материала оказачся у сплава, состоящего из 88% висмута и 12% сурьмы [31]. Монокристалл из этого сплава помещался в магнитное поле, направленное параллельно его биссекторной оси. При комнатной температуре в нулевом магнитном поле Z этого материала составляло 0,8* 10- При той же комнатной температуре, но

в магнитном поле 136-10 А/м величина Z возрастает до 3-10- К~*. В сплавах висмут - сурьма с усилением магнитного поля величина Z вначале растет (за счет увеличения термо-э. д. с), но затем начинает уменьшаться из-за возрастания магнитосопротивления. Максимальная величина Z при любых температурах всегда примерно в три раза больше, чем в отсутствие магнитного поля. С понижением температуры величина Z растет и в районе около 100 К при поле 10~ Т величина Z достигает почти 9-10~ К'

Все приведенные данные относятся к электронной ветви термоэлемента. До настоящего времени не удалось получить дырочную ветвь с аналогичной зависимостью свойств от магнитного поля и температуры, что не позволяет создать достаточно эффективную низкотемпературную термомагнитную пару.

Однако даже использование в качестве положительной ветви теллурида висмута позволяет при поле 64-Ю^ А/м и температуре горячих спаев 77 К осуществить дополнительное понижение температуры на 13... 15 К.

8.2. ЭФФЕКТ ЭТТИНГСГАУЗЕНА

В поисках подходящих для практического использования низкотемпературных холодильных эффектов авторы [32] в 1958 г. буквально ухватились за малоизвестный до тех пор гальваномагнитный эффект, обнаруженный А. Эттингсгаузеном еще в 1877 г.

При помещении проводника с током в магнитное поле в направлении, перпендикулярном току и полю, возникает градиент тем-

У

Температурный градиент

SnempuijecKULL ток

/Магнитиое ноле

Рис. 58. Схема возникновения эффекта Эттингсгаузена.

Оси: x - тригональная, у - бинарная, г - биссекторная.

пературы (рис. 58) (32-34]. Этот градиент оказывается пропорциональным величинам тока и магнитного поля dTfdy=EixHz, где Е - коэффициент Эттингсгаузена Механизмы возникновения эффекта Эттингсгаузена существенно различаются для примесных и собственных полупроводников (рис. 59).

Как отмечалось выше, носители тока под действием силы Лоренца отклоняются в магнитном поле. В примесном полупроводнике (рис. 59,а) накопление зарядов одного знака вблизи одной из сторон кристалла приводит к возникновению э. д. с. Холла, перпендикулярной магнитному полю и току и направленной навстречу силе Лоренца.

Если бы скорости всех носителей, приобретенные под действием электрического поля (дрейфовые), были одинаковы, то и действующая на них сила Лоренца также была одной и той же В результате сила Лоренца и э. д. с. Холла в равной мере уравновешивали бы друг друга для всех носителей. В действительности, дрейфовая скорость зависит от времени свободного пробега, в свою очередь

Холодная поверхность

Медленные электроны

Быстрые электроны

Горячая лодерхность а

Горячая лодерхность

Холодная лодерхность 6

Рис. 59. Механизм эффекта Эттингсгаузена в примесном полупроводнике /2-типа (а) и в собственном полупроводнике (б).

определяемого тепловой энергией (скоростью) носителя и механизмом рассеяния. Поскольку энергии носителей существенно различаются, то их дрейфовые скорости, а значит, и действующие на них силы Лоренца также будут неодинаковы. Поэтому равновесие между магнитной силой и э. д. с. Холла будет иметь место лишь в среднем и только для наиболее вероятных скоростей, которыми обладает основная масса носителей.

Для носителей с большими и меньшими дрейфовыми скоростями эти две силы уже не уравновешиваются: для быстрых - преобладает сила Лоренца, для медленных - э. д. с. Холла. Так как эти силы направлены встречно, то быстрые носители смещаются в сторону первоначального отклонения, а медленные -в противоположную. При этом понятия быстрые и медленные применимы лишь в смысле дрейфовой скорости носителей. В зависимости от механизма рассеяния, например, быстрые носители могут иметь как большую, так и малую энергию. В любом случае, однако, одна из сторон кристалла охлаждается. Другая - нагревается.

Такое разделение носителей на горячие и холодные является вторичным и довольно слабым эффектом, который, кроме того, становится исчезающе малым в сильных магнитных полях.

Гораздо больший эффект обеспечивает другой механизм, осуществляемый в собственных полупроводниках (рис. 59,6). Здесь под действием силы Лоренца и электроны, и дырки смещаются к одному краю кристалла. В результате у этой стороны концентрация носителей обоих знаков повышается, усиливается их рекомбинация и выделяется тепло. У противоположной стороны концентрация электронов и дырок уменьшается и усиливается их генерация, а следовательно, поглощается тепло. Поскольку при генерации и рекомбинации поглощается и выделяется энергия, превышающая ширину запрещенной зоны, то эффект получается весьма значительным. Кроме того, э. д. с. Холла, препятствующая отклонению, при одинаковых подвижностях электронов и дырок практически не возникает.

8.3. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ

Для получения максимального эффекта Эттингсгаузена необходимо иметь материал, представляющий собой систему с двумя типами носителей и с равными концентрациями дырок и электронов. Иными словами, материал должен быть беспримесным или Чтобы валентная зона и зона проводимости в нем слегка перекрывались. Подвижности носителей обоих типов при этом должны быть одинаковыми. Чем выше подвижность, тем больше будет добротность материала и тем слабее будет необходимое для работы холодильника магнитное поле. Материал так-

же должен обладать низкой теплопроводностью кристаллической решетки.

Наилучшим среди известных в настоящее время материалов для гальваномагнитного холодильника является кристаллическая система висмут-сурьма, как и для эффекта Пельтье в магнитном поле, хотя и в ином соотношении компонент (35]. В чистом висмуте имеет место некоторое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, и при правильной ориентации оба типа носителей имеют одинаковую подвижность. Небольшая присадка сурьмы

(3. ..5%) обеспечивает резкое снижение теплопроводности решетки, хотя одновременно несколько уменьшается перекрытие энергетических зон.

Ввиду значительной анизотропии кристаллов висмут - сурьма, эффект в сильной мере зависит от ориентации кристалла в электрическом и магнитном полях. Наибольшая величина гальваномагнитной эффективности имеет место, когда ток течет параллельно три-

50 70 90 т ш 150 т и

Рис. 60. j3aBHCHM0CTb гальваномагнитной эффективности сплава BigySbs от температуры при напряженности магнитного поля 1 Т.