(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разработка автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой P-I-N структуры
Расположено на
Министерство образования и науки Русской Федерации
Федеральное государственное экономное образовательное
учреждение высшего проф образования
«Смоленский муниципальный институт»
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Разработка автономного источника питания на базе радиоизотопных материалов и кремниевой P-I-N структуры
студента 5 курса
физико-математического факультета
Бессарабова Ильнура Магомедовича
Смоленск 2013
Содержание
определения, обозначения и сокращения
Введение
1. Аналитический обзор современной научно-технической литературы в области разработки радиоизотопных источников питания
1.1 Инструкция
1.2 систематизация преобразователей ионизирующего излучения
1.3 исследование 2-ух ступенчатых преобразователей
1.3.1 Тепловые преобразователи
1.3.2 исследование конструкций преобразователей с косвенным преобразованием
1.4 Исследование прямого преобразования ионизирующего излучения
1.4.1 Преобразование энергии бета распада в электронную энергию с внедрением твердотельных полупроводников
1.4.2 Преобразование энергии бета распада в электронную энергию с внедрением водянистых полупроводников
1.4.3 Преобразование энергии бета распада в электронную энергию с внедрением механических устройств
1.5 Описание разных полупроводниковых материалов для бетавольтаических преобразователей
1.5.1 Кремний
1.5.2 Карбид кремния
1.5.3 Нитрид галлия
1.5.4 Алмаз
1.6 Определение областей внедрения радиоизотопных источников питания
1.7 Выводы по главе
2. Проведение патентных исследовательских работ в согласовании с ГОСТ 15.011-96
3. Обоснование выбора направления исследовательских работ по созданию радиоизотопного источника питания
4. Проведение компьютерного моделирования разных вариантов конструкций простых ячеек автономного источника питания. Выбор хорошей конструкции простой ячейки
4.1 Моделирование работы радиационно-стимулированных источников питания
4.2 Программная среда для моделирования черт кремниевых бета-стимулированных источников
4.2.1 Начальные данные для расчета
4.3 Расчет главных характеристик кремниевых бета-стимулированных источников питания
4.3.1 анализ энергии утрат электронов в полупроводниковой структуре
4.3.2 Оценка воздействия времени жизни электронов р-области
4.3.3 Оценка воздействия времени жизни дырок в i- и n- областя
4.3.3 Оценка воздействия уровня легирования слаболегированной n-области
4.3.4 Оценка эффективности структуры
4.4 Выбор хорошей конструкции простой ячейк
4.5 Выводы к главе
5. Разработка эскизной конструкторской документации простой ячейки автономного источника питания на базе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры
5.1Эскизная конструкторская документация простой ячейки автономного источника питания на базе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры представлена в отдельном документе
6. Расчет главных характеристик радиоизотопного материала. Выбор рационального по радиоактивности и геометрии радиоизотопа
6.1 анализ радиоизотопных материалов
6.1.1 Альфа источники
6.1.2 Бета источники
6.2 Расчет хорошей геометрии радиоизотопа
6.3 Выводы по главе
7. Разработка эскизной конструкторской документации на измерительный щит для проверки характеристик экспериментальных образцов автономного источника питания на базе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры
Выводы по главе
9. Составление советов по улучшению характеристик автономного источника питания
9.1 Структуры автономных источников питания
9.2 Советы по улучшению характеристик автономных источников питания
9.3 Выводы по главе
Заключение
Перечень использованных источников
Приложения
определения, обозначения и сокращения
радиоизотопный распад полупроводник радиоактивность
ПНИ — прикладная научная работа
ТЗ — техническое задание
ПГ — план график
МЭМС — микроэлектромеханические системы
РИТЭГ — радиоизотопный термоэлектрический генератор
КПД — коеффициент полезного деяния
ЭДП — электронно-дырочные пары
MOCVD — металлически-органическое хим осаждение из паровой фазы
ICP — реактивное ионно-плазменное травление
ВОИС — глобальная организация умственной принадлежности
ВАХ — вольтамперная черта
ОПЗ — область пространственного заряда
Введение
Разработка автономных источников питания со скором службы наиболее 10 лет в истинное время является острой неувязкой в развитии устройств находящихся на удалении от стационарных источников питания, либо в недоступных местах. Примером таковых устройств является: морской и галлактической техники, устройств для освоения далекого севера.
Для решения данной трудности можно применять радиоизотопные источники энергии. Срок их службы определяется периодом полураспада и может составлять 10-ки и сотки лет. Более перспективное направление преобразования ионизирующего излучения радиоизотопных источников это создание полупроводниковых бетавольтаических батарей. В мире имеются бетавольтаические батареи, основанные на p-n переходах и барьерах Шоттки в кристаллах кремния, карбида кремния, нитриде галлия, но, невзирая на богатство исследовательских работ, к истинному моменту в мире отсутствуют технологии сотворения малогабаритных радиоизотопных источников электроэнергии, мощность которых была бы достаточна для основного питания.
Из приведенного в первой главе дипломной работы анализа специальной забугорной литературы и патентных исследовательских работ следует, что в крайнее время огромное развитие получили маломощные радиационно-стимулированные источники питания на базе бета изотопов.
Создателем предложены новейшие конструкции бетавольтаических батареек, сделанных по технологии травления глубочайших вертикальных канавок и химико-динамического травления.
Разумеется, что для заслуги поставленной цели ? сотворения новейшего автономного источника питания на базе радиоизотопных материалов с конструктивно наилучшими чертами нужно решение последующих задач:
? разработка математической модели простой ячейки автономного источника питания;
? выбор рационального радиоизотопа;
? разработка конструкций простой ячейки автономного источника питания;
? разработка технологии производства автономного источника питания;
? изготовка экспериментальных образцов автономного источника питания, с напряжением холостого хода 0,3 В и током недлинного
замыкания 40 нА;
? разработка методики исследовательских работ экспериментальных образцов автономного источника питания;
? проведение исследовательских работ экспериментальных образцов автономного источника питания;
? разработка ЕСКД и ТЗ на ОКР.
1. Аналитический обзор современной научно-технической литературы в области разработки радиоизотопных источников питания
1.1 Инструкция
Радиоизотопные источники энергии — устройства различного конструктивного выполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя либо модифицирующие её в электронную энергию. Радиоизотопный источник энергии принципно различается от атомного реактора тем, что в нём употребляется не управляемая цепная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов. Устройство, генерирующее электронный ток вследствие облучения заряженными частичками, испускаемыми радиоактивным изотопом именуется радиоизотопная батарея.
В первый раз устройство для преобразования радиоактивного распада показал Генри Мозелей в 1913 г. Такие батареи могут генерировать электричество наиболее 10 лет [1].
Радиоизотопные источники электронной энергии могут произвести прорыв в микроэлектронике, используя их в микроэлектромеханических системах (МЭМС) и нанотехнологиях. Отпадет необходимость в использовании проводов и трансформаторов для новейшего поколения микроприборов. Радиоизотопные источники энергии, владеют наиболее высочайшей выходной плотностью мощности, чем хим батареи.
Радиоизотопные генераторы не зависят от критерий окружающей среды и могут работать в большенном спектре температур, давления, и под водой. Такие генераторы автономны и не нуждаются в перезарядке.
1.2 систематизация преобразователей ионизирующего излучения
Преобразователи ионизирующего излучения можно поделить на две группы — тепловые и нетермические (набросок 1).
Тип преобразователя
Тепловые
Нетермические
Косвенное преобразование
Прямое преобразование
Термоэлектрические
Термоионические
Фотогальванические батареи
Бетавольтаические батареи
Электронная энергия
Набросок 1 — Преобразователи ионизирующего излучения
В тепловых преобразователях электричество генерируется за счет различия температур. Такие преобразователи содержат в себе термоэлектрические генераторы и термоионные генераторы. Остальные преобразователи не употребляют разницу температур для генерации электро энергии, а употребляют энергию падающего излучения. Так же существует два метода преобразования. Прямое преобразование, когда электронно-дырочные пары генерируются при просвете частички через бетавольтаическую батарею.
Косвенное преобразование состоит из перевоплощения энергии распада радиолюминесцентными материалами в фотоны, которые будут преобразованы в электронную энергию фотогальваническими батареями. Это — двухступенчатое перевоплощение: радиоактивное излучение свет электронная энергия. Дальше разглядим наиболее тщательно главные типы преобразователей.
1.3 исследование 2-ух ступенчатых преобразователей
1.3.1 Тепловые преобразователи
Энергия ионизирующего излучения быть может преобразована в электронную за счет перевоплощения кинетической энергии частиц, образованных в процессе радиоактивного распада. Система, которая преобразовывает термическую энергию в электронную энергию именуется термоэлектрической системой. Эти системы основаны на эффекте Зеебека, который вызванный результатом градиента температуры меж 2-мя ветвями электронной цепи, составленной из разных проводников либо полупроводников. В качестве термоэлектрических частей в главном употребляются материалы, такие как теллурид висмута, кремний, германий.
В качестве источника тепла употребляются радиоизотопы, испускаемые им частички, преобразовываются в термическую энергию. Источник тепла связан с термоэлектрическими элементами термический изоляцией, температура жаркого спая в преобразователях может достигать 270 0С. Эффективность преобразования таковых источников энергии составляет
5 %, но при понижении размера преобразователя эффективность понижается до 0.3 — 0.5% [2]. Принципная схема радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ) показана на рисунке 2, набросок взят из работы [3].
Набросок 2 ? Принципная схема РИТЭГ
1-ые радиоизотопные термоэлектрические генераторы отыскали свое внедрения для освоения галлактического места. По массовой и объёмной энергоёмкости распад применяемых изотопов в 4-50 раз уступает делению ядер урана и плутония, и превосходит хим источники в 10-ки и сотки тыщ раз.
В 50-е годы в США (Соединённые Штаты Америки — времени без обслуживания. Результатом выполнения данной для нас программки явилось возникновение таковых источников на галлактических спутниках («Вояджер», «Галилео», «Кассини») [4,5]. В истинное время в США (Соединённые Штаты Америки — государство в Северной Америке) радиоизотопная энергетика стала самостоятельной областью энергетики, что подтверждается организацией отдела систем радиоизотопной энергии при министерстве энергетики США (Соединённые Штаты Америки — На галлактических аппаратах «Космос», собранных в СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — время меж сеансами повышали с нескольких часов сначала работы до нескольких суток в конце срока службы.
Для увеличения выходной мощности и эффективность преобразования при сокращении размера был разработан РИТЭГ, работающий на базе
PuO2-238. Получаемая плотность выходной мощности первых образцов РИТЭГ составила 104 мкВт/см3 с эффективностью преобразования 0,3%. Система РИТЭГ показана на рисунке 3 [7].
Набросок 3 — РИТЭГ на базе радиоизотопа PuO2-238
Имеющихся в истинное время РИТЭГ имеют массу недочетов. Во первых, это большенный вес, который может достигать 57,8 кг [8]. Кроме веса радиоактивного материала недочетом, является необходимость использования систем защиты от излучения и систем остывания для отвода тепла, образующегося при радиоактивном распаде. Так же РИТЭГ требуют огромного количества радиоактивных нуклидов, маленькое количество изотопов не производит довольно энергии. У миниатюризованных термоэлектрических устройств низкая надежность, связанно это с огромным количеством термоэлементов, термическим напряжением и сопротивлением контактов.
Внедрение незапятнанных бета-изотопов с энергией меньше чем 200 — 300 кэВ является относительно неопасным. Радиоизотопы трития и Ni63 не требуют томных защитных экранов. Испускаемая ими мощность при бета-распаде, недостаточна для использования их в РИТЭГ, зато они отлично подступают для использования в бетавольтаических батареях для генерации энергетической энергии. задачка электронного питания большинства схем уже решена, не решенной остается задачка питания микроэлектромеханических систем и маленьких датчиков. В связи с сиим более животрепещущей задачей является создание маленького элемента питания для внедрения его в микроэлектромеханических системах.
1.3.2 исследование конструкций преобразователей с косвенным преобразованием
Иной метод преобразования энергии радиоактивного распада в электричество является перевоплощение в два шага. В этом случае энергия радиоактивного распада (альфа — либо бета — частички) поначалу преобразуется в видимый либо легкий ультрафиолетовый диапазон излучения с внедрением люминесцентных материалов. Потом свет, исходящий от люминофора преобразовывается в электричество фотогальваническими преобразователями.
Этот способ может казаться наименее действенным чем прямое перевоплощение, но, у этого способа есть свои достоинства. Разглядим главные достоинства косвенного преобразования с внедрением радиоизотопных источников. Во-1-х, могут употребляться альфа изотопы с высочайшей энергией альфа-частиц. Альфа частички обеспечивают наиболее высшую удельную мощность (на единицу поверхности) по сопоставлению с бета-частицей. Во-2-х, радиолюминесценция не наносит повреждений материалу преобразователя.
Энергетическая эффективность для хоть какой батареи с косвенным перевоплощением зависит от того, как отлично подобранны максимумы спектральной свойства полупроводникового преобразователя к эмиссионным максимумам люминесцентного материала. свет от люминофора быть может получен:
— порошковой консистенцией содержащей радиоизотоп и люминесцентный материал;
— частицами люминофора, внедренными в сетку радиоизотопа;
— консистенцией газообразных радиоизотопов (H3 либо Kr85) с инертными газами;
— герметичной стеклянной капсулой, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором, а полость заполнена газообразным тритием;
— аэрогелем насыщенным тритием с частицами люминофора.
В работе [9] исследовалось косвенное преобразование альфа частиц. Слой люминофора оптически связан с фотоэлектрическим устройством, как показано на рисунке 4.
Набросок 4 — Схема косвенного преобразователя альфа частиц
Слои с различными поверхностными плотностями были сделаны из фосфора. Лучшая толщина слоя обязана быть примерно равна глубине проникания частиц в люминофоре, потому что толстые слои владеют самопоглощением и рассеиванием света. Для получения наибольшего КПД для альфа-источников нужны наименее плотные слои люминофора, чем для бета-источников.
Для увеличения фотонного потока от люминофора использовалась дюралевая фольга шириной около 1мм, при всем этом выходная мощность возросла на 60%. При поочередном соединении ячеек был достигнут ток недлинного замыкания 14 мкА и напряжение 2,3 В, мощность таковой батареи питания составила 21 мкВт.
Иным методом не прямого преобразования энергии альфа-частицы в электронную энергию служит разработка создателей работы [10]. Цинковый сульфид и Pm147 употреблялся как материалы люминофора и радиоизотопа. Исходная эффективность преобразования весьма стремительно понижалась с уменьшением потока фотонов, полная эффективность устройства составляла примерно 0.05%. Основной недочет данной для нас системы — это резвое скопление изъянов люминесцентного материала под действием ионизирующего излучения.
Относительно не так давно были предложены новейшие конструкции, основанные на волноводе (набросок 5). Волноводы покрыты тонкими металлическими отражающими покрытиями, осуществляются в виде волокон либо пластинок. Мысль применять волноводы пришла из солнечной
энергетики [11].
Изотоп либо раствор его содержащий испускает бета-частицы, бета-частицы попадают в люминофор, генерирую фотоны, которые отражаясь от поверхности волновода, направляются в сторону выходного окна. Радиационно-стойкое окно из боросиликатного стекла предутверждает диффузию радиоизотопа.
Набросок 5 — Схема косвенного преобразователя с внедрением волновода
Эффективность преобразования ионизирующего излучения в системах, основанных на волноводах, возрастает за счет роста интенсивности падающего светового потока на фотогальванический элемент.
Главные достоинства волноводов:
— полупроводник не подвергается ионизирующему излучению
— увеличенная эффективность преобразования за счет увеличенного светового потока;
— волноводы могут быть спроектированы для рационального преобразования бета либо альфа частиц и иметь пригодную форму для фотопреобразователя;
— фотогальванические элементы могут быть подобраны под излучающие диапазоны люминесцентных материалов;
— есть возможность соединения радиоизотопа и люминофоров;
Для миниатюризации батарей заместо газа трития прибыльно применять тритид титана. Таковая разработка просит порошкового либо тонкопленочного люминофора, осажденного на прозрачной подложке, потом быть может нанесен бесформенный кремниевый слой. Тонкопленочные люминофоры с шириной, равной пробегу бета-частиц, имеют преимущество по уменьшенному рассеиванию; они употребляются в тонкопленочных электролюминесцентных устройствах. Таковая батарея изображена на рисунке 6.
Набросок 6 — Схематическое изображение тонкопленочного преобразователя
Достоинства тонкопленочных люминофоров заключаются в последующем. Во-1-х, тонкопленочная разработка прибыльна для миниатюризации преобразователей косвенного перевоплощения. Во-2-х, люминесцентные пленки могут быть нанесены конкретно на фотогальванический элемент. В-3-х, отсутствует самопоглощение и рассеивание света.
Как уже отмечалось, излучение не ведет взаимодействие с фотопреобразователем, но выходные свойства понижаются со временем. Предпосылкой этого случит деградация люминофорного материала при облучении. В работе [12] проводились опыты скорости спада интенсивности излучения разных люминофоров со временем при облучении частичками трития, по сопоставлению с распадом самого трития. 1.4 исследование прямого преобразования ионизирующего излучения
Более обычный метод для преобразования ядерной энергии — это установить радиоактивный изотоп в конкретной близости от твердотельного полупроводника.
Бетавольтаический эффект был открыт в 1951 году прошедшего столетия [13], но в крайнее время энтузиазм к нему значительно вырос из-за перспективы внедрения в технологию МЭМС.
По принципу деяния ядерные батареи сходны с солнечными батареями, которые конвертируют энергию фотонов в электричество с той только различием, что они работают на эффекте генерации электро энергии в p-n переходе при пролёте бета-частицы. Электроны образуются за счет кинетической энергии бета-частиц, взаимодействующих в полупроводнике. Принцип работы показан на рисунке 7.
Набросок 7 — Принцип деяния бетавольтаической батареи
Бета-частица просачивается в p-n переход и, сталкиваясь с атомами, делает электронно-дырочные пары (ЭДП). часть кинетической энергии пропадает на сетке. Частичка с энергией 5 кэВ может сделать наиболее 1000 ЭДП. Сделанные электронно-дырочные пары снутри обедненной области растягиваются полем к n-типу и к p-типу соответственно.
1.4.1 Преобразование энергии бета распада в электронную энергию с внедрением твердотельных полупроводников
Раппапорт обрисовал бетавольтаический эффект в 1953 году [14]. Он изучил работу сплавного полупроводникового p-n перехода, совмещенного с источником бета-излучения Sr90/Y90, активностью в 50 мКи. Любая таковая ячейка давала 0,8 мкВт мощности при средней эффективности порядка 0,2 %.
Эффективность преобразования определяется энергией генерации электронно-дырочной пары и шириной нелегальной зоны. Энергия формирования электронно-дырочной пары описывает ток недлинного замыкания, а ширина нелегальной зоны описывает напряжение разомкнутой цепи. Эффективность преобразования определяется выражением:
(1)
где Iкз — ток недлинного замыкания; Uxx — напряжение холостого хода;
FF — форм фактор; Pв — излучаемая мощность радиоизотопом.
Общая эффективность системы зависит как от эффективности источника, так и от эффективности преобразования приемника излучения. На рисунке 8 показана на теоретическом уровне рассчитанная зависимость эффективности преобразования ионизирующего излучения от ширины нелегальной зоны полупроводника. Эффективность преобразования вырастает с шириной нелегальной зоны и может достигать значений порядка 30 % для таковых широкозонных материалов, как GaN и AlN. Эффективность источника зависит от энергии испускаемых частиц и толщины радиоизотопного слоя [15].
Набросок 8 — Теоретическая зависимость эффективности преобразования от ширины нелегальной зоны полупроводника
В 1974 году L. Olsen сделал бетавольтаическую батарейку для кардиостимуляторов на базе прометия-147 [16]. Батарейка состояла из последовательных слоев кремния и прометия-147 в составе оксида Pm2O3. Эффективность данной батарейки достигала 4 %, с выходной мощностью до 400 мкВт. Большая часть размера батарейки отводилась для экранирования осколков гамма-излучения изотопа прометия-146, которым был загрязнен Pm147.
Набросок 9 — Внутреннее устройство бетарейки
С того времени, исследования данного вопросца были ориентированы на проверку новейших радиоизотопов и полупроводниковых материалов. Данная работа не вылилась ни во что конкретное: приобретенные структуры имели ограниченные способности выходной мощности и эффективности. Улучшение эффективности — главная неувязка при разработке бетавольтаических батарей в критериях высочайшей цены материалов, сложностей технологического процесса и законов, регламентирующих внедрение радиоактивных веществ.
В крайнее время с развитием уровня технологии стали возникает новейшие сообщения о разработке новейших бетавольтаических батареях с новенькими конструкциями. Так китайские ученые дают применять систему инвертируемых пирамид, которая отлично зарекомендовала себя в солнечной энергетике [17]. Изотопный источник Ni63 был нанесен гальваническим методом на дюралевую подложку и служил в качестве источника бета частиц. Активность источника составляла 10 мКи.
Набросок 10 — структура с инвертированной пирамидой
Данная структура изображена на рисунке 10, она дозволила получить
на 5 % больший ток и наиболее высшую выходную мощность по сопоставлению с планарной конструкцией.
одной из главных обстоятельств низкой выходной мощности бетавольтаических батареек является всесторонние излучение изотопа, потому последующим шагом для роста эффективности сбора и преобразования энергии бета распада сделалось внедрение структур с развитой поверхностью.
В работе [18 19] был проведен расчет эффективности бета преобразователей на базе микроканального кремния. Показано, что наилучшее значения ток генерации добивается значений 1600 нА/см2.
Конструкции на канальном кремнии были реализованы в работах [20-24]. В работе [20] был сотворен трехмерный диодик на пористом кремнии, который состоит из сети пор, сформированных химическим анодированием. Поры были 3-х типов микропористые (<2 нм), мезопористые (2-50 нм), и макропористые (> 50 нм), таковая морфология делает весьма огромную поверхностную площадь. Тритий был избран как источник энергии. Газообразный тритий — самый подходящий из узнаваемых радиоактивных материалов и имеет низкую токсичность. Геометрия эталона дозволила прирастить КПД в 10 раз по сопоставлению с плоской конструкцией.
В работе [22-24] так же употреблялся микроканальный кремний, лишь в качестве источника электронов употреблялся Ni63 с активностью 0,5 мКи. структура показана на рисунке 11.
Набросок 11 — структура на базе микроканального кремния с изотопом Ni63
В Белоруссии ученые сделали бета батарею на базе макропористого кремния [25]. фото макропор показана на рисунке 12.
Набросок 12 — фото макропористого кремния
В приобретенные структуры производили химическое осаждение никеля из радиоактивной соли. На электроннолучевой имитации бета батарей были получены удельные мощности 0.46 нВт/см2 и 1.5 нВт/см2 для планарных и трехмерных p-n переходов соответственно.
В работе [21] предложили располагать радиоизотоп снутри полупроводниковой структуры. В качестве изотопа использовалась сера -35. Сера смешивалась с полупроводниковым селеном и встраивалась в размер полупроводниковых устройств, образовывая диодик Шоттки. Встраивание радиоизотопов в размер минимизирует утраты связанные с распространением бета-частиц. Схема бетавольтаической батареи продемонстрирована на
рисунке 13.
Набросок 13 — Схема бетавольтаической батареи со интегрированным в размер радиоизотопом
Смесь радиоактивной серы и селена помещают в резервуар глубиной 20мкм. Приобретенная батарея имела последующие характеристики: ток недлинного замыкания 752 нА; напряжение холостого хода 864 мВ. Наибольшая выходная мощность составила 76.53 нВт, а эффективность
преобразования 2,42%.
1.4.2 Преобразование энергии бета распада в электронную энергию с внедрением водянистых полупроводников
Обычно в бетавольтаических батареях употребляется жесткий полупроводниковый материал. Высокоэнергетические частички, образующиеся при радиоактивном распаде, со временем разрушают его сетку, снижая свойство работы батареи. Водянистый полупроводник дозволяет решить эту делему — у него кристаллической сетки, которая могла бы разрушаться.
По словам исследователей, подобные маленькие источники энергии могут понадобиться при разработке энергоемких микро- и даже наноустройств. В новеньком устройстве радиоактивный элемент расположен в водянистом полупроводнике. На рисунке 14 показана фото эталона. Частички, возникающие в итоге радиоактивного распада в этом материале, приводят к возникновению в полупроводнике электронного тока.
Набросок 14 — Фото бетавольтаической батарейки на базе водянистого полупроводника
В работе [26] описаны подробности технологии производства бетавольтаической батареи с внедрением водянистого полупроводника. Водянистый диодик Шоттки основан на консистенции селена и радиоактивного изотопа S35 в форме простой серы. Этот изотоп является незапятнанным бета источником со средней энергией частиц 49 кэВ и периодом полураспада 87 дней.
Устройство способно производить электронный ток силой 107,4 нА. Мощность микробатареи составила 16,2 нВт, а напряжение — 899 мВ. Удельная плотность энергии устройства на 5 порядков выше, чем у обыденных хим батарей и топливных ячеек [27], что делает его многообещающим для использования в качестве источника питания для МЭМС.
1.4.3 Преобразование энергии бета распада в электронную энергию с внедрением механических устройств
В Корнельском институте разработали элемент питания, который может работать в течение 10-ов лет [28]. Основная мысль заключается в том, что бета-частицы, испускаемые узкой плёнкой радиоактивного материала, поглощаются консолью, которая приобретает отрицательный заряд. Никелевая пластинка приобретает положительный заряд. Таковым образом, меж консолью и пленкой радиоизотопа возникает электростатическая сила. Консоль притягивается к радиоактивной плёнке, на расстояние, при котором может появиться электронный ток, уравновешивающий заряд. Так как заряд снимается, то консоль ворачивается в начальное положение и процесс повторяется. Механическая энергия быть может применена для получения электро энергии.
Над узким слоем радиоактивного изотопа Ni63 1 мКи размещается микроскопичная консоль, сделанная из меди шириной 4 мм, длиной 5 см и шириной 60 мкм. Схема устройства показана на рисунке 15. Мощность таковой батареи мала — всего несколько нВт, но срок службы элемента составляет 100 лет. Ученые считают, что как минимум в течение половины обозначенного срока батарея сумеет производить электричество.
Набросок 15 — Схема микромеханического устройства
В новейших системах консоль изготавливалась из кремниевого пьезоэлектрического стержня шириной 40 мкм и длиной от 4 мм до 8 мм.
Кроме энергоснабжения, крохотные консоли могут употребляться как отдельные изолированные детекторы. Обычно подобные приборы работают в вакууме. Но можно создать такие сенсорные датчики, которые могли быть способны обнаруживать наличие какого-то определенного газа, так как попадание газа в это устройство изменяет поток электронов меж консолью и базой, что, в свою очередь, приводит к изменениям в амплитуде колебаний. Можно также найти перепады в температуре либо давлении. на данный момент учёные делают и тестируют различные варианты детекторов и устройств для энергоснабжения, основанные конкретно на данной для нас концепции.
1.5 Описание разных полупроводниковых материалов для бетавольтаических преобразователей
1.5.1 Кремний
Индустрией выпускается огромное количество разных марок монокристаллического кремния, который употребляется для производства полупроводниковых диодов, транзисторов и интегральных микросхем. Монокристаллический кремний занимает в истинное время ведущее пространство посреди остальных полупроводниковых материалов, потому что он владеет преимуществ. Кремниевые приборы имеют малые оборотные токи, работают при завышенных температурах, допускают наиболее высочайшие удельные перегрузки, также могут работать в области пробоя р-n перехода.
Простый кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником и имеет сетку типа алмаз. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ.
На электрофизические характеристики кристаллического кремния огромное воздействие оказывают находящиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы частей III-й группы, таковых, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электрической проводимостью в кремний вводят атомы частей V-й группы, таковых, как фосфор, мышьяк, сурьма.
Современный уровень технологий дозволяет создавать кремневые пластинки поперечником 200 мм высочайшего свойства и с высочайшим временем жизни носителей заряда порядка мс, также создавать на поверхности кремния развитую поверхность. Переработанные технологические процессы разрешают достигать глубины залегания р-n переходов порядка 0,1-0,3 мкм и области пространственного заряда 4-6 мкм, что обязано обеспечивать высшую эффективность преобразования энергии.
1.5.2 Карбид кремния
Карбид кремния, является жестким веществом, состоящим из атомов кремния и углерода в равной пропорции. Данный материал владеет сразу глиняними и полупроводниковыми качествами. Карбид кремния является жестким, химически инертным, устойчивым к высочайшей температуре (> 1000 °C), окислению и действию окружающей среды веществом. Владеет высочайшей теплопроводимостью, близкой к железной.
В главном, карбид кремния употребляется в качестве полупроводникового материала в электронике. Вправду, электрические устройства, сделанные на базе карбида кремния, способны работать при наиболее больших температурах, мощности, частоте и в критериях наиболее брутальной окружающей среды, нежели сделанные на базе остальных полупроводниковых материалов (кремний, германий). Обширное внедрение электрических устройств на базе карбида кремния в транспорте обязано внести значимый вклад в сохранение окружающей среды, так как главным преимуществом карбидокремниевой электроники перед кремниевой является уменьшение энергетических утрат в электрических устройствах при переключении. Ширина нелегальной зоны 4H-SiC составляет 3.2 эВ, что обязано обеспечить низкие токи утечки и высшую эффективность преобразования.
В карбид-кремниевых устройствах существенно снижено воздействие температуры. В спектре 25 — 150°С изменение сопротивления составляет всего только 20% это весьма маленькое изменение по сопоставлению с аналогичным показателем равным 200% и даже 300% у кремниевых устройств.
Но для заслуги требуемых электрических параметров и высочайшего время жизни в SiC, нужно достигнуть высочайшей степени структурного совершенства получаемых кристаллов, время жизни носителей заряда на данный момент составляет нс.
В работе [29] разработана батарейка на базе диодика Шоттки
(набросок 16). В качестве полупроводникового материала употреблялся 4H-SiC, эталон облучался пластинкой Ni63 с активностью 0,12 мКи. Напряжение холостого хода равное 0,27 В и плотность тока недлинного замыкания 25,57 нAcм-2. Наибольшая плотность мощности на выходе составила 4,08 нВтсм-2, а эффективность преобразования составила 1,01 %.
Набросок 16 — структура 4H-SiC Диодов шоттки
1.5.3 Нитрид галлия
Нитрид галлия — бинарное неорганическое хим соединение галлия и азота. При обыденных критериях твёрдое вещество с кристаллической структурой вюрцита. Прямозонный полупроводник с широкой запрещённой зоной.
Нитрид галлия (GaN) обычно употребляется во всех приборных слоях, требующих резвого переноса носителей заряда и высочайшего напряжения пробоя. GaN употребляется как материал канала в разных полевых транзисторах, также как главный материал в AlGaN/GaN-биполярных транзисторах с гетеропереходом. Большая часть слоев для формирования омических контактов в всех устройствах содержит в себе n-легированный и p-легированный GaN.
Уровень производства подложек и слоев из нитрида галлия находится в самом начале развития. Для бетавольтаических батарей нужно наличее высокоомной области. В истинное время главный способ выкармливания структур GaN это металлически-органическое хим осаждение из паровой фазы (MOCVD) это заглавие метода выкармливания, который включает динамический поток, в каком газообразные реагенты проходят над нагретой подложкой и химически реагируют, формируя полупроводниковый слой. Этот процесс не дозволяет растить качественный и довольно толстый высокоомный слой GaN, что приводит к истощению области p-n перехода.
В работе [30] продемонстрирована батарея из нитрида галлия. Структуры GaN (набросок 17) выращивали на подложках сапфира MOCVD способом.
Набросок 17 ? структура батареи на базе GaN
Использовалась узкая пластинка никель — 63 площадью 4 х 4 мм2 с активностью 2 мКи. Исследователи установили, что их батарейка имеет довольно огромное напряжение холостого хода и добивается значения наиболее 1,62 В, а плотность тока недлинного замыкания равна 16 нАсм-2, с эффективностью преобразования 1,13 %.
1.5.4 Алмаз
Соответствующей индивидуальностью большинства алмазов является их люминесценция при облучении ультрафиолетовыми, рентгеновскими, катодными и гамма-лучами. Алмаз владеет высочайшей теплопроводимостью и обычно низкой электропроводностью, принадлежит к числу гидрофобных минералов, является одним из самых крепких материалов.
Алмаз химически стоек, не растворяется в кислотах и смесях солей; подвергается окислительному растворению в расплавах селитры, соды при доступе воздуха, паров воды, углекислого газа, оксида углерода и остальных окисляющих реагентов при температуре выше (600-700) °С; на воздухе при температуре (850-1000) °С сгорает с образованием СО2; при (1885 ± 5) °С без доступа воздуха происходит стремительная графитизация алмаза по всему
размеру [31].
наличие полупроводниковых параметров позволило применять алмаз в электрических измерительных устройствах. Внедрение алмаза в качестве материала для бетавольтаических батарей дозволяет решить трудности использования высокоэнергичных радиоизотопных источников.
Основным достоинством алмаза является его завышенная радиационная стойкость, потому сделанные преобразователи высокоэнергетических электронов не должны деградировать с течением времени. Больший энтузиазм представляет пороговая энергия электронов, достаточная для появления изъянов в алмазе, — она составляет 165-220 кэВ [32]. Ширина нелегальной зоны алмаза в 5 раз больше, чем у кремния, время от времени его даже относят к диэлектрикам. Это значит, что алмаз наиболее подходящ для преобразования энергии высокоэнергетических частиц.
Главной негативной чертой алмаза является невозможность сотворения n типа проводимости легированием при обычных критериях. Проводимость n типа проявляется лишь при больших температурах, потому что энергия активации примеси высока, а при комнатной температуре алмаз характеризуется своей проводимостью. Потому создание бетавольтаических батарей ограничивается барьерами Шоттки, которые в свою очередь владеют большенными токами утечки и малеханькой областью пространственного заряда, вследствие чего же высокоэнергичные электроны будут пролетать эту область, не успевая сгенерировать электронно-дырочные пары.
1.6 Определение областей внедрения радиоизотопных источников питания
Плотность энергии радиоизотопных батарей сравнима с литиевыми аккумами, но они владеют существенно большей длительностью работы. Радиоизотопные батареи могут употребляться в 3-х главных направлениях:
— в автономном режиме для слаботочных устройств;
— в паре с аккумом либо конденсаторов для устройств, работающих в импульсном режиме;
— в паре с хим батареей для огромных токов, выступая в качестве доп зарядного устройства, повышая тем надежность и срок использования.
Долгий срок службы и свойства делают их в особенности пригодными для последующих приложений:
— устройства, где невозможна подмена батареи;
— устройства, в каких размер является основным фактором;
— производительность в экстремальных средах (Космос).
Основным преимуществом является наличие неизменного потенциала. Очередное преимущество состоит в том, что разработка производства бетавольтаичеких батарей является масштабируемой, и источники могут быть применены для питания МЭМС устройств и датчиков с низким энергопотреблением. Эти датчики могут производить мониторинг и защиту секретных данных, хранящихся в электрическом оборудовании. Промышленные процессы нередко требуют автоматического управления датчиками, которые способны работать в грозных критериях, к примеру в нефтяном производстве.
Эффективность преобразования энергии бетавольтаичеких батарей сопровождается низким тепловыделением, потому бетавольтаичеких батареи имеют массу преимуществ по сопоставлению РИТЭГ, высочайшей эффективностью, минимальными потерями тепла, малой массой, отсутствием экранирования и нулевой энергетический шум, который важен при астрофизических исследовательских работах.
Очередное направление использования бетавольтаических батарей это медицина. Батареи могут быть внедрены в мед имплантаты для физиологического наблюдения за состоянием здоровья человека и кардиостимуляторы. Литиевые батареи нужно поменять любые 3 — 6 лет. Долговременный источник питания, может удвоить время переустановки, что предоставит тривиальные плюсы для здоровья и валютных средств. В дальнейшем, будут остальные направления в медицине, к примеру, для стимулирования искусственной нейронной системы.
В работе [33] была промоделирована работа импульсного радиационно-стимулированного источника электронного питания. Таковой источник просто сумеет выполнить питание микросхемы в импульсном режиме. У части логических микросхем, потребление энергии наименее 500 мкВт. Из этого следует, что почти все схемы могли быть разработаны, используя в качестве источника питания бетавольтаическую батарею.
1.7 Выводы по главе
В первой части приведена систематизация преобразователей и рассмотрены: термоэлектрические генераторы, альфа- и бета фотовольтаические батареи, бетавольтаические батареи и их главные конструкции. В истинное время интенсивно разрабатываются новейшие конструкции бетавольтаических батареи на разных полупроводниковых материалах. Показана история развития и механизм работы. Отмечены главные заслуги в технологии производства бетавольтаических батарей и обозначены пути предстоящего развития.
Во 2-ой части были рассмотрены разные материалы для сотворения бетавольтаических батарей. Необходимо подчеркнуть, что выбор того либо материала определяется целым комплексом требований. Это ограничения по цены, чертам материала, доступности, технологичности и т.п. С данной для нас точки зрения разработка новейших конструкций бетавольтаических батарей на кремнии представляет бесспорный Энтузиазм. Сначала они могут употребляться в качестве другой подмены подобных устройств, обеспечивая повышение срока эксплуатации.
Так же были рассмотрены многообещающие области внедрения бетавольтаических батарей на кремнии.
Отметим, что, невзирая на огромное количество исследовательских работ, к истинному моменту в мире отсутствуют технологии сотворения маленьких радиоизотопных источников электроэнергии, выходная мощность которых была бы достаточна для основного питания. В данной для нас связи многообещающим представляется создание новейших конструкций бетавольтаических батарей на кремнии. В пользу такового выбора гласит отлично отлаженная кремниевая разработка и переработанные ICP процесс и химико-динамические методы травления.
2. Проведение патентных исследовательских работ в согласовании с ГОСТ 15.011-96
В рамках первого шага ПНИ были проведены патентные исследования, целью которых являлось определение технического уровня (уровня техники) предмета исследования. В качестве методики проведения патентного поиска использовалась методика адаптивного патентного поиска, включающая:
— отбор инфы о соответствующих признаках темы исследования — главные слова и подклассы патентной систематизации;
— выбор источников инфы — муниципальные и забугорные патентные фонды, информационно-поисковые ресурсы баз данных патентных документов, мировые реферативные библиографические издания, национальные патентные бюллетени и патентные ведомства, отраслевые патентные фонды;
— поиск патентной инфы;
— оценку и отбор отысканных патентных документов.
Глубину патентного поиска составляют все размещенные патентные документы, также международные заявки, поданные во Всемирную компанию умственной принадлежности (ВОИС), и европейские патенты и заявки, размещенные на дату начала поиска (10 сентября 2014 года).
В процессе патентного поиска были выявлены и отобраны патентные документы, касающиеся исследуемых объектов, также международные заявки, поданные во Всемирную компанию умственной принадлежности (ВОИС), и европейские патенты и заявки, размещенные на дату начала поиска (10 сентября 2014 года).
В процессе проведения исследования по предмету «Разработка автономного источника питания на базе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры» был сформирован массив патентной инфы, состоящий из 150 патентных документов.
3. Обоснование выбора направления исследовательских работ по созданию радиоизотопного источника питания
сейчас для питания устройств, в каких не употребляются стационарные источники, используют литий ионные батареи и батареи. Срок службы таковых источников энергии ограничен и составляет не наиболее 5 лет, потому для сотворения новейших источников питания с долгим сроком службы нужно применять радиоизотопные источники энергии. Невзирая на богатство проделанных работ по созданию конструкций и технологий бетагальванических батарей на нынешний денек в мире отсутствуют такие батареи, которые могли бы выполнить основное электропитание электрических устройств. одной из основных задач при проектировании радиационно-стимулированных источников питания является выбор радиоизотопа, и метод преобразования испускаемой им энергии.
Главным направлением ПНИ сделалось создание новейших конструкций и топологий бетавольтаических батарей, исследование глубочайших микропор с высочайшим аспектным соотношением в кремнии и разработка наполнения микропор радиоизотопом.
Направление исследовательских работ:
аналитический обзор литературы по данной теме, включая патентный поиск;
математическое моделирование бетавольтаических батарей;
разработка конструкции и технологии производства бетавольтаических батарей на базе пористых кремниевых структур;
разработка методики измерения бетавольтаических батарей на базе пористых кремниевых структур;
измерение ВАХ бетавольтаических батарей на базе пористых кремниевых структур;
методы решения намеченных целей:
внедрение современных сред моделирования;
проектирование топологии в САПР
измерение экспериментальных данных на современном аттестованном оборудовании;
применение испытанных и надежных способов и средств измерений;
анализ приобретенных экспериментальных данных с глобальными исследовательскими работами по данной теме;
Литературный обзор показал, что на кремнии в главном использовались планарные конструкции. Но, в отличие от планарной p-i-n структуры, структура с микро каналами владеет очень развитой поверхностью, при заполнении каналов радиоизотопом возрастет эффективность преобразования, потому что 90 % излучения будет попадать в размер полупроводниковой структуры.
4. Проведение компьютерного моделирования разных вариантов конструкций простых ячеек автономного источника питания. Выбор хорошей конструкции простой ячейки
4.1 Моделирование работы радиационно-стимулированных источников питания
Моделирование чувствительности кремниевых радиационно-стимулированных источников питания проводили при помощи решения базисной системы уравнений [34].
Разглядим в простом случае способ решения уравнения непрерывности. При численном решении уравнения непрерывности в базе диффузионного транзистора начальное дифференциальное уравнение в личных производных представляется в разностной форме, другими словами нескончаемо малые дифференциалы заменяются конечными разностями. При всем этом вся область моделирования разбивается на довольно малые элементы, чтоб можно было принять линейное изменение функции в рамках 1-го элемента.
, (1)
Вследствие того, что на первом шаге решали стационарную задачку, уравнение (9) представляется в виде
. (2)
Тогда слагаемые правой части уравнения непрерывности можно представить в виде:
,
,
.
Принимая граничные условия на краях области, и задаваясь исходным распределением подвижных носителей заряда, получаем систему нелинейных уравнений. Таковым образом, заместо дифференциального уравнения в личных производных, нужно решать систему нелинейных алгебраических уравнений.
Аналогично, уравнение Пуассона также быть может представлено в разностной форме. Но для этого нужно установить связь меж концентрацией подвижных носителей заряда и потенциалом.
Уровень Ферми был введен при рассмотрении статистики ансамбля электронов при термическом равновесии [35]. Но термическое равновесие нарушается под воздействием падающего излучения либо напряжения, приложенного к p-n переходам. Для анализа этих неравновесных случаев вводится два связанных параметра квазиуровня Ферми. Квазиуровни Ферми определяются таковым образом, чтоб сохранить соотношение меж концентрациями собственных носителей и концентрациями электронов и дырок в таком же виде как для термического равновесия. При неравновесных критериях подобные уравнения можно написать, лишь если определены два квазиуровня Ферми: один для электронов и один для дырок.
; (3)
; (4)
, (5)
где Ei — свой уровень Ферми.
Расстояние меж квазиуровнями Ферми представляет собой меру отличия вольных носителей заряда от термического равновесия. При термическом равновесии это расстояние равно нулю. Квазиуровням Ферми соответствуют квазипотенциалы:
; (6)
, (7)
где — потенциал, соответственный середине нелегальной зоны
= — (Ei/q).
Отсюда концентрации электронов и дырок можно представить в виде:
; (8)
; (9)
, (10)
где nie — действенная концентрация собственных носителей заряд в полупроводнике, учитывающая эффект сужения нелегальной зоны при сильном легировании.
Если принять, что — потенциал, соответственный положению сбалансированного уровня Ферми ( = — (EF/q)), то концентрация электронов и дырок, представляется в виде:
; (11)
, (12)
где p0 и n0 — сбалансированные концентрации дырок и электронов.
Исходя из выше изложенного, уравнение Пуассона представляется в виде:
. (13)
За нуль электронного потенциала принимается положение уровня Ферми в своем кремнии. Тогда концентрации n, p (в предположении справедливости статистики Больцмана) соединены с их квазипотенциалами Ферми n, p и потенциалом последующим образом:
; (14)
; (15)
, (16)
где nie — действенная концентрация электронов.
До этого чем, приступить к представлению уравнений в разностной форме, нужно их упростить. Для того, чтоб избавиться от неизменных коэффициентов и перевести коэффициенты в спектр чисел, удачный для представления в ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач), все переменные и характеристики нормируются на коэффициенты. Имеются различные методы представления нормированных коэффициентов. Пример 1-го из таковых методов представлен в таблице 1 [36]:
Таблица 1 ? Нормировочные коэффициенты для базисной системы уравнений
Величины
Коэффициенты
Длина
Время
Электростатический потенциал
Приложенное напряжение
Диффузионный потенциал
Электронное поле
Плотность носителей заряда n, p
Концентрация примеси
Общий. электрический и дырочный ток
Скорость генерации — рекомбинации
Коэффициент диффузии носителей заряда
Подвижность носителей
Проводимость
Ёмкость/един. площади
Опосля проведения нормировки, базисной системы уравнений сиим методом базисная система уравнений в общем виде воспринимает последующий вид:
; (17)
; (18)
; (19)
; (20)
; (21)
Для представления систем уравнений, описывающих работу полупроводниковых устройств, существует несколько базисов переменных. Представленная выше базисная система уравнений записана в базисе (, n, p). В базисе (, n, p) система уравнений (17-21) представляется в виде
; (22)
; (23)
; (24)
; (25)
; (26)
. (27)
Естественным достоинством этого способа является его универсальность, другими словами возможность применять для широкого круга задач при моделировании полупроводниковых устройств.
Недочетом способа является требование огромного объёма памяти и значимые Издержки машинного времени. Потому при решении ряда определенных задач вводятся определенные упрощения.
]]>