К термоэлектрическим явлениям относятся три эффекта:

1) Зеебека;

2) Пельтье;

3) Томсона.

Эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект, был открыт в 1821 г. Он заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух различных полупроводников или полупроводника и металла, места соединения которых находятся при различных температурах, возникает электрический ток, который называется термоэлектрическим.

На концах такой разомкнутой цепи появится разность потенциалов (U_m), которая, носит название электродвижущей силы (ЭДС). Значение этой разности потенциалов, зависящее от разности температур и вида материала характеризуется коэффициентом:

                                                          ,                                                         (3.19)

где α – удельная термоЭДС. Представляет собой термоЭДС, отнесенную к единичной разности температур.

Механизм образования термоЭДС заключается в следующем. Допустим, что мы имеем однородный полупроводник: Пусть один из концов полупроводника нагрет больше, чем второй. Свободные носители заряда у горячего конца будут иметь более высокие энергии и скорости, чем у холодного. Кроме того, в виду значительной зависимости концентрации свободных носителей в полупроводнике от температуры у горячего конца концентрация свободных носителей заряда окажется больше, чем у холодного. В силу этих причин поток свободных носителей заряда от горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горячему.

Если концентрации свободных электронов и дырок в полупроводнике или их подвижности неодинаковы, то концы полупроводника окажутся противоположно заряженными. Состояние равновесия наступит при равенстве потока свободных носителей заряда, обусловленного градиентом температур, потоку, обусловленному действием электрического поля, возникшего в результате разделения зарядов.

ТермоЭДС отнесённая к единичной разности температур, называют дифференциальной термоЭДС. Она находится по формуле Н.Л. Писаренко:

,    (3.20)

где  k – постоянная Больцмана; e – заряд электрона; n – концентрация электронов; р – концентрация дырок: m_n : m_p – подвижность соответственно электронов и дырок; m_e^*, m_p^* – эффективные массы соответственно электронов и дырок, h – постоянная Планка. В выражении (3.20) учитывается вклад, вносимый в термоЭДС электронами и дырками.

В электронном полупроводнике (рис. 3.10, а) основными носителями заряда, как известно, являются электроны, поток их от горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горячему. В результате этого на холодном конце будет накапливаться отрицательный заряд, а на горячем оставаться нескомпенсированный положительный заряд, образованный нескомпенсированными ионами донорной примеси. Возникшее электрическое поле будет вызывать поток электронов от холодного конца полупроводника к горячему.

Стационарное состояние установится при равенстве этих потоков.

У дырочного полупроводника (рис. 3.10, б) на холодном конце возникает положительный заряд. Таким образом, по закону термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.

При низких температурах в чистых веществах при наличии градиента температур проявляется эффект увлечения электронов фононами, которые движутся от нагретого конца к холодному. Электронно-фононное увлечение приводит к образованию дополнительной термоЭДС, которая значительна при низких температурах.

Эффект обратный, явлению Зеебека называют эффектом Пельтье (электротермический эффект Пельтье открыт в 1834 г. Этот эффект состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и проводника происходит выделение тепла или его поглощение (охлаждение) в зависимости от направления тока.

Количество выделившегося или поглощенного тепла (Q_n), в месте контакта пропорционально прошедшему через контакт количеству электричества:

                                                        Q_n = ± П I t,                                                        (3.21)

где П – коэффициент Пельтье; I – ток, протекающий через контакт; t – время прохождения тока.

Коэффициент Пельтье зависит от природы контактирующих материалов, температуры и направления тока. Он показывает количество тепла, выделившегося или поглотившегося на контакте при прохождении через него единицы заряда.

Причина возникновения эффекта состоит в том, что внешнее электрическое поле переносит электроны или дырки из одного материала в другой, причём равновесная энергия электронов или дырок в обоих материалах различна, и электроны, пришедшие из одного материала через спай, имеют избыток или недостаток энергии по сравнению с остальными электронами в данном материале. Этот избыток (или недостаток) энергии отдается решетке (или пополняется за счёт решетки), в результате температура спая растёт или падает.

Томпсон, применив к термоэлектрическим явлениям первое и второе начала термодинамики, в 1856 г. установил связь между коэффициентами термоЭДС и коэффициентом Пельтье:

                                                                                 а = П/Т                                                                                    (3.22)

и предсказал существование третьего явления, названного в дальнейшем эффектом Томпсона, который заключается в следующем. При пропускании тока через проводник или полупроводник, вдоль которого имеется градиент температуры, в дополнении к теплоте Джоуля в объёме материала в зависимости от направления тока выделяется или поглощается некоторое количество тепла.

Эффект Томпсона в полупроводнике объясняется тем, что при наличии в нём градиента температуры возникает термоЭДС. Ecли направление напряженности возникшего электрического поля совпадает с направлением напряженности внешнего поля, то не вся энергия, поддерживающая ток, обеспечивается внешним источником. Часть работы совершается за счёт тепловой энергии самого полупроводника, в результате чего он охлаждается. При смене направления напряженности внешнего поля оно будет совершать дополнительную работу, что приведет к выделению тепла, дополнительного к теплоте Джоуля.

Теплота Томпсона (Q_m), пропорциональна плотности тока (J), времени (t) и перепаду температур вдоль проводника (ΔT):

                                                       Qm = τ ΔТJt,                                                       (3.23)

где τ – коэффициент Томпсона, зависящий от свойств материала.

Между коэффициентом Томпсона (τ) и коэффициентом термоЭДС (α) существует следующая зависимость:

                                                        τ = Tdα / dT                                                       (3.24)

где dα – изменение коэффициента термоЭДС при изменении температуры на dТ; Т – средняя температура полупроводника.

Большая термоЭДС полупроводников позволяет эффективно использовать их в качестве термоэлектрических материалов.

Все три термоэлектрических явления связаны друг с другом. Они считаются обратимыми при слабых токах и стационарном тепловом режиме, изменяют знак, как с изменением разности температур, так и с изменением направления тока.