ПЛАНАРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С НАКОПИТЕЛЬНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ

Полезная модель относиться к области преобразователей энергии радиационных излучений в электрическую энергию и может быть использована в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы.
Известны «объемные» конструкций 3D преобразователей, в основном на монокремнии, нацеленных на оптимизацию соотношения веса преобразователя к вырабатываемой энергии [1. Долгий А.Л. Бета-преобразователи энергии на основе макропофигтого кремния // 4-ая Международная научная конференция «Материалы и структуры современной электроники», 23-24 сентября 2010 г., Минск, Беларусь. С. 57-60; 2. Sun W., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. Betavoltaic and photovoltaic energy conversion in three-dimensional macroporous silicon diodes // Physica status solidi (a). 2007. V. 204. N 5. P. 1536-1540; 3. Sun W., Kherani N.P., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. A Three-Dimensional Porous Silicon p-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. N 10. P. 1230-1233; 4. Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same. USA Patent. US 20080199736 A1. Pub. date: 21.08.2008; 5. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US 7939986 B2. Pub. date: 10.05.2011]. Такие конструкции позволяют получить развитую поверхность щелей или каналов кремниевых пластин с оптимальными размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда p-i-n-диодов, в которых генерируется бета излучением носители заряда. Однако создание бета батареек с такой конструкцией представляет сложную и не решенную технологическую проблему, прежде всего из-за низкого качества p-n-переходов в каналах или щелях кремниевых пластин, что приводит к недопустимо большим токам утечки через них.
-
-
+
+
+
+
+
+
Известна планарная 2D конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета излучений в электрическую энергию [6. Guo H., Zhang K., Zhang Yu., Zhang Yu., Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery and the preparation process thereof. USA Patent US 20140225472 A1. Pub. date: 14.08.2014 г.] (фиг. 1), взятая за прототип, содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину n(p) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная n(p) область на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная p(n) область, образующая с полупроводниковой пластиной p-n-переход, на поверхности p(n) области расположен слой изолирующего диэлектрика и.электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом.
Общими недостатками аналогов и прототипа является невозможность достичь наилучших соотношений размеров (веса) преобразователя к выделяемой мощности ЭДС и отсутствие эффективного накопителя энергии, что резко ограничивает области применения маломощного источник ЭДС.
Технической проблемой полезной модели является создание конструкции планарного преобразователя со значительно большей (в два раза) генерируемой электрической энергией, приходящейся на единицу его объема (веса), содержащего функционально-интегрированный конденсаторный накопитель энергии.
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Технический результат заключается в создании планарного преобразователя состоящего из слаболегированной полупроводниковой пластины n(p) типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях размещены сильнолегированные верхняя и нижняя горизонтальные p(n) области соответственно, образующие с пластиной p-n-переходы p-i-n-диода. Данные области соединены между собой вертикальными p(n) областями, при этом в центре на верхней поверхности пластины расположена n(p) контактная область. На верхней и нижней поверхностях горизонтальных p(n) областей расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа металла, причем нижний слой изотопа соединен омическим контактом с нижней областью, а на поверхности верхнего слоя радиоактивного изотопа металла и верхней поверхности горизонтальной области p(n) расположен слой диэлектрика с отверстием над поверхностью контактной n(p) области. На поверхности диэлектрика расположен слой второго металла образующий омический контакт к контактной области n(p), при этом нижний слой радиоактивного изотопа металла образует электрод анода (катода) диода, а второй металл - электрод катода (анода) диода, причем диэлектрик и второй металл образуют накопительный конденсатор.
Конструкция преобразователя показана на фиг. 1 - топология (вид сверху), на фиг. 2 - разрез по сечению А-А.
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Планарный преобразователь состоит из: 1 - слаболегированная полупроводниковая пластина n(p) типа проводимости, 2 и 3 - верхняя и нижняя поверхности сильнолегированной горизонтальной области p(n) соответственно, 4 - вертикальная область p(n) соединяющая области 2 и 3, 5 - сильнолегированная контактная область n(p), 6 - радиоактивный изотоп металла расположенный на верхней p(n) области, 7 - радиоактивный изотоп металла расположенный на нижней p(n) области, являющимся электропроводящим электродом анода (катода), 8 - изолирующий слой диэлектрика, 9 - второй металл, являющийся электропроводящим электродом катода (анода), 10 - омический контакт катода (анода), 11 - омический контакт анода (катода), в центре слоя диэлектрика размещено отверстие - 12.
+
+
Принцип действия преобразователя основан на фотогальванической ЭДС и ионизацией полупроводникового материала. Работает преобразователь следующим образом, бета-электроны изотопа металла (6 и 7) (никеля, стронция, трития, кобальта и т.д.) проникают в полупроводниковую пластину (1) (например, кремния), тем самым выбивают валентные электроны. При этом образуются электронно-дырочные пары разделяются полем p-n-перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) (1 и 2, 1 и 3, 1 и 4) и создают разность потенциалов на p (2, 3 и 4) и n (5) областях преобразователя. Часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем p-n-перехода также в квазинейтральной (КНО) области (1 и 5) на расстоянии равном диффузионной длине. При этом важно, что электрическая энергия вырабатываемая маломощным преобразователем ионизирующих излучений накапливается в конденсаторе, который функционально совмещен с p-i-n-диодом и не требует дополнительного пространства.
Пример практической реализации конструкции.
63
Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кОм⋅см с ориентацией (100). При этом в качестве изотопного источника может быть выбран Ni, имеющий большой период времени полураспада (101,1 года) испускающий электронное излучение со средней энергией 17 кэВ и максимальной энергией 64 кэВ, практически безопасный для здоровья человека. Такая энергия электронов меньше энергии дефектообразования в кремнии (160 кэВ). При этом глубина поглощения в кремнии электронов со средней энергией 17 кэВ составляет примерно 3,0 мкм, а для 90% поглощения 12 мкм. Данные размеры должны соответствовать глубинам залегания p-n-переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах. Следует, отметить, что в качестве радиоактивного изотопа может быть использованы иные материалы, например тритий и т д.
Технические преимущества полезной модели
+
+
- конструкция планарного преобразователя ионизирующих излучений с накопительным конденсатором позволяет получить практически в два раза большую мощность, по сравнению с обычным p-i-n-диодом и накапливать энергию в «спящем режиме», создавая значительную мощность в импульсном режиме. Следует отметить, что размеры n-контактной области много меньше размеров p-горизонтальных областей и ее вкладом можно пренебречь;
- такой источник ЭДС обеспечит прямую зарядку аккумулятора при отсутствии солнечных батарей при минимальном ее весе и размерах, что важно, например, для применения в беспилотных летательных аппаратах, взрывоопасных помещениях - шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах, электрокардиостимуляторах сердца и т.д.;
63
- важным обстоятельством является также то, что срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиационного материала, который для Ni составляет 50 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.