

• Сверхпроводящие устройства

Abstract

Термодиоды ^1,2 — устройства, позволяющие теплу течь преимущественно в одном направлении — являются одним из ключевых инструментов для реализации твердотельных тепловых схем. Они найдут применение во многих областях нанонауки, включая охлаждение, сбор энергии, тепловую изоляцию, обнаружение радиации ³ и квантовой информации ⁴ или в новых областях, таких как фононика ^5,6,7 и когерентная калоритроника ^8,9,10 . Однако как с точки зрения фононной ^11,12,13 , так и электронной теплопроводности ¹⁴ (последняя находится в центре внимания данной работы), их экспериментальная реализация остается очень сложной ¹⁵ . Высокоэффективный термодиод должен обеспечивать разницу не менее чем на порядок между тепловым током, передаваемым в прямой температуре ( T ) Конфигурация смещения ( J _FW ) и созданная с помощью T -BIAS. ≫ 1 или ≪  1. До сих пор сообщалось о ℛ ≈ 1,07–1,4 в фононных устройствах ^16,17,18 , а ℛ ≈ 1,1 было получено с помощью электронного теплового выпрямителя с квантовыми точками при криогенных температурах ¹⁹ . Здесь мы показываем, что беспрецедентно высокие отношения ℛ ≈ 140 могут быть достигнуты в гибридном устройстве, сочетающем обычные металлы, туннельно связанные со сверхпроводниками ^20,21,22 . Наш подход обеспечивает высокопроизводительную реализацию термодиода для электронного теплового тока, который может быть успешно реализован в настоящих низкотемпературных твердотельных тепловых схемах.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Экспериментальная оценка теплового выпрямления в баллистическом нанопучке с асимметричным градиентом массы

  • Адиб Таваколи
  • , Джереми Мэр
  •  … Оливье Буржуа

  Научные отчеты Открытый доступ 12 мая 2022 г.

• Обратный тепловой поток с термоиндуктивным эффектом Пельтье

  • Кенджиро Окава
  • , Ясутака Амагай
  •  … Нобу-Хиса Канеко

  Физика коммуникаций Открытый доступ 16 декабря 2021 г.

• Поиск усовершенствованного управления температурным режимом для растягиваемой электроники

  • Бин Сун
  • и Синъи Хуан

  npj Гибкая электроника Открытый доступ 10 июня 2021 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

118,99 €

всего 9,92 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

$32,00

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1. Реализация термодиода. Рис. 2. Реакция термодиода и моделирование. Рис. 3. Характеристики термодиода. Рисунок 4: Механизмы ректификации тепла.

Ссылки

1. Starr, C. Выпрямитель на основе оксида меди. J. Appl. физ. 7 , 15–19 (1936).

   КАС Google Scholar

2. Ли, Б., Ван, Л. и Касати, Г. Термодиод: выпрямление теплового потока. Физ. Преподобный Летт. 93 , 184301 (2004).

   Артикул Google Scholar

3. Джазотто Ф., Хейккиля Т. Т., Лууканен А., Савин А. М. и Пекола Дж. П. Возможности мезоскопии в термометрии и охлаждении: физика и приложения. Ред. Мод. физ. 78, 217–274 (2006).

   Артикул Google Scholar

4. Нильсен, М. А. и Чуанг, И. Л. Квантовые вычисления и квантовая информация (издательство Кембриджского университета, 2002 г.).

   Google Scholar

5. Ли, Н. и др. Фононика: управление тепловым потоком с помощью электронных аналогов и не только. Ред. Мод. физ. 84 , 1045–1066 (2012).

   Артикул Google Scholar

6. Дуби Ю. и Ди Вентра М. Тепловой поток и термоэлектричество в атомных и молекулярных соединениях. Ред. Мод. физ. 83 , 131–155 (2011).

   Артикул КАС Google Scholar

7. Ван, Л. и Ли, Б. Тепловая память: хранилище фонической информации. Физ. Преподобный Летт. 101, 267203 (2008 г.).

   Артикул Google Scholar

8. Джазотто, Ф. и Мартинес-Перес, М. Дж. Тепловой интерферометр Джозефсона. Природа 492, 401–405 (2012).

   Артикул Google Scholar

9. Мартинес-Перес, М. Дж. и Джазотто, Ф. Квантовый дифрактор для теплового потока. Природа Коммуна. 5 , 3579 (2014).

   Артикул Google Scholar

10. Мартинес-Перес, М. Дж., Солинас, П. и Джазотто, Ф. Когерентная калоритроника в наносхемах на основе Джозефсона. Дж. Низкотемпературный. физ. 175, 813–837 (2014).

    Артикул Google Scholar

11. Ву, Лос-Анджелес. и Сигал, Д. Достаточные условия для термического выпрямления в гибридных квантовых структурах. Физ. Преподобный Летт. 102 , 095503 (2009).

    Артикул Google Scholar

12. Ли, Б., Ван, Л. и Касати, Г. Отрицательное дифференциальное тепловое сопротивление и тепловой транзистор. Заявл. физ. лат. 88 , 143501 (2006 г.).

    Артикул Google Scholar

13. Ли, Б. , Лан, Дж. и Ван, Л. Тепловое сопротивление поверхности раздела между разнородными ангармоническими решетками. Физ. Преподобный Летт. 95 , 104302 (2005 г.).

    Артикул Google Scholar

14. Куо, Д.М.Т. и Чанг, Ю.К. Термоэлектрические и тепловые свойства выпрямления соединений квантовых точек. Физ. Ред. B 81, 205321 (2010 г.).

    Артикул Google Scholar

15. Робертс, Н. А. и Уокер, Д. Г. Обзор наблюдений и моделей термического выпрямления твердых материалов. Междунар. Дж. Терм. науч. 50, 648–662 (2011).

    Артикул Google Scholar

16. Чанг К.В., Окава Д., Маджумдар А. и Зеттл А. Твердотельный тепловой выпрямитель. Science 314, 1121–1124 (2006).

    Артикул Google Scholar

17. Кобаяши В. , Тераока Ю. и Терасаки И. Оксидный термический выпрямитель. Заяв. физ. лат. 95, 171905 (2009).

    Артикул Google Scholar

18. Тиан Х. и др. Новый твердотельный термовыпрямитель на основе восстановленного оксида графена. науч. Отчет 2 , 523 (2012).

    Артикул Google Scholar

19. Scheibner, R. et al. Квантовая точка как тепловой выпрямитель. New J. Phys. 10 , 083016 (2008).

    Артикул Google Scholar

20. Мартинес-Перес, М. Дж. и Джазотто, Ф. Эффективный перестраиваемый по фазе тепловой выпрямитель Джозефсона. Заяв. физ. лат. 102 , 182602 (2013).

    Артикул Google Scholar

21. Giazotto, F. & Bergeret, F. S. Термическое выпрямление электронов в гибридных нанопереходах нормальный металл-сверхпроводник. Заяв. физ. лат. 103 , 242602 (2013).

    Артикул Google Scholar

22. Форньери, А., Мартинес-Перес, М. Дж. и Джазотто, Ф. Обычный металлический тепловой диод с туннельным переходом. Заявл. физ. лат. 104 , 183108 (2014).

    Артикул Google Scholar

23. Wellstood, F.C., Urbina, C. & Clarke, J. Эффекты горячих электронов в металлах. Физ. Ред. B 49 , 5942–5955 (1994).

    Артикул КАС Google Scholar

24. Таскинен Л. Дж. и Маасилта И. Дж. Улучшение характеристик болометров горячих электронов и твердотельных охладителей с неупорядоченными сплавами. Заявл. физ. лат. 89 , 143511 (2006 г.).

    Артикул Google Scholar

25. Дайнс, Р. К., Нараянамурти, В. и Гарно, Дж. П. Прямое измерение расширения времени жизни квазичастиц в сверхпроводнике с сильной связью. Физ. Преподобный Летт. 41 , 1509–1512 (1978).

    Артикул КАС Google Scholar

26. Тимофеев А.В. Ограниченная рекомбинацией релаксация энергии в сверхпроводнике Бардина-Купера-Шриффера. Физ. Преподобный Летт. 102, 017003 (2009 г.).

    Артикул Google Scholar

27. Пекола, Дж. П. и др. Ограничения в охлаждении электронов с помощью туннельных переходов нормальный металл-сверхпроводник. Физ. Преподобный Летт. 92 , 056804 (2004 г.).

    Артикул КАС Google Scholar

28. Паскаль, Л. М. А., Куртуа, Х. и Хеккинг, Ф. В. Дж. Схемный подход к переносу фотонного тепла. Физ. Ред. B 83 , 125113 (2011 г.).

    Артикул Google Scholar

29. Мешке М., Гишар В. и Пекола Дж. П. Одномодовая теплопроводность фотонами. Природа 444 , 187–190 (2006).

    Артикул КАС Google Scholar

30. Шмидт Д. Р., Шелькопф Р. Дж. и Клеланд А. Н. Фотонная тепловая релаксация электронов в наноструктурах. Физ. Преподобный Летт. 93 , 045901 (2004).

    Артикул КАС Google Scholar

Скачать ссылки

Благодарности

Авторы благодарят C. Altimiras за полезные комментарии. Программа первоначального обучения Марии Кюри (ITN) Q-NET 264034, Министерство обороны Италии через проект PNRM TERASUPER и Европейский исследовательский совет в рамках Седьмой рамочной программы Европейского Союза (FP7 / 2007-2013) / Соглашение о гранте ERC №. 615187-COMANCHE за частичную финансовую поддержку.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. NEST, Istituto Nanoscienze-CNR и Scuola Normale Superiore, Piazza S. Silvestro 12, Пиза, I-56127, Италия

   Мария Хосе Хосе Мартинес-Форанс

Авторы

1. Мария Хосе Мартинес-Перес

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. Антонио Форньери

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Francesco Giazotto

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

M.J.M-P. изготовил образцы. М.Дж.М-П. и А.Ф. выполнили измерения, проанализировали данные и провели моделирование. Ф.Г. задумал эксперимент.