Design of Peltier Element Based on Semiconductors with Hopping Electron Transfer via Defects

Abstract

Исследование термоэлектрических свойств кристаллических полупроводников с дефектами структуры представляет практический интерес при создании радиационно-стойких элементов Пельтье. При этом важную роль играет спектр уровней энергии водородоподобных примесей и собственных точечных дефектов в энергетической щели (запрещённой зоне) кристалла. Цель работы анализ особенностей одноэлектронной зонной модели полупроводников с прыжковой миграцией электронов как по атомам водородоподобных примесей, так и по собственным точечным трёхзарядным дефектам, а также поиск возможности их использования в элементе Пельтье в области температур, когда переходами электронов и дырок с атомов примесей и/или собственных дефектов в cи v-зоны можно пренебречь. В качестве элементов Пельтье с прыжковой миграцией электронов предложены: 1) h-диод, содержащий |d1)и |d2)-области с водородоподобными донорами двух сортов в зарядовых состояниях (0) и (+1) и компенсирующие их водородоподобные акцепторы в зарядовом состоянии (−1); 2) однородный полупроводник, содержащий собственные t-дефекты в зарядовых состояниях (−1, 0, +1), а также ионы доноров и акцепторов для управления распределением t-дефектов по зарядовых состояниям. Проанализированы зонные диаграммы предлагаемых элементов Пельтье в равновесии и при возбуждении стационарного прыжкового электрического тока. Рассмотрена модель h-диода, содержащего водородоподобные доноры двух сортов |d1) и |d2) с прыжковой миграцией между ними электронов при компенсации их на 50 % акцепторами. Показано, что при обратном (прямом) электрическом смещении диода возможно охлаждение (нагревание) области двойного электрического слоя между |d1)и |d2)-областями. Рассмотрен элемент Пельтье на основе полупроводника с точечными t-дефектами. Принималось, что температура, а также концентрации ионов водородоподобных акцепторов и доноров таковы, что практически все t-дефекты находятся в зарядовом состоянии (0). Показано, что в таком элементе возможно охлаждение контакта металл-полупроводник, находящегося под отрицательным электрическим потенциалом, и нагревание противоположного контакта, под положительным потенциалом.