Термоэлектрические явления и устройства в концепции Ландауэра–Датты–Лундстрома

Abstract

С позиций концепции «снизу–вверх» транспортной модели Ландауэра–Датты–Лундстрома современной наноэлектроники рассматриваются термоэлектрические явления Зеебека и Пельтье и качественно обсуждаются закон Видемана–Франца, числа Лоренца и основные уравнения термоэлектричества с четырьмя транспортными коэффициентами (удельное сопротивление, коэффициенты Зеебека и Пельтье, электронная теплопроводность). С тех же позиций на примере 3D-резистора в диффузионном режиме анализируется работа термоэлектрических охладителя и генератора энергии с учётом лишь электронов, как реальных носителей тока, так и в рамках умозрительной, но удобной «дырочной» модели, вводятся и определяются понятия эффективности работы (КПД, фактора мощности и добротности) термоэлектрических устройств и рассматривается, каким образом транспортные коэффициенты зависят от свойств термиков.

З позицій концепції «знизу–вгору» транспортної моделі Ландауера–Датти–Лундстрома сучасної наноелектроніки розглядаються термоелектричні явища Зеєбека і Пельтьє і якісно обговорюються закон Відеманна–Франца, Лоренцові числа й основні рівняння термоелектрики з чотирма транспортними коефіцієнтами (питомий опір, коефіцієнти Зеєбека і Пельтьє, електронна теплопровідність). З тих же позицій на прикладі 3D-резистора в дифузійному режимі аналізується робота термоелектричних охолоджувача і ґенератора енергії з урахуванням лише електронів, як реальних носіїв струму, так і в межах умоглядної, але зручної «діркової» моделі, вводяться і визначаються поняття ефективности роботи (ККД, фактора потужности і добротности) термоелектричних пристроїв і розглядається, яким чином транспортні коефіцієнти залежать від властивостей терміків.

Based on the ‘bottom-to-top’ approach of the Landauer–Datta–Lundstrom transport model of state-of-the-art nanoelectronics, the thermoelectric Seebeck and Peltier phenomena are considered; the Wiedemann–Franz law and Lorenz numbers as well as the four transport coefficients (specific resistivity, Seebeck and Peltier coefficients, and electronic thermal conductivity) are qualitatively discussed. From the same positions for 3D-resistor within the diffusion regime, thermoelectric cooler and energy power generator are analysed with accounting only electrons as real current carriers as well as within the scope of the artificial but useful ‘hole’ model. Conceptions of operating performances (coefficient of efficiency, power factor, and figure of merit) for thermoelectric devices are introduced and defined, and dependences of transport coefficients on the properties of termics are discussed.