P-TYPE BI2 TE3 INVESTIGATION OF THERMOELECTRIC PARAMETERS OF SEMICONDUCTORS IN THE TEMPERATURE RANGE 291-373K

Abstract

Nowadays, in order to convert heat energy directly into electrical energy and electrical energy directly into heat, it is necessary to investigate the thermoelectric properties of the related semiconductors. The calculation of the thermoelectric properties of semiconductors, which is one of the basic researches of semiconductor physics, is also important for the development of related branches of science. It is known that the usage areas of thermoelectric semiconductors are quite high and it is thought that they can be used in more widespread areas in a short time. Systems made of thermoelectric semiconductors are used in a wide range of fields from space technology to white goods technology. The research of these systems continues in a comprehensive and deep way day by day. The basic information obtained here is transferred to industry faster than other technologies used today and saves money. For this reason, intensive research has been carried out on the thermoelectric properties of semiconductors and thermoelectric technology. In this paper, the thermoelectric parameters of P-type Bi2Te3 semiconductors in the temperature range of 291-373K are investigated. The values of electrical and thermal conductivity, thermo-EMC, Z parameter of two kinds of P-type semiconductors obtained by two different methods are investigated at high temperatures and compared with the theoretical findings. In addition, using the variation of the electrical conductivity with respect to temperature, the forbidden gap in the energy bands of the semiconductors is calculated separately and compared with the theory. Within the error limits, the experimental results obtained are found to be the same with the theoretical information in the literature.

Keywords

• ptype Bi2Te3 Semiconductor
• thermoelectrıc semiconductors
• thermoelectıc parameter

P-tipi Bi2Te3 yarıiletkenlerin 291-373K sıcaklık aralığındaki termoelektrik karakterizasyonu

Öz

Günümüzde ısı enerjisini direkt elektrik enerjisine ve elektrik enerjisini direkt ısıya çevirmek için ilgili yarıiletkenlerin termoelektrik özelliklerinin araştırılması gerekmektedir. Yarıiletken fiziğinin temel araştırmalarından biri olan yarıiletkenlerin termoelektrik özelliklerinin hesaplanması ve buna bağlı bilim dallarının gelişmesi açısından da önem taşımaktadır. Termoelektrik yarıiletkenlerin kullanım alanlarının oldukça fazla olduğu bilinmekte ve kısa sürede daha yaygın alanlarda kullanılabileceği düşünülmektedir. Termoelektrik yarıiletkenlerden yapılan sistemlerin beyaz eşya teknolojisinden uzay teknolojisine kadar geniş bir alanda kullanılmaktadır. Bu sistemlerin araştırılması her geçen gün kapsamlı ve derin bir şekilde devam etmektedir. Burada elde edilen temel bilgilerin günümüzde kullanılan diğer teknolojilere göre daha hızlı bir sürede sanayiye aktarılmakta ve para kazandırmaktadır. Bu nedenle yoğun araştırmalar yarıiletkenlerin termoelektrik özellikleri ve termoelektrik teknolojisi üzerinde yapılmaktadır. Bu makalede P-tip Bi2Te3 yarıiletkenlerin 291-373K sıcaklık aralığındaki termoelektrik parametreleri hesaplanarak incelenmiştir. Bilinen elde edilme yöntemlerinin iki farklı metodu kullanılarak ortaya çıkan iki çeşit P tipi yarıiletkenin elektrik ve ısı iletkenliği, termoemk, Z parametresinin yüksek sıcaklıklardaki değerleri araştırılmış ve teorik bulgularla karşılaştırılmıştır. Ayrıca, yarıiletkenlerin enerji bantlarındaki yasak aralığı elektrik iletkenliğinin sıcaklığa göre değişimini kullanarak ayrı ayrı hesaplanmış ve sonuçlar teori ile kıyaslanmıştır. Hata sınırları içerisinde, elde edilen deneysel sonuçların literatürdeki teorik bilgilerle aynı olduğu bulgusuna ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• p tipi Bi2Te3 yarıiletken
• termolektrik yarıiletkenler

Kaynakça

1. [1] Ahıska R and et. ‘Thermoelectrıc Characterızatıon Of N-Type (Bi2Te3)Se3 Semıconductors In A Temperature Range 11-373 K’, G.U. Journal of Science 18(3):481-487 (2005)
2. [2] Ahıska R and et.‘ Synthesis and Analyses of Thermoelectric Lead Telluride’ Journal of Materials Science and Engineering B 3 (1) (2013) 32-39
3. [3] Ahıska R and et.‘Phase Content and Thermoelectric Properties of Optimized Thermoelectric Structures Based on the Ag-Pb-Sb-Te System’ Journal Of Electronıc Materıals, Vol. 45, No. 3, 2016,1576-1586
4. [4] Ahıska R and et.‘ Investigation of the Possibilities for Increasing the Thermoelectric Figure of Merit of Nanostructured Materials Based on Bi2Te3–Sb2Te3 Solid Solutions’ Physics of the Solid State, 2012, Vol. 54, No. 11, pp. 2165–2172
5. [5] Bowley A. E, Inst A., Cowles L E J., Williams G J., Goldsmid H J, Inst F, Measurement of the figure of merit of a thermoelectric material Journal of Scientific Instruments, 38: 433-435 (2002)
6. [6] Waclawek W. and Zabkowska M., “Apparatus for the measurement of thermoelectrical properties”, Journal of Physics E: Scientific Instruments, 14: 618-620 (1981)
7. [7] Buist R. J., “in Handbook of Thermoelectrics CRC”, edited by D.M. Rowe, Pres. Inc New York, (2005 )
8. [8] Lahalle - Gravıer C., “Thermoelectric Characterization of Bi2T2,55Se0,45 Solid Solutions”, J. Phys. Chem. Solids, 59(1): 13-20, (1997)

9. [9] Lendir B., “Effect of Antimany Content of the Thermoelectric Figure of Merit of Bi1-xSbx Allays”, J. Phys. Chem. Solids, 59(1): 129-134 (1997)
10. [10] Buist R. J., “in 11th International Conference on Thermoelectric” October 7-8, Arlington TX USA, 57-61 (1992)
11. [11] Ahıska R and et. ‘Microcontroller-based test system for determining the P-N type and Seebeck coefficient of the thermoelectric semiconductors’ Measurement 139 (2019) 361–369
12. [12] Min G., Rowe D.M., “in Proc. 5th European Workshop on Thermoelectrics”, Pardubice, Czechia, September 20-21,81-87 (1999)
13. [13] Toshitaka O., Takenobu K, “in Handbook of Thermoelectrics CRC”, edited by D.M. Rowe, Pres. Inc New York,(1995
14. [14] Caıllat T., “Preparation and Thermoelectric Properties of Some Arsenopirite Phases Based on RuSd2-x Te2x and RuSb2-2x Se2x Solid Solutions”, J. Phys. Chem. Solids, 59(1): 61-67 (1997)
15. [15] Harman T. C., “Special Techniques for Measurement of Thermoelectric Properties”, J.Appl. Phys.13: 440 (1962)
16. [16] Ioffe A.F. “Poluprovodnikovıe Termoelementı”, edited by P.V.Gultaiev, Pres. Akademia Nauk SSSR , Moscow, (1960)
17. [17] Ömer G. “Earth Air Thermoelectric Generators”,G.U. Journal of Science Part C: 804-812 (2023)