4.1 Klassische Thermoelektrizität



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4.1 Klassische Thermoelektrizität

Wärmefluß (3.51) und Wärmeflußgleichung (3.55) lassen sich als Funktionen der Gesamtstromdichte und der Differenz der Quasifermipotentiale schreiben [152]:

  

In Gl. (4.1), (4.2) bedeutet die gesamte thermoelektrische Kraft und die gesamte elektrische Leitfähigkeit. enthält im Unterschied zu auch den ambipolaren Anteil der Wärmeleitung eines Zweibandleiters:

   

ist eine Hilfsgröße:

 

Die gesamte thermoelektrische Kraft ist die gewichtete Summe der einzelnen Ladungsträgerbeiträge. ist wegen der negativen Elektronenladung negativ. Das Vorzeichen von ist durch das Vorzeichen des dominierenden Beitrags bestimmt. In hochdotierten Gebieten des Halbleiters dominiert jeweils ein Ladungsträgertyp, sodaß 'de facto' von Einbandleitung gesprochen werden kann. Aufgrund der unterschiedlichen Vorzeichen von und ist die gesamte thermoelektrische Kraft im Fall der Zweibandleitung (im intrinsischen Halbleiter) kleiner als die einzelnen thermoelektrischen Kräfte , bei Einbandleitung. Ladungen der Löcher und Elektronen, die am kalten Ende akkumuliert werden, kompensieren sich wegen des entgegengesetzten Vorzeichens [91].

Es kann gezeigt werden, daß die Wärmeflußgleichung (4.2) im Grenzfall die Gesetze der klassischen Thermoelektrizität für den metallischen Leiter von Thomson erfüllt. Zu diesem Zweck müssen alle Beiträge zur Wärmegeneration aufgrund von Zweibandeffekten von der Betrachtung ausgeschlossen werden. Dieser Forderung kann formal genügt werden, indem Gl. (4.2) im Grenzfall betrachtet wird:

 

wird nach dem zweiten Thomsonschen Gesetz als Peltierkoeffizient bezeichnet:

 

In der klassischen Theorie der Thermoelektrizität werden stationäre Verhältnisse betrachtet. Somit verschwindet in Gl. (4.7) die Zeitableitung sowie die Divergenz der Gesamtstromdichte. Außerdem wird angenommen, daß der Peltierkoeffizient nur eine Funktion der Temperatur ist, was nur im homogenen Halbleiter zutrifft:

 

Aus Gl. (4.7) und (4.9) folgt:

 

Die Wärmequelle in Gl. (4.10) umfaßt Joulewärme und Thomsonwärme . enthält das erste Thomsonsche Gesetz, das eine Definition des Thomsonkoeffizienten darstellt [180]:

 

Das erste Thomsonsche Gesetz (4.11) kann mit Hilfe des zweiten (4.8) umgeformt werden:

 

Setzt man in Analogie zu Gl. (4.9)

 

voraus, kann die Wärmeflußgleichung mit der Thomsonwärme in folgender Gestalt geschrieben werden:

 

Nach den Thomsonschen Gesetzen (4.8), (4.11) sind die thermoelektrische Kraft , die auch als Seebeckkoeffizient bezeichnet wird, der Peltierkoeffizient sowie der Thomsonkoeffizient voneinander abhängig. Somit ist die Kenntnis der thermoelektrischen Kraft allein ausreichend um alle elektrothermischen Effekte zu beschreiben.



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Martin Stiftinger
Sat Jun 10 15:00:12 MET DST 1995