Termoelektrik yarıiletkenlerin P-N elektriksel iletkenlik tipinin belirlenmesine yönelik çok fonksiyonlu prob tasarımı

Öz

Bu çalışmada, termoelektrik (TE) yarıiletkenlerin P-N elektriksel iletkenlik tiplerinin belirlenmesi amacıyla, temelini Seebeck etkisine dayanan Hot-Probe metodunun oluşturduğu çok fonksiyonlu bir prob tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Tip belirleme işlemi, TE yarıiletkenin yüzeyleri arasında sıcaklık farkının (DT) oluşturulmasıyla üretilen Seebeck geriliminin (termoemk) pozitif veya negatif genlikli olma durumuna göre yapılmaktadır. Geliştirilen prob sayesinde, hem sıcaklık farkının oluşturulmasına yönelik gerekli ısıtma hem de termoemk gerilimi ve sıcaklık ölçümü yapılabilmektedir. Deneysel çalışma sonuçlarına göre; geliştirilen prob ile termoemk ölçümlerinin 0-30 mV aralığında ± 0.1 mV doğrulukta, sıcaklık ölçümlerinin ise 0-75 °C aralığında ± 1 °C doğrulukta yapılabildiği anlaşılmıştır. Sonuç olarak, geliştirilen çok fonksiyonlu prob ile TE yarıiletkenlerin elektriksel iletkenlik tipleri P veya N olarak pratik, hızlı ve güvenilir bir şekilde belirlenebilmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Termoelektrik,Yarıiletken,Hot-Probe metodu,Seebeck,Elektriksel iletkenlik tipi

The design of multi-functional probe for determining the P-N electrical conductivity type of thermoelectric semiconductors

Abstract

In this study, a multi-functional probe was designed and implemented to determine P-N electrical conductivity type of thermoelectric (TE) semiconductors according to Hot-Probe method based on the Seebeck effect. The type determination operation is performed according to the positive or negative amplitude of the Seebeck voltage (thermoemf) produced by forming the temperature difference (DT) between the surfaces of the TE semiconductors. Using the developed probe it is possible to provide both necessary heating and measurement of the thermoemf voltage and temperature. As a result of experimental studies; it has been shown that the thermoemf measurements can be made in ± 0.1 mV accuracy in 0-30 mV range and the temperature measurements can be ± 1°C in 0-75°C range. In conclusion, with the developed multifunctional probe, electrical conductivity type of TE semiconductors can be determined as P or N practically, quickly and reliably.

Keywords

• Thermoelectric,Semiconductor,Hot-Probe method,Seebeck,Electrical conductivity type

References

1. Akter N, Afrin S, Hossion A, Kabir K, Akter S, Mahmood ZH. “Evaluation of majority charge carrier and impurity concentration using Hot Probe method for mono crystalline Silicon (100) wafer”. International Journal of Advances in Materials Science and Engineering (IJAMSE), 4(4), 13-21, 2015.
2. Akter N, Hossion MA, Hoq M, Rana SM, Anzan-Uz-Zaman M, Mia MNH, Kabir MA, Mahmood ZH. “Electrical characterization and doping uniformity measurement during crystalline silicon solar cell fabrication using hot probe method”. Engineering International, 2(1), 38-42, 2014.
3. Axelevitch A, Golan G. “Hot-Probe method for evaluation of majority charged carriers concentration in semiconductor thin films”. Facta Universitatis Series: Electronics and Energetics, 26(3), 187-195, 2013.
4. Kumar SR, Kasiviswanathan S. “A hot probe setup for the measurement of Seebeck coefficient of thin wires and thin films using integral method”. The Review of Scientific Instruments, 79(2), 024302-1-4, 2008.
5. Golan G, Axelevitch A, Gorenstein G, Manevych V. “Hot-Probe method for evaluation of impurities concentration in semiconductors”. Microelectronics Journal, 37(9), 910-915, 2006.
6. Zhou Y, Wang Y, Zhang J, Li Q. “Hot Probe Method for Measuring Thermal Conductivity of Copper Nano-particles/Paraffin Composite Phase Change Materials”. Key Engineering Materials, 561, 428-434, 2013.
7. Neamen DA. Semiconductor Physics & Devices: Basic Principles. 4th ed. New York, USA, Mcgraw-Hill, 2012.
8. Matsumura T, Sato Y. “A theoretical study on van der pauw measurement values of inhomogeneous compound semiconductor thin films”. Journal of Modern Physics, 1(5), 340-347, 2010.

9. Kinder R, Mikolasek M, Donoval D, Kovac J, Tlaczala, M. “Measurement system with hall and a four point probes for characterization of semiconductors”. Journal of Electrical Engineering, 64(2), 106-111, 2013.
10. Meydanyeri F, Saatçi B, Ari M. “Thermo-electrical characterization of Lead-Cadmium (Pb-Cd) alloys”. International Journal of Physical Sciences, 7(48), 6210-6221, 2012.
11. Pollock DD. Thermoelectric Phenomena. Editor: Rowe DM. CRC Handbook of Thermoelectrics, 21-31, FL, USA, CRC Press, 1995.
12. Buist RJ. Methodology for testing thermoelectric materials and devices. Editor: Rowe DM. CRC Handbook of Thermoelectrics, 189-209, FL, USA, CRC Press, 1995.
13. Mamur H, Ahiska R. “Application of a DC-DC boost converter with maximum power point tracking for low power thermoelectric generators”. Energy Conversion and Management, 97, 265-272, 2015.
14. Temizer İ, İlkılınç C. “İçten yanmalı dizel motorunun atık egzoz gazı enerjisi kullanılarak elektrik enerjisi üretimi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 23(4), 330-336, 2017.
15. Fidan U. Mikrodenetleyici Kontrollü Taşınabilir Termoelektrik Tıp Kiti Cihazı Tasarımı ve Uygulaması. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2000.
16. Ahıska R, Güler NF, Savaş Y. “Termoelektrik soğutucusunun özelliklerinin araştırılması”. Politeknik Dergisi, 2(3), 89-94, 1999.
17. Ökten E. Mikrodenetleyicili Sıcaklık ve Hız Kontrollü Termoelektrik Yarıiletken Üretim Sistemi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2007.
18. Ahıska R, Güler E, Acar S, Kasap M. “Thermoelectric Characterization of N-type (Bi2Te3)Se3 Semiconductors in a Temperature Range 11-373 K”. Gazi University Journal of Science, 18(3), 481-487, 2005.
19. Möröydor E. Sb2Te3 ve Bi2Te3 İçerikli Bileşenlerin Termoelektrik, Yapısal ve Mikroyapısal Özelliklerinin İncelenmesi. Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2005.
20. Tellurex Corporation. “Frequently Asked Questions about Our Power Generation Technology”. https://tr.scribd.com/document/151844647/seebeck-faq (12.04.2019).
21. Texas Instruments. “LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors, 2016”. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf (11.01.2018).
22. Microchip Corporation. “8-bit AVR Microcontrollers”. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega328-328P_Summary.pdf (30.05.2018).
23. Texas Instruments. “Instrumentation Amplifier with Precision Voltage Reference”. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina125.pdf (30.05.2018).
24. Fluke Corparation. “Fluke 287/287 True-rms Digital Multimeters User Manual, 2007”. http://media.fluke.com/documents/287_289_umeng0200.pdf (19.01.2018).