Автономные источники тока для датчиков системы обеспечения безопасности перевозок

Содержание_____

УДК 621.38.031

3

АВТОНОМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ДАТЧИКОВ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПЕРЕВОЗОК

В.Ю. Флоринский, Л.Е. Морозова, Н.А. Феоктистов

Аннотация

Рассматриваются вопросы, связанные с разработкой автономных источников тока, которые могут применяться в датчиках пожарной безопасности. Показана принципиальная возможность создания источников, осуществляющих преобразование энергии бета-распада в электрический ток на основе тонкопленочных p—i—n-структур. Осуществлен расчет характеристик отдельных устройств в режиме преобразования энергии электронов кэВ-диапазона. Автономные источники тока данного типа могут применяться для бесперебойного питания датчиков системы пожарной безопасности.

Ключевые слова: датчик, безопасность, источник тока, p-i-n-структура. Введение

В настоящее время на железных дорогах многих стран мира внедряются системы автоматического контроля безопасности эксплуатации подвижного состава. В частности, большое внимание уделяется обеспечению пожарной безопасности. Необходимым элементом системы безопасности являются датчики задымленности. Источники питания таких датчиков преимущественно должны быть автономными, т. е. не связанными с внешними электрическими сетями. Таким образом, важной задачей в области организации перевозок представляется разработка автономных источников питания.

К наиболее развитым технологиям производства полупроводниковых приборов, на базе которых изготовляются датчики различных типов, относятся тонкопленочные технологии. Они позволяют создавать элементы, эффективно преобразующие в электрический ток энергию бета-распада. Это связано прежде всего с относительной легкостью формирования многослойных структур, дающих принципиальную возможность получения высокой удельной мощности преобразования (мощности, отдаваемой в цепь нагрузки единицей преобразующего объема). Существование пленочных источников, испускающих электроны с низкими энергиями (например насыщенных тритием пленок титана), позволяет надеяться на создание компактных, автономных источников тока, практически безопасных в радиационном отношении.

В настоящее время широкое применение нашли полупроводниковые приборы на базе аморфных материалов. Одной из особенностей последних является то, что радиационные дефекты в аморфных полупроводниках образуются более интенсивно по сравнению с образованием их в

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

кристаллах. Вместе с тем экспериментальные исследования карбидосодержащих слоев аморфного гидрированного кремния (a—Sii_ х:Сх:Н) позволили установить их повышенную устойчивость к воздействию электронного облучения [1]. В связи с этим представляет интерес анализ работы структур, созданных на основе таких слоев и предназначенных для преобразования энергии электронного потока в электрический ток. Одной из основных характеристик таких структур является коэффициент умножения Q, представляющий собой отношение тока короткого замыкания структуры /к.з к току зонда /з:

L

к.з

3

Коэффициент умножения характеризует чувствительность структуры к воздействию облучения, его величина определяется количеством образовавшихся электроно-дырочных пар, распределением электрического поля в структуре и транспортными свойствами материала.

1 Расчет характеристик p-i-n a-Sii-x:Cx:H-crpyKTyp

Расчет величины Q осуществлялся с помощью численного решения транспортных уравнений для электронов и дырок:

1 ddVI

F—F = y-G

q dx « «’

1^А = Г _ v • q dx p V

J„=q ti}inF(x) + qD„&; Jp=qpvpF(x)-qDpC^.

Здесь Jn, Jp, n, p и Dn, Dp - плотности тока, концентрации и коэффициенты диффузии электронов и дырок, \хп и \хр - их подвижности; q - заряд электрона; F(x) - напряженность электрического поля; Vn и Vp -скорости рекомбинации электронов и дырок. В простейшем случае

(мономолекулярная рекомбинация) Vn = — Vp = = V, где тя и т„ -

'п F ^р F

времена жизни электронов и дырок соответственно. Для вычисления скорости генерации электроно-дырочных пар G(x) = Gn= Gp использовалось выражение:

~ qteh dx •

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

Диссипация энергии электрона

dE

dx

определялась в соответствии с

аппроксимацией, полученной в [2], где в качестве зависимости длины пробега (3-частиц R от энергии Е использовалась эмпирическая зависимость R = ЬЁ! (величины b и у зависят от плотности, зарядового и массового чисел материала преобразователя). При сравнении с экспериментальными данными в качестве подгоночного параметра

использовалась энергия образования электроно-дырочной пары 8e/*.

2 Обсуждение результатов

Результаты расчетов показывают, что зависимость Q — Q

о

р—г—п a-Sii_x:Cx:H-CTpyKTyp с шириной собственного слоя d, =5000 А имеет максимум спектральной чувствительности при энергиях Е3 = 10 кэВ, причем положение максимума не зависит от содержания углерода в пленке. Что касается величины Qmax, то она уменьшается от значений Qmax — 450 в случае собственного слоя без углерода (содержание углерода в пленке х — 0) до Qmax — 220 (x — 0,15).

Зависимости Q — Q(E) находятся в удовлетворительном соответствии с экспериментами, в ходе которых p—i—n а^ц-х:Сх:И-структуры облучались электронами с энергиями кэВ-диапазона в камере объектов растрового электронного микроскопа РЭММА-202М. Исследованные структуры изготовлялись последовательным нанесением на стеклянную

о

подложку следующих слоев: титана (толщиной /300 А/) -и+-а-

Si:H/200-400 А / - i-a-Si:C:H/5000A / - p+-a-Si:H/200-400A / - ITO/IOOOA

/.

Легированные и нелегированные слои аморфного кремния наносились методом высокочастотного разложения силана в реакторе диодной конструкции. Для получения карбидосодержащих слоев аморфного кремния в газовую смесь вводился метан. Его содержание в смеси характеризовалось параметром к — СИДСИ + SiH^, 0 = к = 0,33 и являлось контролируемым параметром. Варьирование величины к в указанных пределах вызывало изменение концентрации углерода в пленке от 0 до 0,15. Энергия падающих электронов 3 кэВ < Ез < 35 кэВ.

О том, что транспортные свойства структур отличаются незначительно, свидетельствуют энергетические зависимости коэффициента заполнения (FF) нагрузочных вольт-амперных

характеристик a-Si1-х:Cх:H-структур с разным содержанием углерода в собственном слое: к1 — 0 (х1 — 0) и к2 — 0,33 (х2 — 0,15). (Под

коэффициентом заполнения понимается величина FF = /т1/? , где Im Vm

^к.з'х.х

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

- максимальная мощность, выделяемая на нагрузке, 1кз и Vxx - ток короткого замыкания и напряжение холостого хода элемента.) Измерения показали практически неизменную форму нагрузочной характеристики с возрастанием k, в области максимума спектральной чувствительности величины FF отличаются мало и равны 0,55 и 0,49 соответственно.

Неизменность величины FF с возрастанием содержания углерода в пленке означает, что транспортные характеристики исследуемых структур практически не отличаются друг от друга. Следовательно, собирание неравновесных носителей заряда происходит из всей толщи /-слоя. Поэтому уменьшение величины параметра |Дртр (вследствие возрастания плотности локализованных состояний в щели подвижности от 0,8... 1,2-1016 до ~1017 эВ_1см”3) не влияет на величину /к 3 структур.

В практическом плане необходимо отметить, что бета-радиоактивный изотоп водорода тритий испускает электроны с энергиями, не превосходящими 18 кэВ. Излучатель электронов именно этого энергетического диапазона и моделировался в настоящей работе. Следовательно, полученные результаты позволяют осуществить расчет характеристик автономных источников, преобразующих в электрический ток энергию бета-распада таких радиоактивных изотопов, как тритий. Электроны с энергиями порядка 10 кэВ сильно поглощаются веществом, так что источники практически безопасны в радиационном отношении.

3 Заключение

Экспериментальные и теоретические исследования характеристик р-i-n а-811-х:Сх:И-структур позволили установить их эффективность в режиме преобразования энергии электронов с энергиями кэВ-диапазона в электрический ток. Это дает возможность определения характеристик автономных источников тока, в которых используются бета-радиоактивные препараты.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2