고체내의 전자운동

그림 1-48과 같이 2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되도록 접속하고, 접속한 두 점 사이에 온도차를 주면 기전력이 발생하여 전류가 흐른다. 이 현상을 제베크 효과(Seebeck effect)라 하고, 발생한 기전력을 열기전력이라 한다. 또, 그림 1-49와 같이 회로 내에 전류를 흘리면, 한쪽 접속점에서는 열을 발생하고, 다른 쪽의 접속점에서는 열을 흡수한다. 이 현상을 펠티에 효과(Peltier effect)라 한다. 이 밖에도, 균질한 도체에 온도 기울기가 있을 때에 그것에 전류를 흘리면 발열이나 흡열의 현상이 일어난다. 이것을 톰슨 효과(Thomson effect)라 한다.

그림 1-48 제베크 효과

그림 1-49 펠티에 효과

그림 1-50의 위쪽에 나타낸 것처럼, 일부분에 n형 반도체를 사용한 금속 환상 회로의 에너지대 구조를 조사해 보면 다음과 같다. 이것은 고온부에서 많은 전자가 여기되어 충만대에서 전도대로 이동되고 저온부 쪽으로 확산된다. 이에 따라 상대적으로 고온부에서 저온부 쪽으로 향하는 전기장이 생기므로 반도체 내부의 에너지 준위가 경사를 이룬다. 따라서, 양측 금속의 페르미 준위 사이를 온도차가 생겨 고온부가 양전위의 열기전력이 생기고, 또 p형 반도체일 때에는 이 작용이 반대로 되어 저온부가 양전위의 열기전력이 생긴다.

그림 1-51의 위쪽에 나타낸 것과 같이, 금속과 n형 반도체를 이은 폐회로에서 전류를 흘리지 않을 경우의 에너지대 구조는 전체를 통해서 수평으로 되어 있다. 그러나 전압을 가해서 전류를 흘리면, 그림의 아래와 같이 페르미 준위는 반도체 내부에서 경사를 이루고 양쪽 금속 사이에는 전위차가 생긴다. 이 때, 전자의 운동은 그림의 화살표 방향과 같이 된다. 또, 왼쪽의 금속에 있는 전자가 에너지 준위가 높은 반도체 전도대로 이동하기 위해서는, 그림에서 준위차 W[eV]를 뛰어넘을 만큼의 에너지를 필요로 한다. 이 때문에 전자는 주위로부터 열에너지를 흡수해서 이동하고 ,접합부는 그러한 흡열 작용으로 온도가 떨어진다. 반대로, 반도체에서 오른쪽의 금속으로 이동하려면 낮은 에너지준위로 떨어지는 것이 되므로 에너지를 방출한다. 이 방출 에너지는 발열 작용으로 나타난다. 한편, p형 반도체를 사용할 때에는 전류에 의한 발열, 흡수 등의 현상은 n형의 경우와 반대로 된다.