УДК 621.315.592
К. А. Аскеров, Р. Ю. Алиев, Д. И. Караев
Институт фотоэлектроники АН Азербайджана, Баку, Азербайджанская Республика
Исследовано воздействие ионизирующих излучений на термоэлектрические параметры термоэлементов твердых растворов систем Bi2Te3--Bi2Se3 и Bi2Te3--Sb2Te3.
Термоэлектрические охладители (ТЭО) широко применяются в ИК-технике и
работают при различных условиях, в том числе и в условиях повышенной радиации.
В литературе имеются данные об исследованиях влияния ионизирующих излучений
на электрические и тепловые свойства твердых растворов систем
Bi2Te3--Bi2Se3 и
Bi2Te3--Sb2Te3 [1-3].
В данной статье рассматривается влияние ионизирующих излучений различного вида
на термоэлектрические параметры термоэлементов на основе указанных твердых
растворов.
Для выяснения механизма действия облучения на термоэлектрические параметры
ТЭО предварительно исследовали также влияние этих излучений на свойства исходных
кристаллов.
Исследуемые образцы были получены направленной кристаллизацией - методом
Бриджмена и подвергались воздействию гамма-излучения в интервале флюенсов
106 - 108 Р, электронного облучения с энергией 25 МэВ
в интервале флюенсов 1013-1014 см-2
и импульсного гамма-нейтронного облучения в интервале флюенсов
1013-1014 см-2.
В качестве коммутационного сплава применялся сплав Bi + Sn с температурой
плавления 413 К. До и после облучения измерялись значения электропроводности
ветвей термоэлемента, контактное сопротивление границ раздела образцов,
термоэлектрические параметры модулей и охладителей.
Полученные результаты представлены в табл. 1 и 2, где
s0rк0 - значения
электропроводности ветвей термоэлемента и контактного сопротивления границ раздела
образцов до, а s и rк0 -
после облучения.
Из табл. 1 следует, что при гамма-нейтронном облучении границы раздела системы
Bi2Te3--Sb2Te3
со сплавами Bi + Sn их r существенно (в 2-4 раза) падает. В случае же
облучения границы раздела системы Bi2Te3--Sb2Te3
с эвтектикой Bi + Sn электронами и
системы Bi2Te3-Bi2Se3 с эвтектикой
Bi + Sn гамма-квантами rк растет. Результаты
измерений удельной электропроводности показали хорошую корреляцию между
изменениями tк и s,
т.е. уменьшение контактного сопротивления при облучении
сопровождается ростом электропроводности кристаллов и наоборот. По-видимому, при
облучении гамма-нейтронами границы раздела кристалла Bi2Te3--Bi2Se3
с эвтектикой
Bi + Sn в поверхностном слое возникают дефекты, создающие в запрещенной зоне
полупроводника большое число локальных уровней акцепторного типа. Это
приводит к увеличению концентрации дырок в поверхностном слое и
уменьшению контактного сопротивления [4, 5]. При облучении границы раздела
кристаллов систем Bi2Te3--Sb2Te3
с эвтектикой Bi + Sn электронами с энергией 25 МэВ, а также систем
Bi2Te3--Bi2Se3
с эвтектикой Bi + Sn гамма-квантами в
поверхностном слое образуются локальные центры, создающие основные носители
заряда. Вследствие этого концентрация основных носителей заряда и проводимость
поверхностного слоя в обоих случаях падают, что приводит к увеличению контактного
сопротивления границы раздела, что подтверждается характером изменения
электропроводности кристаллов [4].
Т а б л и ц а 1 |
Образец | s0, Ом-1·см2 |
rкo, Ом·см2 |
Виды и флюенсы облучения |
s, Ом-1·см2 |
rк, Ом·см2 |
rкo / rк | s0 / s |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Bi2Te3--Sb2Te3 (p-тип) |
1108 1076 1115 |
8,5·10-5 9,2·10-5 8,3·10-5 |
1013 н/см2 5·1013 н/см2 1014 н/см2 |
1450 1530 1480 |
3,1·10-5 2,1·10-5 3,2·10-5 |
2,74 4,38 2,59 |
0,76 0,71 0,75 |
975 926 |
7,5·10-5 7,6·10-5 |
1013 н/см2 1014 н/см2 |
910 900 |
9,2·10-5 9,0·10-5 |
0,81 0,84 |
1,01 1,02 |
|
Bi2Te3--Bi2Se3 (n-тип) |
1114 1050 932 |
7,5·10-5 9,0·10-5 7,6·10-5 |
106 Р 107 Р 108 Р |
750 730 708 |
1,3·10-5 1,5·10-5 1,9·10-5 |
0,57 0,60 0,40 |
1,49 1,43 1,31 |
Следует отметить, что облучение поверхности раздела может привести также к
исчезновению локальных деформаций, образовавшихся при коммутации и взаимной
диффузии атомов компонентов кристалла и контактного материала, что может влиять на
сопротивление переходного контакта.
Исследуемые термоэлектрические модули представляют собой унифицированные
одно- и многокаскадные термобатареи из последовательно или параллельно-
последовательно включенных термоэлементов. Они состоят из различных узлов:
термоэлементов, теплопереходов, коммутирующих контактов.
Влияние ионизирующих излучений на температурный перепад на модулях,
возникающий при прохождении через него постоянного тока, равного 2 А до и после
облучения, представлено в табл. 2.
Т а б л и ц а 2 |
Номер модулей |
||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
DТ, град при I = 2А | ||||||||||||
Импульсные гамма-нейтроны, н/см2 | Электронное облучение с энергией 25 МэВ, э/см2 | Гамма-кванты, Р | ||||||||||
До облучения |
1013 | 5·1013 | 1014 | До облучения |
1013 | 5·1013 | 1014 | До облучения |
106 | 107 | 108 | |
1 2 3 |
39 40 38 |
42 |
44,5 |
40,0 |
39,5 39,0 38,5 |
36,5 36,0 37,0 |
36,0 36,5 36,0 |
40,0 39,0 39,5 |
39,0 38,0 38,3 |
38,0 37,0 37,0 |
38,0 37,0 37,0 |
37,0 37,5 37,5 |
Как видно из табл. 2, облучение гамма-нейтронами до флюенса 1014 см-2 приводит к
росту в DTмакс модулей. Сопоставление вышеуказанных данных по влиянию облучений
на эффективность n - и р-ветвей дает основание предполагать, что такое изменение
DT
обусловлено как уменьшением сопротивления переходных контактов, так и ростом
термоэлектрической добротности ветвей термоэлементов.
Исследование влияния ионизирующих излучений различного вида на температурный
перепад DT термоэлектрического охладителя (ТЭО) показало, что после облучения
охладителя гамма-нейтронами флюенсом 5·1013 см-2,
DT значительно растет. При
обучении же охладителя электронами и гамма-квантами DT падает. Оптимальный ток
питания, время выхода на режим и другие параметры ТЭО после облучения не
претерпевали заметного изменения.
Результаты проведенных исследований показывают, что изменение DT охладителей
при облучении обусловлено как изменением параметров ветвей, так и изменением
сопротивления переходных контактов.
Л и т е р а т у р а
1. З е й н а л о в И. А, А с к е р о в К. А., А л и е в Е. М., Д и к М. Г., А б д и н о в М. Г.//Изв. АН СССР.
Неорган. матер., 1990. Т. 26. N. 8. С. 1770-1772.
2. З е й н а л о в И. А., А с к е р о в К. А., А л и е в Е. М., Д и к М. Г., А б д и н о в Д. Ш.//Там же, 1991. Т.
27. N. 9. С. 1974-1976.
3. З е й н а л о в И. А., А с к е р о в К. А., А л и е в Е. М., Д и к М. Г., А б д и н о в Д. Ш.//Там же, N.3. С.
623-625.
4. Р о д е р и к Е. Х. Физика контактов.- М.: Радио и связь. С. 200.
5. Д ж а м а л о в Н. А., Б а р х а л о в Б. Ш., Ф е й з и е в Я. С., С у л т а н о в а Н. Р., С а л а е в Э.
Ю., А б д и н о в Д. Ш.//Изв. АН СССР. Неорган. матер. 1986. Т. 22. N. 11. С. 1812-1814.
K. A. Askerov, R. Yu. Aliyev, J. I. Karayev
Institute of Photoelectronics of the Azerbaijan Academy of Sciences, Baku, Azerbaijan
Influence of ionizing irradiation of different kinds on the thermoelectrical parameters of the thermoelements on the base of Bi2Te3--Bi2Se3 and Bi2Te3--Sb2Te3 systems solid solutions have been investigated. To ascertain the mechanism of the action of irradiation on thermoelectrical parameters of TEC, previously the influence of these irradiation on the properties of crystals also was studied. Tte samples investigatwd were obtained by the oriented crystallization method - Bridgman technique and subjected to action of gamma-irradiation in the range of fluences 106--108 R, electron irradiation of 25 MeV energy in fluence range 1013--1014 cm-2 and pulse gamma- neutron irradiation in fluence range 1013--1014 cm-2. It is shown that irradiation by gamma-neutrons up to flueences 1014 cm-2 leads to increasing of DTmax of TEM, as well as efficiency of n- and p-branches of thermoelements. This fact permits to suppose, that such a variations of DTmax are due both to decreasing of resistance of transitional contacts and increasing of thermoelectric figure of merirt of the thermoelectric material itself. Thus results obtained are indicated that variations of DTmax for TEM under irradiation are due both to variations of thermoelement branches parameters and the resistance of transitional contacts.