Станислав Ордин Российская Академия Наук

Абстракт. Термоэлектроника, включает в себя инвариантные ЭЛЕМЕНТЫ Термоэлектричества, Термоэмиссии и Теории p-n перехода. А обнаруженные и использованные для построения этой Единой Теории НАНО-масштаба Локальные НАНО-ТЕРМО-ЭДС, на порядки превосходящие ЭДС Зеебека, не только являются инструментом диагностики любых микроэлементов, но и могут быть использованы для повышения Эффективности Преобразования Энергии всех традиционных электронных устройств. Но главное, они подвигли к ПОНИМАНИЮ, что между микро и марко-миром Физика пропустила масштаб, где не работают их линейные аппроксимации, а работают Термоэлектронные Законы НАНО-масштаба. Тогда как макроскопический отклик от НАНО-эффектов, в отличии от его принятия как должное от квантовых эффектов, со ссылкой на Термодинамику, из-за не учёта Производство Локальной Энтропии Пригожина, считали вообще ЗАПРЕЩЁННЫМ. Так что, Термоэлектричество, изначально вошедшее в ОСНОВЫ Неравновесной Термодинамики, вернулось вновь в Фундаментальную Науку пропущенного Физикой НАНО-масштаба и фактически расширило Электронику до Термоэлектроники. Учёт Термоэлектронных эффектов позволил выявить неучтённые ранее аспекты повышения Эффективности Преобразования Энергии пропущенного в теориях Масштаба. Помимо этого, Уточнение и Расширение Теории Термоэлектричества стало бэкграундом (основой) всей Доказательной Фундаментальной Физики

Ключевые слова: Термоэлектричество, Потенциальные Барьеры, Термоэмиссия, НАНО-эффекты, Термоэлектроника.

Введение

Хорошо известные термоэлектрический эффект Зеебека и обратный ему эффект Пельтье [1, 2, 3, 4] позволили установить принцип симметрии кинетических коэффициентов Казимира-Онзагера и, тем самым легло в основы неравновесной Термодинамики диффузных потоков [5, 6]. Но баллистические Локальные эффекты фактически выпали из рассмотрения под ошибочным предлогом, что якобы термодинамика запрещает макроскопическое проявление Локальных Эффектов. Тогда как о том, разрешено ли использовать макроскопические проявления Квантовых Эффектов, вопрос и не поднимался. А как было показано в цикле моих работ, ранее рассматривалось именно диффузное Термоэлектричество [7], которое не учитывает и концентрационную термодинамическую силу, как теория p-n перехода [8, 9, 10], и не в полной мере учитывает и температурную силу, как в теории Термоэмиссии [11, 12]. Поэтому-то Термоэлектричество и имеет низкий предел КПД преобразования тепловой энергии в электрическую, который никакими техническими ухищрениями не превысить.Но технология современного термоэлектричества до сих пор базируется на чисто диффузной модели Иоффе.

Тогда как обнаруженные Локальные ТЕРМО-ЭДС позволяют предел Эффективности поднять в разы за счёт баллистических эффектов. Уточнение и Расширение Теории Термоэлектричества позволило не только поднять в разы КПД традиционных макроскопических термоэлектрических устройств, но и повысит чувствительность тепловых детекторов на порядок.

Ранее была детально проанализирована и исследована верхняя граница превалирования Локальных ТЕРМО-ЭДС над обычными диффузными коэффициентами Зеебека, которые наблюдаются на макро масштабах. И было показано, что уже на масштабах порядка несколько микрон, Локальные ТЕРМО-ЭДС, за счёт их гигантской как у фотоэффекта величины порядка вольта превалируют над диффузными ТЕРМО-ЭДС обычно меньше милливольта. Из этого следует, что пренебрегать температурной силой при расчётах p-n переходов в Электронике микронного масштаба нельзя – их реальные энергетические характеристики могут отличаться от расчётных в разы, а токовые – на порядки.

Но современная Электроника, в отличии от Термоэлектричества, уже давно, чисто эмпирически освоила НАНО-масштаб ЭЛЕМЕНТА. Но именно Локальные ТЕРМО-ЭДС позволяют проводить диагностику предельно тонких энергетических барьеров, которые могут быть использованы для управления токами в НАНО-элементах.

Эффект Шоттки приводит к довольно протяжённому загибу энергетических зон вблизи границы полупроводников с разным типом проводимости, что, собственно, и приводит к спаду (отрицательному сопротивлению) на Вольт-Амперной Характеристике (ВАХ) в туннельных диодах. Так что для надёжной работы на собственно начальном участке ВАХ нужно использовать полупроводники с большой запрещённой зоной и с малой диэлектрической проницаемостью.

Предельный же анализ нижней границы «нормального» начального участка ВАХ и Локальных ТЕРМО-ЭДС можно провести на базе вакуумного контакта металлов с разной работой выхода. В этой области есть, в принципе, большой задел из области упомянутой выше Термоэмиссии. Но при этом надо учитывать, что ранее термоэмиссионные модели были построены на базе экспериментов с большими токами и тоже используют диффузные модели для их анализа.

При протекании тока над барьерами на границе металла с полупроводником возникает ещё и противо-ЭДС, что фактически эквивалентно уменьшению приложенного напряжения. С этим видимо и связано, что измеренное изменение работы выхода из металла в полупроводник обычно на порядок меньше изменения работы выхода из металла в вакуум.

НАНО-масштаб электронных устройств и подвиг к необходимости учёта Локальных ТЕРМО-ЭДС на потенциальных барьерах в твёрдых телах. С другой стороны, именно Локальные ТЕРМО-ЭДС позволили провести их прецизионные измерения. А учёт этих Локальных Эффектов в p-n переходах, с одной стороны, показал, что на масштабах порядка длины свободного пробега электронов их Эффективность в разы превышает теоретический максимум достижимый на традиционных диффузных термоэлектрических эффектах Зеебека и Пельтье, используемых в термоэлектрических генераторах и термоэлектрических холодильниках. Этому теоретическому выводу предшествовал большой цикл экспериментальных и теоретических исследований повышения эффективности однородных, сверхструктурных и текстурированных термоэлектриков [13-31], которые показали, что наблюдаемое уже несколько десятилетий насыщение КПД термоэлектрических устройств связано с тем, что для диффузных эффектов Зеебека и Пельтье фактически достигнут теоретический предел.

На этом основании и были выбраны ориентиры как для прецизионных экспериментов на контактах и на искусственных структурах, так и для Уточнения и Расширения Теории Термоэлектричества [32-51], за счёт построения единой феноменологии ТЕРМО-Электроники. А методически эти исследования стали базой (бэкграундом) разработки Доказательной Физики [52, 53], которая вылилась в пересмотр базовых представлений Физики, касающихся Квантования и Принципа Относительности.

А как было показано в моих отмеченных работах, и технология зафиксировалась на уровне прошлого века. И даже современные НАНО-расчёты p-n переходов построены на базе моделей, разработанных для на базе экспериментов с крупными элементами и для среднестатистических температур по всему элементу, т.е. не учитывают основную термодинамическую силу ТЕРМО-Электроники – Температурную.

Читать полностью на английском языке