УСТРОЙСТВО ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ПОСРЕДСТВОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ РАДИОХИМИЧЕСКОГО БЕТА-РАСПАДА С-14
DEVICE FOR GENERATING ELECTRIC CURRENT BY CONVERTING THE ENERGY OF RADIO-CHEMICAL BETA-DECAY OF C-14

Изобретение относится к маломощным, энергопреобразователям прямого преобразовании энергии радиохимического бета-распада изотопа в разность потенциалов (радиохимическую ЭДС) и предназначено для использования в качестве источника постоянного электрического тока, источника электрических зарядов в системах автономного управления и датчиках. Устройство относится к области энергетики и физики твердого тела, а именно к полупроводниковым приборам преобразования энергии.
Известно множество полупроводниковых устройств, позволяющих из потока энергии через окружающие тела и проходящего через них, извлекать ее часть и преобразовывать в энергию электрического тока и которые не имеют движущихся частей. Например, это фотоэлементы, преобразующие часть энергии светового потока, преобразователи энергии тепла в энергию термо-ЭДС. Хорошо известна способность некоторых полупроводниковых преобразователей вырабатывать электроэнергию из излучения радиоактивных материалов.
Известно устройство для преобразования энергии радиоактивного распада в электроэнергию посредством улавливания высокоэнергетических частиц и выработки за счет неупругого торможения электронно-дырочных пар полупроводниковыми пластинами и разделения их в катодной и анодной области по зарядам в условиях p-n перехода или перехода с промежутком с собственной проводимостью (US patent 6238812). Недостатками аналога являются низкий энергетический КПД.
Известен патент на гибкий бетавольтаический элемент https://findpatent.ru/patent/263/2631861.html. Изобретение относится к средствам прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры. Гибкий бета-вольтаический элемент содержит источник бета-излучения, выполнен в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, который окружен, по меньшей мере, одним прилегающим к нему полупроводниковым преобразователем. Преобразователь выполнен в виде фольги из вентильного металла (например, Ni, Nb, Zr, V), на поверхности которой, обращенной к источнику излучения, сформирован слой полупроводникового оксида упомянутого вентильного металла, пропускающий электрический ток только в одном направлении, снабженный, по меньшей мере, одним электрическим контактом, нанесенным на этот слой. Способность слоя полупроводникового оксида вентильного металла пропускать ток только в одном направлении обеспечивается либо тем, что электрический контакт, нанесенный на этот слой, выполнен в виде сплошного металлического покрытия, образующего с упомянутым полупроводниковым оксидом барьер Шоттки, либо тем, что в упомянутом слое сформирована выпрямляющая гетероструктура. Техническим результатом является возможность оптимизации весогабаритных характеристик бета-вольтаического элемента. Недостатком технического решения является низкое удельное преобразование энергии радиоизотопа вследствие самопоглощения бета-электронов.
Известен полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию (патент РФ №2452060, МПК H01L 31/04, G01H 1/00, опубл. 27.05.2012), который содержит пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и слой радиоактивного вещества на текстурированной поверхности. Текстурированная поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества сквозных каналов, имеющих форму круга, овала, прямоугольника или другую произвольную форму, а радиоактивное вещество, содержащее радионуклид никель-63, тритий или оба вместе, покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности пластины полупроводника. Недостатками такого источника являются сложная технология изготовления, требующая большого расхода дорогостоящего изотопа, а также бесполезные потери бета-излучения, большая часть которого поглощается стенками макропор, а также выходит в нерабочую область структуры.
Также известна бета-вольтаическая батарея высокой удельной мощности, состоящая из набора плоских элементов, каждый из которых состоит из трех тонких пластин из электроизоляционного материала (патент США №8487392, МПК H01L 27/14, опубл. 16.07.2013). Одна из пластин, на поверхность которой нанесен радиоактивный изотоп никель-63, фосфор-33 или прометий-147, является источником бета-излучения, на поверхность другой пластины последовательно нанесены электроды, образующие выпрямляющий и омические контакты тонкопленочного полупроводникового преобразователя, а третья пластина служит для взаимной электроизоляции соседних элементов. Для коммутации элементов в батарею используется металлизация на периферии пластин. Недостатком технического решения является сложность конструкции сборки элементов и недостаточная степень преобразования энергии радиоизотопа при его высокой стоимости.
Близким к заявляемому устройству по технической сущности является радиоизотопный элемент электрического питания с источником бета-излучения в виде фольги, содержащей изотоп никель-63, помещенной между двумя полупроводниковыми преобразователями, скоммутированными с помощью металлических контактов. Вся конструкция помещается в корпус и соединяется с внешними электрическими контактами (http://www.rusnauka.com/21_SEN_2014/Phisica/6_174557.doc.htm).
Недостатком данного технического решения является низкая удельная мощность преобразования энергии радиоизотопа и недостаточная радиационная пассивность кремния при больших активностях радиоизотопа, т.к. радиационные дефекты структуры выступают как центры рекомбинации электрон-дырочных пар.
Задачей изобретения является улучшение удельных энергетических характеристик бета-вольтаических элементов и параметров тока короткого замыкания и напряжения холостого хода и повышение радиационной стойкости используемого полупроводника.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в увеличении удельных энергетических характеристик преобразователя энергии радиохимического распада углерода-14 в электрическую энергию, используя в качестве прямого преобразователя энергии гетероструктуру карбида кремния на подложке кремния, при этом карбид кремния отличается повышенной радиационной стойкостью к образованию структурных дефектов радиационного происхождения
-6
-3
-3
Указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит полупроводниковую структуру для прямого преобразования энергии планарного (Фиг. 1) или вертикального (Фиг. 2) исполнения с p-n переходом и гетеропереходом для разделения неравновесных носителей внутренним электрическим полем. Структура включает пленку полупроводникового карбида кремния, на подложке монокристаллического кремния, причем карбид кремния характеризуется тем, что в молекулярную форму карбида кремния входит радиоизотоп углерода-14, доля радиоуглеродного изотопа С-14 в структуре пленки карбида кремния по отношению к углероду С-12 в той же структуре составляет от 10 до 10%, что оказывается выгодным в технико-экономическом отношении из-за стоимостных данных радиоизотопа. Удельное содержание радиоизотопа в чипе 1мм x 1 мм x 0.5мм составляет не более 25 x 10 %. Энергия радиоизотопа с большим периодом и достаточной активностью чисто бета-полураспада, напрямую преобразуется в электрическую энергию. Внутриструктурный радиоизотопный источник исключает эффект самопоглощения бета-электронов в области диффузионной длины, что позволяет снизить концентрацию радиоизотопа до безопасного уровня.
В одном из вариантов устройства использована структура энергопреобразователя с развитой удельной поверхностью (Фиг. 3), во- первых, для увеличения плотности энергии с единицы площади пленки карбида кремния, при этом внутренняя периферия по образующей каждой поры (например, полученная электролитическим травлением подложки кремния), n- и p-типа проводимости, а радиоизотоп С-14 в молекулах карбида кремния содержится только в n- или p-области p-n перехода в карбиде кремния. Во-вторых, поры, обладая развитой поверхностью, обеспечивают выход радиационно наведенных дефектов структуры и, следовательно, увеличивают радиационную пассивность.
В одном из вариантов устройства использована пористая структура энергопреобразователя с изотипным гетеропереходом с радиоизотопом С-14 в молекулярной форме SiC n- или p-типа проводимости на подложке кремния (например КЭФ-20 или КДБ-20 соответственно). В данной структуре неравновесные носители (вторичные электроны и дырки) разделяются внутренним полем гетероперехода (полупроводник - плупроводник). Металлизация контактных площадок выполнена к полупроводникам с разной шириной запрещенной зоны (ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,1 эВ, а карбида кремния – 2.2 эВ).
В одном из вариантов устройства использована пористая структура энергопреобразователя с анизотипным гетеропереходом с радиоизотопом С-14 в молекулярной форме SiC n- или p-типа проводимости на подложке кремния (например, КДБ-20 или КЭФ-20 соответственно). Неравновесные носители генерируются бета-электронами и разделяются внутренним полем гетероперехода и, кроме того, n-p или p-n перехода в подложке кремния. При этом структура в устройстве может иметь i-область компенсации носителей в подложке кремния, что повышает эффективность генерации и разделения носителей.
-6
-3
Устройство со структурой содержащей радиоизотоп С-14 с молекуле карбида кремния в концентрации от 10 до 10 % работает следующим образом. Бета-электроны имеют энергию выше, чем ширина запрещенной зоны сопряженных полупроводников. Данный факт приводит к генерации неравновесных носителей в полупроводниках. При этом полупроводниковые материалы могут быть n- или p-типа проводимости. Возбужденные вторичные электроны и дырки диффундируют в пределах длины свободного пробега попадая в область встроенного внутреннего поля области объемного пространственного заряда (ОПЗ) p-n перехода или гетероперехода. Внутреннее поле принуждает диффундировать электроны и дырки направленно (электроны выносятся в n-область, а дырки в р-область, выводя систему из равновесного состояния). Катодная и анодная области полупроводниковой структуры устройства имеют металлизацию/контакты, причем эти области могут иметь планарное или вертикальное исполнение (Фиг. 1, 2). Электрические выводы соединены с металлизацией известными методами. При дискретном исполнении чипов структуры электрические выводы коммутируют, чтобы обеспечить заданное значение тока и напряжению по известным законам схемотехнических решений.
Чипы структуры в дискретном (Фиг. 4) или интегральном исполнении соединяют в сборки и размещают в металлическом или пластиковом черном корпусе стандартного исполнения. Внешние выводы корпуса потребитель коммутирует по своему усмотрению под требуемые значения тока и напряжения.
Дискретные элементы чипа энергопреобразователя имеют размеры в примере конкретного исполнения 1 х 1 мм, ток короткого замыкания в зависимости от концентрации радиоизотопа С-14 от 15 до 90 нА, а напряжения холостого хода от 0,1 до 30 мВ.
Элементы устройства в интегральном/матричном исполнении имеют размеры 12 х 12 мм, количество чипов в нем 65 шт. Матрицы объединяют в сборки, которые размещают в корпусе, обеспечивающем экологическую безопасность для потребителя. Внешние выводы корпуса потребитель коммутирует по своему усмотрению под требуемые значения тока и напряжения.
-6
-3
Использование устройства содержащего полупроводниковую гетероструктуру карбида кремния на подложке монокристаллического кремния для прямого преобразования энергии реакции радиохимического распада в постоянный ток в технико-экономическом отношении оправдано, использование радиоизотопа С-14 в молекулярной форме карбида кремния с содержанием в пленке карбида кремния на уровне от 10 до 10% делает устройство с высокой удельной энергетической эффективностью и безопасным в применении для маломощных автономных энергосберегающих микросхем и микросистем. Гетероструктуру выращивают, например, методом эндотаксии на технологической установке CVD-эпитаксии. В качестве подложки использован монокристаллический кремний, в том числе с пористой поверхностью.
2,
На приведенной фиг. 1 показана гетероструктура карбида кремния с n-p переходом на подложке кремния р-типа проводимости в планарном исполнении (где условные обозначения 1 -подложка кремния обозначена p-Si, 2- пленка карбида кремния р-типа проводимости обозначена р-SiC, 3- изолирующая пленка обозначена SiO4-контактная металлизация обозначена Ме, 5- пленка карбида кремния n-типа проводимости c радиоизотопом С-14 обозначена n-SiC), а на фиг. 2 - в вертикальном исполнении. На фиг. 3 показана пленка пористого карбида кремния на кремниевой подложке. На фиг. 4 показан энергопреобразователь в дискретном исполнении рядом с панелькой для монтажа микросхем. На фиг. 5 показан энергопреобразователь в дискретном исполнении смонтированным на панели для монтажа микросхем. Набор дискретных энергопреобразователей на панели (от 8 до 64 гнезд) позволяет выполнить внешнюю коммутацию элементов потребителем под нужные значения тока и напряжения.
Элемент устройства: «Гетероструктура карбида кремния с n-p переходом на подложке кремния р-типа проводимости в планарном исполнении»