Wieso Halbleiter bei Thermoelementen?

wasgeht

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Hallo,

kann mir jemand kurz erklären, wieso Halbleiter in Thermoelementen einen höheren Wirkungsgrad erzielen, als normale Metalle?

Vielen Dank!!!
 

MGZ

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Kommt drauf an, wieviel du von Physik verstehst.

Wenn man ein Thermoelement baut, möchte man aus einem gegebenen Temperaturgradienten eine möglichst hohe Spannung gewinnen.
Wenn man zwei Metalle benutzt, dann gehorchen die Elektronen im Metall der Fermiverteilung. Die Elektronen am oberen Ende der Fermi-Kante erhalten ein paar meV zusätzliche Energie durch die thermische Anregung. Dadurch werden sie auch beweglicher. Aber ihre Beweglichkeit ändert sich bei Erwärmung nur sehr wenig im Vergleich zum kalten Metall, weil die Fermi-Energie bereits einige eV beträgt.
Nebenbei haben Metalle auch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, sodass ein Temperaturgradient schnell abgebaut wird.

Im Halbleiter dagegen sorgt eine erhöhte Temperatur dafür, dass Elektronen aus dem Valenzband herausgelöst werden. Im kalten Halbleiter sind fast keine Elektronen frei. Im heißen Halbleiter sind einige Elektronen frei, die auch beweglich genug sind, um auch in den kalten Halbleiter zu diffundieren. Folglich ist die Thermo-Spannung deutlich höher.
 

wasgeht

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Hallo,

danke für die Antwort. Aber ist es im Peltier-Element nicht so, dass beide Halbleiter erhitzt werden, aber jeweils nur auf einer Seite? Hier habe ich eine nette Animation gefunden: http://kleinke.uwaterloo.ca/seeb.gif
Wieso bewegen sich da die positiv geladenen Atome? Dass sich im n-dotierten Halbleiter die Elektronen bewegen macht aufgrund des Elektronüberschusses Sinn, aber wieso können sich die "+ Atome" auch bewegen?

Vielen Dank schon im Voraus
 

MGZ

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Da bewegen sich nicht die Atome. Das ist ein p-dotierter Halbleiter. Da bewegen sich Elektronenlöcher, sogenannte Defektelektronen.
 

wasgeht

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Hallo,

ich versteh schon das Grundprinzip von Halbleitern, aber wieso bewegen sich bei Temperaturerhöhung die Halbleiterlöcher weg von der erhitzten Stelle?
Muss man sich die Defektelektronen auch als Teilchen vorstellen?

Vielen Dank
 

Infinity

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Hallo, wasgeht,
ich versteh schon das Grundprinzip von Halbleitern, aber wieso bewegen sich bei Temperaturerhöhung die Halbleiterlöcher weg von der erhitzten Stelle?
es kommt darauf an, an welcher Stelle Du das Halbleitermaterial erhitzt. Zudem muss auch Spannung vorhanden sein, weil erst so das Loch in Richtung Minuspol wandern kann. Bei erhöhter Temperatur kann sich das Elektron von seiner Position befreien, sodass erst einmal nur das Loch entsteht. Die Wanderung beginnt erst bei vorhandener Spannungseinwirkung. Wenn Du das Halbleitermaterial also unmittelbar am Minuspol erhitzt, ist die Bewegungsabweichung des Lochs minimal.
Ein Loch bewegt sich nicht von selbst in dem Sinne; diese Bewegung entsteht durch das Nachrücken von Elektronen, die gen Pluspol streben.

Muss man sich die Defektelektronen auch als Teilchen vorstellen?
In erster Linie ist ein Defektelektron einfach nur das Fehlen eines Valenzelektrons. Ein anderes Elektron füllt dieses Loch aus, weil das Loch eine (positive) Ladung besitzt und entsprechend ein Ladungsträger vorhanden sein muss, daher ist es notwendig, sich einen Träger vorzustellen, was aber nicht den realen Tatsachen entsprechen muss, sondern nur dazu dient, sich ein Bild der Geschehnisse im Halbleitermaterial machen zu können.
 
Zuletzt bearbeitet:

MGZ

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Hallo,

ich versteh schon das Grundprinzip von Halbleitern, aber wieso bewegen sich bei Temperaturerhöhung die Halbleiterlöcher weg von der erhitzten Stelle?
Muss man sich die Defektelektronen auch als Teilchen vorstellen?

Vielen Dank

Erstmal vorweg - Die Ausführungen von Infinity kannst du dir sparen. Das ist nämlich falsch.

Ein Defektelektron ist im Festkörper rein phänomenologisch ein Teilchen. Man kann es als ein Elektron mit positiver Ladung betrachten. (Oder noch besser: Mit negativer Masse. Aber das führt tief in die Theorie der Festkörperphysik)
Die Bewegung der Löcher (bzw. die Elektronen im n-dotierten Halbleiter) ist ein reiner Diffusionsprozess. Im kalten Halbleiter sind die Löcher langsam und bewegen sich wenig. Im heißen Halbleiter sind sie schnell. Deshalb haben sie eine hohe Wahrscheinlichkeit, in den kalten Halbleiter zu gelangen. Auch, wenn sie dabei eine Spannung überwinden müssen.
 

Infinity

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Oh. Danke für die Korrektur, MGZ. Vor allem aber deswegen, dass aus einer Sache selbst zweierlei gelernt werden kann: Wie es sich damit tatsächlich verhält und von welcher Quelle ich ab nun die Finger lasse.
 

_Mars_

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Ich hätte auch eine Frage: Wie baut man sich selbst ein Thermoelement :)

Auf einer Seite habe ich mal billige Solarzellen gefunden: Man nehme Kupfer, lasse es über Feuer Oxidieren (Kupferoxid ist ein Halbleiter), schabe die oberste Schicht ab und gebe Alufolie drauf.

Allerdings ist der Strom gerade messbar, aber man kann damit wohl nichts betreiben :(
 
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