Особливості розробки спеціалізованої інформаційно-вимірювальної системи для дослідження термоелектричних властивостей напівпровідників
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.227135Ключові слова:
комп’ютерні засоби, інформаційно-вимірювальні системи, обробка сигналів, мікроконтролерні системи, схемотехніка, швидкодія, термоелектричні властивості, дефектуванняАнотація
Проаналізовано та вибрано оптимальні для реалізації програмно-апаратних засобів методи дослідження термоелектричних параметрів напівпровідників. За основу взято метод Хармана та його модифікації, адаптовані для імпульсних вимірювань, які зручно реалізувати на сучасній елементній базі. Важливою перевагою даних методів є відсутність необхідності проведення точних вимірювань теплових потоків, що значно спрощує та зменшує час проведення експериментальних досліджень.
Визначені необхідні робочі діапазони за напругою 10 мкВ–1 В, за струмом 10 мкА–300 мА та швидкодія елементної бази на рівні опрацювання 40–200 мільйонів вибірок в секунду. Розроблена структурна та електрична схеми і програмне забезпечення спеціалізованої комп’ютерної системи для дослідження термоелектричних параметрів як масивних, так і тонкоплівкових термоелектричних матеріалів, а також експрес аналізу експлуатаційних характеристик готових модулів. Показано, що запропонована схема добре справляється з поставленою задачею. А застосування FPGA і 32 розрядні мікроконтролери забезпечують достатню швидкодію для опрацювання до 200 MSPS і необхідні режими синхронізації для реалізації імпульсного методу Хармана навіть при дослідженні плівок нанометрової товщини.
Проведено експериментальні дослідження як масивних термоелектричних модулів на основі Bi2Te3 так і тонкоплівкового термоелектричного матеріалу на основі PbTe. Показано ефективність розроблених засобів і методик, які дали можливість більш ніж у двічі зменшити час на підготовку зразків та проведення експерименту. На основі представлених моделей визначено всі основні термоелектричні та експлуатаційні параметри, зокрема питому електропровідність, коефіцієнт Зеєбека, теплопровідність, термоелектричну добротність.
В результаті розроблення спеціалізованих комп’ютерних засобів вдалося зменшити трудомісткість процесу вимірювання основних електричних та експлуатаційних параметрів напівпровідникових термоелектричних матеріалів та модулів перетворення енергії на їх основі, а також автоматизувати процес дефектування термоелектричних модулів. Трудомісткість процесу дослідження зменшилася не тільки завдяки автоматизації процесу вимірювання, а і завдяки оптимізованій методиці, яка дає можливість проводити дослідження на зразку однієї конфігурації, так як найбільш трудомісткими є виготовлення і підготовка зразків
Посилання
- Beltrán-Pitarch, B., Prado-Gonjal, J., Powell, A. V., García-Cañadas, J. (2019). Experimental conditions required for accurate measurements of electrical resistivity, thermal conductivity, and dimensionless figure of merit (ZT) using Harman and impedance spectroscopy methods. Journal of Applied Physics, 125 (2), 025111. doi: https://doi.org/10.1063/1.5077071
- Vineis, C. J., Shakouri, A., Majumdar, A., Kanatzidis, M. G. (2010). Nanostructured Thermoelectrics: Big Efficiency Gains from Small Features. Advanced Materials, 22 (36), 3970–3980. doi: https://doi.org/10.1002/adma.201000839
- Ruvinskii, M. A., Kostyuk, O. B., Dzundza, B. S. (2016). The Influence of the Size Effects on the Termoelectrical Properties of PbTe Thin Films. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8 (2), 02051-1–02051-6. doi: http://doi.org/10.21272/jnep.8(2).02051
- Freik, D. M., Dzundza, B. S., Lopyanko, M. A., Yavorsky, Ya. S., Tkachuk, A. I., Letsyn, R. B. (2012). Structure and Electrical Properties of Thin Films of Pure and Bismuth-Doped Lead Telluride. Journal of Nano- and Electronic Physics, 4 (2), 02012-1–02012-5. Available at: https://jnep.sumdu.edu.ua/uk/component/content/full_article/392
- Dunets, R., Dzundza, B., Deichakivskyi, M., Mandzyuk, V., Terletsky, A., Poplavskyi, O. (2020). Methods of computer tools development for measuring and analysis of electrical properties of semiconductor films. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (9 (103)), 32–38. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.195253
- Martin, J., Tritt, T., Uher, C. (2010). High temperature Seebeck coefficient metrology. Journal of Applied Physics, 108 (12), 121101. doi: https://doi.org/10.1063/1.3503505
- De Boor, J., Müller, E. (2013). Data analysis for Seebeck coefficient measurements. Review of Scientific Instruments, 84 (6), 065102. doi: https://doi.org/10.1063/1.4807697
- Druzhinin, A., Ostrovskii, I., Khoverko, Y., Rogacki, K., Kogut, I., Golota, V. (2018). Nanoscale polysilicon in sensors of physical values at cryogenic temperatures. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 29 (10), 8364–8370. doi: https://doi.org/10.1007/s10854-018-8847-0
- Burkov, A. T., Fedotov, A. I., Novikov, S. V. (2016). Methods and Apparatus for Measuring Thermopower and Electrical Conductivity of Thermoelectric Materials at High Temperatures. Thermoelectrics for Power Generation - A Look at Trends in the Technology. doi: https://doi.org/10.5772/66290
- Kumar, A., Patel, A., Singh, S., Kandasami, A., Kanjilal, D. (2019). Apparatus for Seebeck coefficient measurement of wire, thin film, and bulk materials in the wide temperature range (80–650 K). Review of Scientific Instruments, 90 (10), 104901. doi: https://doi.org/10.1063/1.5116186
- Tur, Y., Pavlovskyi, Y., Virt, I. (2019). Measurement of Thermoelectric Parameters of Thin-Film Semiconductor Materials Using the Harman Method. Physics and Chemistry of Solid State, 20 (3), 306–310. doi: https://doi.org/10.15330/pcss.20.3.306-310
- Harman, T. C., Cahn, J. H., Logan, M. J. (1959). Measurement of Thermal Conductivity by Utilization of the Peltier Effect. Journal of Applied Physics, 30 (9), 1351–1359. doi: https://doi.org/10.1063/1.1735334
- Favaloro, T., Ziabari, A., Bahk, J.-H., Burke, P., Lu, H., Bowers, J. et. al. (2014). High temperature thermoreflectance imaging and transient Harman characterization of thermoelectric energy conversion devices. Journal of Applied Physics, 116 (3), 034501. doi: https://doi.org/10.1063/1.4885198
- Farzaneh, M., Maize, K., Lüerßen, D., Summers, J. A., Mayer, P. M., Raad, P. E. et. al. (2009). CCD-based thermoreflectance microscopy: principles and applications. Journal of Physics D: Applied Physics, 42 (14), 143001. doi: https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/14/143001
- Gromov, G. G., Yershova, L. B. (2007). Complex method to control the quality of construction and performance reliability of thermoelectric modules in optoelectronic devices. Applied physics, 4, 99–106. Available at: http://applphys.orion-ir.ru/appl-07/07-4/PF-07-4-99.pdf
- Defossez, M. (2012). Serial LVDS High-Speed ADC Interface. XAPP524. v1.1. XILINX. Available at: https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp524-serial-lvds-adc-interface.pdf
- Interfacing Analog to Digital Converters to FPGAs. A Lattice Semiconductor White Paper (2007). Available at: http://application-notes.digchip.com/030/30-20827.pdf
- Dunets, R., Dzundza, B., Kostyuk, O. (2020). Specialized software and hardware for impedance spectroscopy of thermoelectric energy converters. Measuring Equipment and Metrology, 81 (4), 18–24. doi: https://doi.org/10.23939/istcmtm2020.04.018
- Penco, G., Barni, D., Michelato, P., Pagani, C. (2001). Thermal properties measurements using laser flash technique at cryogenic temperature. PACS2001. Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference (Cat. No.01CH37268). doi: https://doi.org/10.1109/pac.2001.986637
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Роман Богданович Дунець, Богдан Степанович Дзундза, Лилия Вадимовна Туровская, Мирослав Федорович Павлюк, Омелян Павлович Поплавский
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.
