В работе продемонстрирована возможность получения объёмных полупроводниковых материалов с заданным типом проводимости (n- и p-типа) методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Установлено, что при соответствующей подготовке реакционной смеси и её легировании возможно формирование сплошных, компактных заготовок произвольной формы без образования дефектов, таких как пористость или разрыхление. Полученный результат открывает перспективы для применения СВС-технологии в производстве функциональных полупроводниковых заготовок различного назначения.
Предлагается простейшая технология изготовления полупроводников для термоэлектрического элемента термоэлектрического генератора с энергетическим выходом 0,2 вольт на 100 градусов.
Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводниковых «таблеток» p-типа и n-типа, не образующих p-n–переход, которые соединены между собой.
Каждая «таблетка» синтезирована методом СВС. Одна «таблетка» – из оксида меди и алюминиевой пудры, вторая «таблетка» – из медного купороса и алюминиевой пудры.
Технология изготовления следующая:
Реактивы:
1) Медный купорос.
2) Натрий двууглекислый или обыкновенная пищевая сода
3) Алюминиевая пудра.
4) Железный купорос
СВС “таблетки” из медного купороса.
Порошок медного купороса перетирается в ступе до пылевидной структуры. Смешивается с алюминиевой пудрой.
Изготавливаем несколько смесей в следующей пропорции (оксид меди: оксид алюминия) 90:10, 87:13, 84:16, 82:18. Это необходимо для экспериментов с получением максимального термо ЭДС для определённого диапазона температур.
Смесь засыпается в стальную толстостенную трубку диаметром 8 мм и прессуется сверху ударами болта М8. Получается классическая достаточно прочная “таблетка” из спрессованной реакционной смеси для СВС. Затем сверху таблетки газовой горелкой инициируется протекание скоростного высокотемпературного синтеза. СВС в данном случае протекает послойно сверху вниз совершенно спокойно без образования пор, разрыхлений и т.п., в полной противоположности классической алюмотермии, примером которой является обыкновенный бенгальский огонь.
СВС “таблетки” из оксида меди.
Оксид меди изготавливается из медного купороса классическим способом. Берётся отдельно сода и купорос в пропорции 1:1 по весу. Далее медный купорос растворяется в воде. Затем в воду добавляется сода. Начнется бурное вспенивание раствора и выделение углекислого газа. Отделяем наш осадок от раствора путем фильтрации (отжимать марлей). Полученный густой продукт небесно-голубого цвета “размазывается” по стальному листу и прокаливается сверху газовой горелкой до образования чёрного порошка. Получается чистый оксид меди.
Полученный порошок из оксида меди перетирается в ступе до пылевидной структуры. Смешивается с алюминиевой пудрой.
Изготавливаем несколько смесей в следующей пропорции (оксид меди: оксид алюминия) 90:10, 87:13, 84:16, 82:18. Это необходимо для экспериментов с получением максимального термо ЭДС для определённого диапазона температур.
Смесь засыпается в стальную толстостенную трубку диаметром 8 мм и прессуется сверху ударами болта М8. Получается классическая достаточно прочная “таблетка” из спрессованной реакционной смеси для СВС. Затем сверху таблетки газовой горелкой инициируется протекание скоростного высокотемпературного синтеза. СВС в данном случае протекает послойно сверху вниз совершенно спокойно без образования пор, разрыхлений и т.п., в полной противоположности как при классической алюмотермии, примером которой является обыкновенный бенгальский огонь.
СВС “таблетки” из оксида железа.
Оксид железа изготавливается из железного купороса классическим способом.
Берётся отдельно сода и купорос в пропорции 1:1 по весу. Далее железный купорос растворяется в воде. Затем в воду добавляется сода. Начнется бурное вспенивание раствора и выделение углекислого газа. Отделяем осадок от раствора путем фильтрации (отжимать марлей). Полученный густой продукт зеленоватого цвета “размазывается” по стальному листу и прокаливается сверху газовой горелкой до образования чёрного порошка. Получается чистый оксид железа.
Полученный порошок из оксида железа перетирается в ступе до пылевидной структуры. Смешивается с алюминиевой пудрой.
Изготавливаем несколько смесей в следующей пропорции (оксид железа: оксид алюминия) 90:10, 87:13, 84:16, 82:18. Это необходимо для экспериментов с получением максимального термо ЭДС для определённого диапазона температур.
Смесь засыпается в стальную толстостенную трубку диаметром 8 мм и прессуется сверху ударами болта М8. Получается классическая достаточно прочная “таблетка” из спрессованной реакционной смеси для СВС. Затем сверху таблетки газовой горелкой инициируется протекание скоростного высокотемпературного синтеза. СВС в данном случае протекает послойно сверху вниз совершенно спокойно без образования пор, разрыхлений и т.п., в полной противоположности как при классической алюмотермии, примером которой является обыкновенный бенгальский огонь.
Рис. № 1. Само распространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)
Известно, что по виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип. У чистых или собственных полупроводников концентрация электронов и дырок одинакова. Электропроводимость собственного (беспримесного) полупроводника очень низка.
Чтобы превратить собственный полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подобранной химической добавки, т.е. осуществить легирование полупроводника.
Примеси создают ряд энергетических уровней в запрещенной зоне. В результате вероятность образования электронно-дырочных пар при температуре возбуждения оказывается значительно более высокой, чем в собственном полупроводнике.
В таких полупроводниках электрическая проводимость осуществляется в основном за счет носителей зарядов одного знака – электронов или дырок. Чтобы обеспечить электронную или дырочную проводимость, достаточно, как правило, ввести один атом соответствующей примеси на атомы собственного полупроводника.
Заключение
Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза успешно применим для получения объёмных полупроводниковых заготовок.
СВС-технология позволяет реализовать синтез полупроводников с заданным типом проводимости (n- или p-), путём легирования порошковой смеси необходимыми химическими элементами.
Реакция СВС-реакции протекает стабильно, без нежелательных побочных процессов, характерных, например, для алюмотермии (вспучивание, разрыхление, порообразование).
Метод позволяет создавать заготовки нужной формы без последующего уплотнения или переработки.