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

Design of Peltier Element Based on Semiconductors with Hopping Electron Transfer via Defects = Схема элемента Пельтье на полупроводниках с прыжковым переносом электронов по дефектам / N. A. Poklonski [et al.] // Приборы и методы измерений. – 2021. – Т. 12, № 1. – С. 13-22.

Abstract

The study of thermoelectric properties of crystalline semiconductors with structural defects is of practical interest in the development of radiation-resistant Peltier elements. In this case, the spectrum of energy levels of hydrogen-like impurities and intrinsic point defects in the band gap (energy gap) of crystal plays an important role. The purpose of this work is to analyze the features of the single-electron band model of semiconductors with hopping electron migration both via atoms of hydrogen-like impurities and via their own point triplecharged intrinsic defects in the c- and v-bands, as well as to search for the possibility of their use in the Peltier element in the temperature range, when the transitions of electrons and holes from impurity atoms and/or intrinsic defects to the c- and v-bands can be neglected. For Peltier elements with electron hopping migration we propose: (i) an h-diode containing |d1)- and |d2)-regions with hydrogen-like donors of two types in the charge states (0) and (+1) and compensating them hydrogen-like acceptors in the charge state (−1); (ii) a homogeneous semiconductor containing intrinsic t-defects in the charge states (−1, 0, +1), as well as ions of donors and acceptors to control the distribution of t-defects over the charge states. The band diagrams of the proposed Peltier elements in equilibrium and upon excitation of a stationary hopping electric current are analyzed. A model of the h-diode containing hydrogen-like donors of two types |d1) and |d2) with hopping migration of electrons between them for 50 % compensation by acceptors is considered. It is shown that in the case of the reverse (forward) electrical bias of the diode, the cooling (heating) of the region of the electric double layer between |d1)- and |d2)-regions is possible. A Peltier element based on a semiconductor with point t-defects is considered. It is assumed that the temperature and the concentration of ions of hydrogen-like acceptors and donors are to assure all t-defects to be in the charge state (0). It is shown that in such an element it is possible to cool down the metal semiconductor contact under a negative electric potential and to heat up the opposite contact under a positive potential.

Abstract in another language

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 c- и 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.