Тензоэлектрические полупроводниковые приборы

8.9. ТЕНЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ Полупроводниковые тензоэлектрические приборы (тензо-приборы) служат для измерения давлений и деформаций. Тензо-резисторы основаны на тензорезистивном эффекте, который состоит в том, что сопротивление полупроводника зависит от давления на полупроводник. Материалом для тензо-резисторов чаще всего служит кремний, но могут быть использованы и другие полупроводники. К основным параметрам тензо-резисторов относятся номинальное сопротивление (от десятков ом до десятков килоом), т. е. сопротивление при отсутствии давления, и коэффициент тензо-чувствительности, равный отношению относительного изменения сопротивления ∆R/R к относительному изменению длины тензорезистора ∆l|l. Этот коэффициент зависит от вещества полупроводника, типа электропроводности, удельного сопротивления и направления деформации. У полупроводников п-типа коэффициент тензо-чувствительности отрицательный, т. е. при возрастании давления сопротивление уменьшается, а у полупроводников р-типа — положительный. Практически этот коэффициент может доходить до сотен со знаком «плюс» или «минус». Тензо-резисторы характеризуются еще предельной допустимой деформацией, которую нельзя превышать во избежание выхода прибора из строя. Помимо кристаллических тензо-резисторов — из кристаллического полупроводника n- или р-типа — могут быть поликристаллические тензо-резисторы, у которых при деформации сопротивление дополнительно изменяется за счет изменения сопротивления контактов между отдельными кристалликами. Полупроводниковые тензо-диоды работают по принципу изменения вольтамперной характеристики под действием давления. Это изменение связано с тем, что при деформации изменяется высота потенциального барьера в n — р-переходе. Коэффициент тензо-чувствительности у тензо-диодов достигает сотен и даже тысяч. Он может быть еще выше у туннельных тензо-диодов. У тензо-транзисторов также под действием давления изменяется вольт-амперная характеристика. В зависимости от того, к какой области транзистора приложено давление, при его возрастании может наблюдаться уменьшение или увеличение тока. В тензо-тиристорах с увеличением давления на базовый электрод, играющий роль управляющего электрода, возрастает ток эмиттера и за счет этого понижается напряжение включения. 8.10. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ Ранее уже рассматривались терморезисторы, которые могут быть отнесены к термоэлектрическим приборам. Здесь мы познакомимся с некоторыми другими типами приборов этой группы. Впервые явление возникновения ЭДС под действием теплоты, названное термоэлектричеством, наблюдал в 1821 г. немецкий физик Т. И. Зеебек. Рис. 8.24. Схема возникновения термо-ЭДС в полупроводнике Процесс получения термо-ЭДС происходит следующим образом. Пусть имеется, например, полупроводник n-типа (рис. 8.24, а), у которого один конец (на рисунке левый) нагрет сильнее, нежели другой (правый). Тогда на левом, «горячем» конце концентрация и энергия подвижных носителей заряда (электронов) будет больше, чем на правом, «холодном» конце, и произойдет диффузия электронов от «горячего» конца к «холодному» (слева направо). В результате на правом конце образуется избыток электронов, т. е. отрицательный заряд, а на левом конце — положительный заряд. Между этими зарядами возникнет электрическое поле, которое будет стремиться двигать электроны в обратном направлении и препятствовать дальнейшему росту заряда. Установится равновесное состояние, характеризующееся некоторой разностью потенциалов, которая и есть термо-ЭДС. Она может составлять до 0,5 мВ на каждый градус разности температур. Аналогичное явление может происходить и в полупроводнике р-типа (рис. 8.24, б), в котором будут диффундировать дырки и возникнут заряды противоположных знаков по сравнению с полученными в полупроводнике n-типа. Практически для получения термо-ЭДС применяют так называемые термоэлементы, или термопары (рис. 8.25), в которых нагревается контакт двух полупроводников n- и р-типа. Возникающая термо-ЭДС тем больше, чем выше разность температур между «горячим» контактом термоэлемента и его «холодными» концами. Термоэлементы могут быть также составлены из двух различных металлов или из металла и полупроводника. Рис. 8.25. Принцип устройства полупроводникового термоэлемента Однако термоэлемент из двух полупроводников дает наибольшую термо-ЭДС. При нагреве до 600 К можно получить термо-ЭДС до 0,3 В. Первоначально термоэлементы использовались главным образом в измерительных приборах и в различных датчиках температуры, а в дальнейшем из них стали строить термо-электрогенераторы, т. е. источники постоянного тока, в которых большое число термоэлементов соединено последовательно или смешанно (последовательно-параллельно). В создании таких генераторов особенно большую роль сыграли работы советских физиков под руководством академика А. Ф. Иоффе. Во время Великой Отечественной войны партизанские радиостанции питались иногда от термо-электрогенераторов, надетых на стекло керосиновой лампы. Мощность термо-электрогенераторов может быть от единиц до сотен ватт и даже более, а КПД — до десятков процентов. В 1834 г. французский физик Ж. Ш. А. Пельтье открыл эффект, названный его именем и обратный эффекту Зеебека. Эффект Пельтье состоит в том, что при протекании тока через контакт двух разнородных металлов или полупроводников этот контакт нагревается или охлаждается в зависимости от направления тока. На этом эффекте основан принцип действия термоэлектрических холодильников, применяющихся в науке и технике. Такие холодильники представляют собой батарею последовательно соединенных термоэлементов. Они не могут конкурировать с обычными холодильниками большого объема, но зато особенно удобны для устройства.