Влияние глубины зоны тяжелых дырок на термоэлектрические характеристики сильно легированного p-PbTe / Дмитриев А.В.

Твердотельные термоэлектрические преобразователи имеют целый ряд преимуществ передтрадиционными, в числе которых простота конструкции, отсутствие движущихся частей,бесшумность работы, высокая надёжность, возможность уменьшения размеров устройства без потериэффективности. Они могут быть использованы также и для обратного преобразования и применяютсяв экологически чистых устройствах охлаждения. Хотя их эффективность в настоящее время иуступает традиционным устройствам генерации электрической энергии, тем не менее область ихприменения весьма щирока [1].Для высокотемпературных термоэлектрических применений одним из лучших материаловявляется теллурид свинца и сплавы на его основе. Их термоэлектрическая эффективность ZTобыкновенно достигает 0.7 при T = 700—800 K [1]. В последнее время появились указания назаметное возрастание ZT теллурида свинца p-типа при повышении концентрации акцепторнойпримеси, причём выяснилось, что большую роль в этом возрастании играют возникающие тяжёлыедырки в глубокой Σ-зоне [2]. Поскольку глубина этой зоны определена не вполне точно, имеетсмысл провести расчёты при разных её значениях.В настоящей работе теоретически исследованы термоэлектрические свойства p-PbTe привысоком уровне акцепторного легирования 5 · 1019—4 · 1020 см−3 в диапазоне температуры от 300 до900 К и глубине зоны тяжелых дырок от 0.36 до 0.7 эВ. В расчетах использована трёхзоннаянепараболическая модель электронного энергетического спектра PbTe [3,4], включающая зонылегких электронов и дырок в L-точках зоны Бриллюэна и зону тяжелых дырок с экстремумами в Σточках.Рассчитан полный комплект термоэлектрических величин p-PbTe в указанных диапазонахизменения параметров. Величина термоэлектрической эффективности Z оказалась весьмачувствительна к уровню легирования, увеличиваясь в 1.5 раза при возрастании концентрациипримеси с 1 · 1019 до 5 · 10 19 см−3 , причем наибольшее значение Z отвечает Na = 1 · 1020 − 2 · 1020см−3.Изменение глубины зоны тяжелых дырок приводит к заметному смещению положениямаксимума Z по оси температуры без существенного изменения величины Z в максимуме.Температура, при которой наблюдается максимум Z, близко коррелирует с той, при которой вершиназоны легких дырок в своём температурном движении пересекает уровень Ферми. Максимальнаянайденная величина ZT равняется 1.64. При глубине зоны тяжелых дырок 0.5 эВ наши расчетыхорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными [5].