Peltier Element heute

Leistungsband Valenzband nebeneinander Bei den Versuchsaufbauten von Seebeck und Peltier wurden ausschließlich Metalle für den Thermoeffekt eingesetzt. Zwar sind Metalle sehr gute elektrische Leiter, sie haben jedoch den Nachteil, dass durch die gute Wärmeleitung und der damit verbundene schnelle Wärmeaustausch nur kleine Thermospannungen von ca. µV pro °C Temperaturunterschied auftreten. Es ist folglich nur begrenzt möglich, eine Differenztemperatur zwischen zwei Metallen zu erzeugen.
Um die Leitfähigkeit von Stoffen zu beschreiben, muss man sich die Atome im Festkörper genauer anschauen. Jedes Atom besitzt Elektronen, die sich im elektrischen Feld des Atomkerns aufhalten. Der Aufenthalt der Elektronen um den Atomkern ist jedoch nicht beliebig und hängt von der Energie, die das Elektron besitzt, ab. Man spricht auch von gequantelten Werten der Energie. "Gequantelt" heißt, es handelt sich um eine physikalische Größe, die nur in bestimmten, nicht weiter unterteilbaren Mengen auftritt (sehr anschaulich sind hierfür Bilder von Energieniveaus bei Atomen). Rücken zwei Atome sehr dicht aneinander, so überschneiden sich die Bereiche, in denen sich die Elektronen aufhalten. Die Atome verlieren dabei die Kontrolle über das Energieniveau. Dieses wird nun von dem gesamten Körper bestimmt.
Leistungsband verbotenes Band und Valenzband Gibt man Strom auf ein Metall, so geben die Elektronen die aufgenommene Energie durch Stöße mit den Gitterionen weiter ab. Die Atome befinden sich im Leitungsband und können sich frei bewegen. Es ist also für die Elektronen sehr leicht aus einem besetztem Zustand in einen freien Zustand zu gelangen (vgl. Abb. 2.3.1., Anhang 2.3.1.). Dies liegt daran, dass die Energieniveaus bei Metallen sehr dicht aneinander liegen. Man bezeichnet dieses Band auch als Leitungsband.
Bei Nichtleitern sieht der Aufbau etwas anders aus. Hier gibt es drei Zustände. Zunächst ist der Aufbau dem der Metalle gleich. Es gibt ein Band mit freien Zuständen (Leistungsband) und Band mit besetzten Zuständen (keine freien Elektronen; Valenzband). Zwischen beiden Bändern befindet sich aber noch ein drittes Band, das verbotene Band. Die Elektronen befinden sich im Valenzband und können keine weitere elektrische Energie aufnehmen, da das verbotene Band den Zugang zum Leistungsband behindert.
Übergang Elektronen vom Leistungsband ins Valenzband Bei Halbleitern ist der Aufbau gleich dem der Nichtleiter. Allerdings gibt es hier einen entscheidenden Unterschied. Setzt man einen Halbleiter unter Strom, so entsteht eine Eigenleitung durch thermisch angeregte Elektronen die aus dem vollbesetzten Valenzband in das noch unbesetzte Leistungsband gelangen. Bei diesem Vorgang fehlen dem Valenzband dann die Elektronen. Man spricht auch von "Löchern". Diese Löcher kann man durch Dotierung füllen. Dazu verwendet man zusätzliche Elektronen aus zugefügten Atomen einer benachbarten Hauptgruppe, die diese Löcher dann füllen.
Bei dem Peltier- Element kann man die Spannung so noch künstlich erhöhen, indem man auf der einen Seite einen n-dotierten Halbleiter einsetzt, der dadurch negativ geladen ist. Dadurch ist es möglich, mehr Ladungsträger/ Elektronen ins Leistungsband anzuheben. Somit stehen mehr Ladungsträger zur Verfügung. Durch das Erstellen von Löchern auf der gegenüberliegenden Seite entsteht ein Potentialunterschied. Es resultiert ein p-dotierter Leiter, der viele Löcher aufweist und somit positiv geladen ist. Dadurch, dass mehr Elektronen im Leitungsband sind, erreicht man eine höhere Eigenleitung. Diese hohe Eigenleitung führt zu geringeren Widerstandswerten sowie zu möglichen höheren Spannungs- und Stromstärkewerten.
Eine Skizze von dem Aufbau eines heutigen Peltier Elements ist als Anlage Abb. 2.3.4.
Aufbau eines Peltier Elements

Dotieren kann man durch Diffusion eines anderen Elementes, wie z.B. Arsen oder Gallium, erreichen, welches die gewünschte Fremdatommenge enthält. Näheres dazu in: Metzler Physik, 4. Auflage, Druck A1 / Jahr 2007, S. 453, Halbleiter und Dotierung.