ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ
ELECTRIC POWER SUPPLY SOURCE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для преобразования радиоактивной энергии в электрическую.
Уровень техники
Энергия, испускаемая при радиоактивном распаде ядер нестабильных изотопов, преобразуется в кинетическую энергию дочернего ядра (ядро, получаемое в результате распада) и испускаемых частиц. Эта кинетическая энергия продуктов распада может быть преобразована в электрическую.
Привлекательность применения источников ионизирующих излучений в составе генераторов напряжения или тока обусловлена несколькими причинами. Во-первых, это компактность и высокая энергоемкость изотопов, она превосходит химические источники (аккумуляторы, солевые и щелочные элементы питания, топливные элементы и др.) в десятки и сотни тысяч раз. Во-вторых, при создании источника тока или напряжения на основе радиоактивного распада время непрерывной работы будет зависеть только от периода полураспада и может составлять десятки лет.
Для прямого преобразования кинетической энергии продуктов распада в электрическую часто используются полупроводниковые элементы с p-n-переходами. В этих элементах существует встроенное в переходах электрическое поле, необходимое для эффективного разделения электронно-дырочных пар, создаваемых радиационным воздействием. В результате чего, например, в p-n-переходе n-область заряжается отрицательно, а p-области - положительно. При этом каждая частица, получаемая в ходе радиоактивного распада, создает в материале полупроводника до нескольких десятков тысяч электронно-дырочных пар. Однако не все электронно-дырочные пары, созданные при облучении, участвуют в образовании потенциала и тока во внешней цепи источника. В результате чего повышение эффективности таких преобразователей сегодня является весьма актуальной задачей.
3
63
147
Известна ядерная батарея (пат. US 8134216 B2, публ. 13.03.2012), способная работать в сложных климатических условиях продолжительное время. В качестве бета-вольтаической ячейки используется SiC-диод с нанесенным на поверхность p-n-перехода бета-источником, например Н, Ni, Pm. Для повышения эффективности ядерной батареи поверхность диода модифицируют путем вытравливания канальцев размером около 300 нм, куда помещают бета-изотопы, таким образом повышается контактная площадь изотопа с диодом. В результате облучения поверхности диода бета-частицами происходит генерация электронно-дырочных пар.
Основным недостатком батареи является то, что для увеличения генерации электронно-дырочных пар в диоде делают небольшие каналы, в которые помещают изотопы, что усложняет конструкцию и технологию создания батареи и ухудшает ее механические свойства. При этом выходное напряжение такой батареи составляет единицы вольт.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является повышение уровня удельного выходного напряжения радиоизотопного источника электрического питания при обеспечении удовлетворительных механических свойств.
Задача изобретения решается с помощью источника электрического питания, содержащего радиоактивный изотоп и полупроводниковый преобразователь. Полупроводниковый преобразователь содержит поликристаллическую структуру, обладающую анизотропией в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя. Радиоактивный изотоп размещен с обеспечением возможности попадания продуктов радиоактивного распада на/в полупроводниковый преобразователь, в одном из вариантов - на/в поликристаллическую структуру.
63
В преимущественном варианте осуществления изобретения радиоактивный изотоп выполнен в виде металла, причем полупроводниковый преобразователь и радиоактивный изотоп отделены слоем диэлектрика, причем слой диэлектрика выполнен с возможностью прохождения через него продуктов радиоактивного распада. В частности, радиоактивный изотоп может содержать Ni. Радиоактивный изотоп предпочтительно размещается около поверхности полупроводникового преобразователя.
II
VI
В частном варианте реализации полупроводниковый преобразователь может содержать поликристаллическую пленку, например структурированную, из полупроводниковых соединений AB. Радиоактивный изотоп и полупроводниковый преобразователь преимущественно размещены в корпусе, имеющем электрические выходные контакты, с которыми соединен полупроводниковый преобразователь.
Задача изобретения решается с помощью способа изготовления источника электрического питания по любому из вышеперечисленных вариантов. Способ включает в себя следующее шаги: на полупроводниковом преобразователе создают поликристаллическую поверхность, осуществляют термообработку полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью, около полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью размещают радиоактивный изотоп с обеспечением возможности попадания продуктов радиоактивного распада на/в полупроводниковый преобразователь. Шаг размещения радиоактивного изотопа около полупроводникового преобразователя может включать в себя приклеивание радиоактивного изотопа к полупроводниковому преобразователю или нанесение радиоактивного изотопа на полупроводниковый преобразователь путем осаждения или напыления.
Задача изобретения также решается с помощью электронного устройства, снабженного источником электрического питания по любому из описанных в настоящей заявке вариантов или изготовленным в соответствии с любым из указанных в настоящей заявке способов.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении уровня удельного выходного напряжения радиоизотопного источника электрического питания при обеспечении удовлетворительных механических свойств. Указанный технический результат достигается за счет того, что поликристаллическая поверхность полупроводникового преобразователя обеспечивает повышенное выходное напряжение по сравнению с полупроводниковым преобразователем, у которой на поверхности отсутствует множество микрокристаллитов. Это связано с тем, что поликристаллическая поверхность обладает анизотропией кристаллитов в плоскости поликристаллической поверхности, то есть структурой, в которой микрокристаллиты (кристаллиты) имеют преимущественно одинаковую ориентацию, направленную в какую-либо сторону, p-n-переходы оказываются также ориентированными в одном из направлений, вследствие чего с электрической точки зрения они оказываются последовательно соединены и выходное напряжение полупроводникового преобразователя в целом возрастает. При этом в микрокристаллических структурах длина свободного пробега носителей зарядов ограничена пределами микрокристаллитов, в результате чего практически все заряды оказываются на поверхности микрокристаллита. Развитая поликристаллическая поверхность преобразователя также обеспечивает большую поверхность захвата продуктов радиоактивного распада от радиоактивного изотопа.
Кроме того, поликристаллическая поверхность полупроводникового преобразователя обеспечивает достаточную механическую прочность, которая является выше по сравнению со случаем выполнения каналов. Это связано с тем, что глубокие каналы создают регулярные ослабления изделия, проходящие на достаточно длительном расстоянии и параллельно друг другу. При этом поликристаллическая поверхность имеет иррегулярную структуру, в которой ослабления имеют незначительные величины ввиду относительно небольшой высоты кристаллитов по сравнению с их размерами в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя и, кроме того, ослабления хаотически ориентированы даже в тех случаях, когда кристаллиты имеют преимущественную ориентацию, поскольку сами кристаллиты зачастую состоят из элементов, различно ориентированных в плоскости. Вследствие этого механическая прочность во всех направлениях в плоскости преобразователя примерно одинакова, в то время как при выполнении каналов в одном из направлений механическая прочность источника значительно снижена.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан источник электрического питания в соответствии с настоящим изобретением в разрезе.
На фиг. 2 показан образец полупроводникового преобразователя в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 3 показана диаграмма зависимости выходного напряжения источника питания от активности радиоизотопа.
Осуществления изобретения
На фиг. 1 изображен один из возможных вариантов реализации предлагаемого источника электрического питания. Источник 1 радиоактивного излучения помещен над первичным полупроводниковым преобразователем 2, соединенным с внешними электрическими контактами 3. Все конструкция в показанном варианте помещена в корпус 4.
Источник 1 радиоактивного излучения может содержать различные радиоактивные изотопы, известные из уровня техники, осуществляющие радиоактивный распад, сопровождаемый альфа-, бета- и/или гамма-излучением. Однако в преимущественном варианте используются бета-излучатели, испускающие в качестве продукта радиоактивного распада бета-частицы, в частности электроны. Далее описано применение бета-изотопов, однако все конструктивные особенности источника питания также относятся и к изотопам других видов, если не сказано иное, так как все они могут формировать носители зарядов в полупроводниковом преобразователе, необходимые для получения выходного электрического напряжения или тока.
63
2
Анализ параметров и характеристик известных бета-изотопов позволяет выделить в качестве наиболее подходящего для создания радиоизотопных элементов электрического питания Ni, как единственный бета-источник, обладающий следующими свойствами: энергия бета-частиц ниже 70 кэВ и существенно ниже порога дефектообразования в полупроводниковых структурах; период полураспада 100,1 года и соответственно срок службы около 50 лет; активность, с одной стороны, достаточная для создания элементов питания для приборов микро- и наноэлектроники, с другой стороны, не превышает десятых долей кюри на см и может применяться широким спектром потребителей; отсутствуют побочные излучения, в том числе гамма-излучения; проникающая способность в полупроводниковые материалы составляет десятки микрометров, что обеспечивает свободу в выборе технологии изготовления структур элементов питания.
63
Таким образом, источник 1 радиоактивного излучения может быть выполнен с использованием металла, например, в виде фольги, слоя металла или пленочной напыленной структуры. В преимущественном варианте используемый радиоактивный изотоп представляет собой Ni. В случае применения металлического радиоактивного изотопа его следует отделять от полупроводникового преобразователя слоем диэлектрика, поскольку иначе изотоп электрически замкнет поверхность полупроводникового преобразователя и последний не сможет выполнять свою функцию по формированию электрического напряжения или тока. Необходимо также отметить, что указанный слой диэлектрика должен пропускать продукты радиоактивного распада изотопа для того, чтобы эти продукты могли проникать на/в полупроводник и формировать на/в нем носители зарядов.
Для того, чтобы излучение радиоактивного изотопа в виде продуктов радиоактивного распада попадало на/в полупроводниковый преобразователь, изотоп должен быть размещен в преобразователе или около его поверхности, то есть, в частных случаях, над преобразователем или на нем. В том случае, когда изотоп выполнен с использованием металла и размещен над преобразователем с зазором между ними, роль диэлектрика может выполнять воздух, газ или вакуум, находящийся в зазоре - в зависимости от того, чем заполнен корпус источника питания.
В тех вариантах, когда металлический изотоп закрепляется непосредственно на полупроводниковом преобразователе, то способ обеспечения слоя диэлектрика будет зависеть от того, каким образом изотоп закрепляется на преобразователе. Например, в случае применения приклеивания изотопа к преобразователю, в качестве слоя диэлектрика может использоваться клей, если он обладает необходимыми диэлектрическими свойствами и достаточной пропускающей способностью в отношению продуктов радиоактивного распада. Кроме того, слой диэлектрика может быть нанесен или выполнен на металлическом изотопе и/или полупроводниковом преобразователе, например, окислением или нанесением диэлектрического материала. Если же изотоп наносят на полупроводниковый преобразователь путем осаждения или напыления, то слой диэлектрика преимущественно выполнен на полупроводниковом преобразователе, например, путем окисления или нанесения диэлектрического материала.
Полупроводниковый преобразователь содержит множество p-n-переходов. Продукты радиоактивного распада, например бета-частицы, попадая на/в полупроводник, создают в материале полупроводника до нескольких десятков тысяч электронно-дырочных пар, которые разделяются благодаря электрическому полю, имеющемуся в p-n-переходах. Вследствие этого n-область каждого p-n-перехода заряжается отрицательно, а p-область положительно. Благодаря высокой проникающей способности бета-частиц в полупроводниковом преобразователе, снабженном бета-изотопом, образуется множество электронно-дырочных пар не только на поверхности преобразователя, но и в глубине, и, как следствие, n- и p-области p-n-переходов приобретают относительно большие заряды.
Недостатком обычных полупроводниковых преобразователей из уровня техники является то, что заряды, приобретаемые n- и p-областями p-n-переходов вышеописанным образом, вследствие плоскости поверхности преобразователей довольно быстро релаксируют в своих p-n-переходах и взаимокомпенсируются для соседних p-n-переходов. Вследствие этого выходные напряжения источников питания, представленных в уровне техники, обычно не высоки.
Для того, чтобы повысить выходное напряжение источника питания, полупроводниковый преобразователь в соответствии с настоящим изобретением снабжается поликристаллической структурой, например пленкой, слоем или поверхностью. Полупроводниковый преобразователь может представлять собой диэлектрическую (например, ситалл) или полупроводниковую подложку, на или в которой выполняется поликристаллическая структура. Такая структура может занимать часть полупроводникового преобразователя, например один из слоев или один из участков преобразователя, или же любые другие комбинации. Кроме того, полупроводниковый преобразователь может быть выполнен полностью как поликристаллическая структура.
В одном из вариантов на полупроводниковом преобразователе в качестве верхнего (наиболее близкого к источнику радиационного излучения) слоя размещается полупроводниковая поликристаллическая пленка. Поликристаллической является вся пленка, однако поликристалличность наиболее очевидна на ее поверхности. Поликристаллическая поверхность представляет собой поверхность, на которой находится или на которую выходит своими гранями множество кристаллических структур малого размера, называемых кристаллитами или микрокристаллитами.
В преимущественном варианте микрокристаллиты имеют размеры порядка одного или нескольких микрон, однако настоящее изобретение также может быть реализовано как при меньших, так и больших размерах микрокристаллитов по сравнению с указанными. Наличие микрокристаллов на поверхности полупроводникового преобразователя может быть определено с помощью микроскопа. В тех случаях, когда микрокристаллы (кристаллиты) находятся в глубине полупроводникового преобразователя, их наличие может быть определено с помощью других способов, например рентгеноскопии или косвенно по эффектам, сопровождающим микрокристаллиты, например генерацией электрического напряжения и/или тока, в частности, повышенной величины.
Поликристаллический участок полупроводникового преобразователя обеспечивает повышенное выходное напряжение благодаря тому, что в микрокристаллических (поликристаллических) структурах длина свободного пробега носителей зарядов ограничена пределами микрокристаллитов, благодаря чему ограничивается релаксация зарядов в глубине полупроводникового слоя, накапливаемых n- и p-областями p-n-переходов, а также взаимокомпенсация зарядов среди соседних p-n-переходов. В результате чего практически все заряды оказываются на поверхности микрокристаллита, где они не имеют возможности быстро рекомбинировать ввиду отсутствия носителей противоположного заряда и, следовательно, могут быть использованы для подачи в нагрузку или преобразовательное устройство полезного электрического тока/напряжения. Кроме того, развитая поликристаллическая поверхность обеспечивает большую поверхность захвата продуктов радиоактивного распада от радиоактивного изотопа, что также повышает выходное напряжение ввиду большей эффективности взаимодействия продуктов радиоактивного распада с полупроводниковым преобразователем.
Поликристаллическая структура полупроводникового преобразователя также обеспечивает и достаточную механическую прочность ввиду того, что поликристаллическая поверхность обычно имеет иррегулярную структуру, в которой механические ослабления имеют незначительные величины вследствие относительно небольшой высоты кристаллитов по сравнению с их размерами в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя. Кроме того, указанные ослабления хаотически ориентированы даже в тех случаях, когда кристаллиты имеют преимущественную ориентацию, поскольку сами кристаллиты зачастую состоят из элементов, различно ориентированных в плоскости.
В преимущественном варианте выполнения настоящего изобретения поликристаллическая поверхность обладает анизотропией кристаллитов в плоскости поликристаллической поверхности. Под анизотропией микрокристаллов понимается ориентированность кристаллов в одном или преимущественно в одном направлении, благодаря чему встроенные p-n-переходы кристаллитов выстраиваются последовательно. Это может быть определено путем изучения поверхности полупроводникового преобразователя через микроскоп, при этом выступы микрокристаллитов будут преимущественно направлены в ту или иную, но преимущественно одну сторону в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя. Анизотропия также может быть определена через отражательные свойства поверхности полупроводникового преобразователя: свет в зависимости от направления, с которого он падает на преобразователь, будет отражаться по-разному.
Продукты радиоактивного распада изотопа, размещенного около или внутри полупроводникового преобразователя (или радиоактивного изотопа, содержащегося в полупроводниковом преобразователе), попадают на/в полупроводниковый преобразователь непосредственно в области размещения поликристаллической структуры или около нее. В частном варианте продукты радиоактивного распада изотопа попадают на/в поликристаллическую структуру, обладающую анизотропией в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя. Поверхность полупроводникового преобразователя, в плоскости которого предусмотрена анизотропия поликристаллической структуры, преимущественно является той плоскостью, в которой полупроводниковый преобразователь соседствует с радиоактивным изотопом. Например, это поверхность, обращенная к изотопу. В частном случае анизотропия кристаллитов может быть предусмотрена в плоскости поликристаллической поверхности.
Для продуктов радиоактивного распада анизотропия поликристаллической структуры (например, поверхности) не имеет значения, так как они распространяются преимущественно во всех направлениях и поглощаются в одинаковой степени. Однако для формирования выходного напряжения анизотропия имеет высокое значение, поскольку в поликристаллической поверхности с анизотропной структурой, то есть структурой, в которой микрокристаллиты (кристаллиты) имеют преимущественно одинаковую ориентацию, направленную в какую-либо сторону, p-n-переходы оказываются также ориентированными в одном из направлений, вследствие чего с электрической точки зрения они оказываются последовательно соединены и выходное напряжение полупроводникового преобразователя в целом возрастает.
II
VI
Структурированная поликристаллическая поверхность на полупроводниковом преобразователе может быть выполнена различными способами, известными из уровня техники, например травлением, легированием, осаждением, напылением и т.п. В частности, травлению или легированию может подвергаться полупроводниковая подложка. Осаждаться или напыляться могут различные полупроводниковые материалы как на полупроводниковые, так и на изолированные подложки. В соответствии с настоящим изобретением преимущества имеют пленки из полупроводниковых соединений AB, например пленки CdTe, CdS и другие, поскольку максимальные значения выходного напряжения для них могут составлять 100-1000 В на сантиметр длины пленки. Структурированность пленки задается наличием кристаллитов.
После создания на полупроводниковом преобразователе поликристаллической поверхности в предпочтительном варианте осуществления осуществляют термообработку полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью. Благодаря такой обработке в поликристаллической поверхности происходит перекристаллизация кристаллитов и они становятся более выраженными и более ориентированными, что приводит к дополнительному повышению выходного напряжения. На фиг. 2 показана фотография поликристаллической поверхности полупроводниковой структуры, подготовленной в соответствии с настоящим изобретением и имеющей ярко выраженную анизотропию.
После термообработки около полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью размещают радиоактивный изотоп с обеспечением возможности попадания продуктов радиоактивного распада на/в полупроводниковый преобразователь. В частности, радиоактивный изотоп может быть приклеен к полупроводниковому преобразователю или нанесен на полупроводниковый преобразователь путем осаждения, например электрохимического, или напыления, например резистивного. В тех случаях, когда позволяют применяемые материалы, размещение радиоактивного изотопа может быть осуществлено и перед стадией термообработки - в этом случае термообработке совместно с полупроводниковым преобразователем будет подвергаться и радиоизотоп, что может повысить эффективность их взаимодействия и, как следствие, выходное напряжение источника.
63
В ходе осуществления изобретения был получен образец высоковольтного источника электрического питания с длительным сроком службы, реализованного на основе структурированной пленки CdTe размерами 10*10 мм, полученной вакуумно-термическим методом на изолирующей подложке. Зависимость выходного напряжения U, (В) холостого хода источника электрического питания от активности A (Ки) радиоизотопного источника Ni приведена на фиг. 3. Данная зависимость получена при исследовании поликристаллической пленки с ориентированными микрокристаллитами со средними размерами 1 мкм. Таким образом, при реализации изобретения при активности источника 20 мКи получены значения выходного напряжения до 100 В, что существенно выше, чем у ближайших аналогов.
При описании настоящего изобретения термины «поликристаллы» или «поликристаллический», «микрокристаллы», «кристаллы», «микрокристаллиты» и «кристаллиты» использованы в качестве синонимов и являются взаимозаменяющими, если не указано обратное. Все они направлены на обозначение поликристаллической структуры всего или части полупроводникового преобразователя.
В целях пояснения принципа действия полупроводникового преобразователя, содержащего в соответствии с настоящим изобретением поликристаллическую структуру, использованы понятия n- и p-областей, а также p-n-перехода. В то же время следует учитывать, что принцип действия поликристаллического полупроводника может быть описан и без привлечения этих терминов, например, на уровне формирования, разделения, переноса и/или накопления носителей зарядов обоих знаков (электронов и дырок). Следовательно, существенным для настоящего изобретения является не наличие n- и p-областей или p-n-перехода, а способность формирования, разделения, переноса и/или накопления указанных носителей зарядов. При наличии механизма формирования, разделения, переноса и/или накопления указанных носителей зарядов указанные n- и p-области или p-n-переход могут быть приписаны тем или иным участкам поликристаллических структур, кристаллитов или микрокристаллов.
Источник электрического питания в соответствии с настоящим изобретением может применяться для питания электронного устройства в качестве источника напряжения и/или тока. Для этого электронное устройство электрически соединяется с источником электрического питания по любому из описанных в настоящей заявке вариантов или изготовленным в соответствии с любым из указанных в настоящей заявке способов. Кроме электрического соединения может быть предусмотрено механическое соединение источника электрического питания с электронным устройством.
В одном из вариантов электронное устройство может представлять собой микросхему, снабженную источником электрического питания в соответствии с настоящим изобретением. В частности, источник электрического питания по любому из описанных вариантов или изготовленный по любому из описанных способов может являться неотъемлемой составной частью устройства, изготавливаться, например, в одном (едином) технологическом цикле с электронным устройством и располагаться в едином корпусе устройства. Например, такой источник питания, содержащий поликристаллические полупроводниковые структуры, на/в которые попадают продукты радиоактивного распада радиоизотопа, может быть выполнен на том же кристалле/подложке, на которой выполнена микросхема. Такое устройство может называться электронным устройством с совмещенным питанием.
В то же время настоящее изобретение распространяется не только на подобные электронные микросхемы, но и на все электронные устройства, снабженные источником питания в соответствии с настоящим изобретением, в том числе и содержащие несколько микросхем со встроенными или внешними источниками питания.