Разработка автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой P-I-N структуры

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Смоленский государственный университет»

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Разработка автономного источника питания на основе 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 Аннотация

1.2 Классификация преобразователей ионизирующего излучения

1.3 Исследование двух ступенчатых преобразователей

1.3.1 Термические 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 электрическую энергию с использованием твердотельных полупроводников

1.4.2 Преобразование энергии бета распада в электрическую энергию с использованием жидких полупроводников

1.4.3 Преобразование энергии бета распада в электрическую энергию с использованием механических устройств

1.5 Описание различных 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 применения радиоизотопных источников питания

1.7 Выводы по главе

2. Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011-96

3. Обоснование выбора направления исследований по созданию радиоизотопного источника питания

4. Проведение компьютерного моделирования различных вариантов конструкций элементарных ячеек автономного источника питания. Выбор оптимальной конструкции элементарной ячейки

4.1 Моделирование работы радиационно-стимулированных источников питания

4.2 Программная среда для моделирования характеристик кремниевых бета-стимулированных источников

4.2.1 Исходные данные для расчета

4.3 Расчет основных параметров кремниевых бета-стимулированных источников питания

4.3.1 Анализ энергии потерь электронов в полупроводниковой структуре

4.3.2 Оценка влияния времени жизни электронов р-области

4.3.3 Оценка влияния времени жизни дырок в i- и n- областя

4.3.3 Оценка влияния уровня легирования слаболегированной n-области

4.3.4 Оценка эффективности структуры

4.4 Выбор оптимальной конструкции элементарной ячейк

4.5 Выводы к главе

5. Разработка эскизной конструкторской документации элементарной ячейки автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры

5.1Эскизная конструкторская документация элементарной ячейки автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры представлена в отдельном документе

6. Расчет основных параметров радиоизотопного материала. Выбор оптимального по радиоактивности и геометрии радиоизотопа

6.1 Анализ радиоизотопных материалов

6.1.1 Альфа источники

6.1.2 Бета источники

6.2 Расчет оптимальной геометрии радиоизотопа

6.3 Выводы по главе

7. Разработка эскизной конструкторской документации на измерительный стенд для проверки параметров экспериментальных образцов автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры

Выводы по главе

9. Составление рекомендаций по улучшению параметров автономного источника питания

9.1 Структуры автономных источников питания

9.2 Рекомендации по улучшению параметров автономных источников питания

9.3 Выводы по главе

Заключение

Список 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 действия

ЭДП - электронно-дырочные пары

MOCVD - металлически-органическое химическое осаждение из паровой фазы

ICP - реактивное ионно-плазменное травление

ВОИС - всемирная организация интеллектуальной собственности

ВАХ - вольтамперная характеристика

ОПЗ - область пространственного заряда

Введение

Разработка автономных источников питания со скором службы более 10 лет в настоящее время является острой проблемой в развитии устройств находящихся на удалении от стационарных источников питания, или в труднодоступных местах. Примером таких устройств является: морской и космической техники, приборов для освоения дальнего севера.

Для решения данной проблемы можно использовать радиоизотопные источники энергии. Срок их службы определяется периодом полураспада и может составлять десятки и сотни лет. Наиболее 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, однако, несмотря на обилие исследований, к настоящему моменту в мире отсутствуют технологии создания компактных радиоизотопных источников электроэнергии, мощность которых была бы достаточна для основного питания.

Из приведенного в первой главе дипломной работы анализа специальной зарубежной литературы и патентных исследований следует, что в последнее время большое развитие получили маломощные радиационно-стимулированные источники питания на основе бета изотопов.

Автором предложены новые конструкции бетавольтаических батареек, созданных по технологии травления глубоких вертикальных канавок и химико-динамического травления.

Очевидно, что для достижения поставленной цели ? создания нового автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов с радикально лучшими характеристиками необходимо решение следующих задач:

? разработка математической модели элементарной ячейки автономного источника питания;

? выбор оптимального радиоизотопа;

? разработка конструкций элементарной ячейки автономного источника питания;

? разработка технологии изготовления автономного источника питания;

? изготовление экспериментальных образцов автономного источника питания, с напряжением холостого хода 0,3 В и током короткого
замыкания 40 нА;

? разработка методики исследований экспериментальных образцов автономного источника питания;

? проведение исследований 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 Аннотация

Радиоизотопные источники энергии -- устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электрическую энергию. Радиоизотопный источник энергии принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нём используется не управляемая цепная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов. Устройство, генерирующее электрический ток вследствие облучения заряженными частицами, испускаемыми радиоактивным изотопом называется радиоизотопная батарея.

Впервые устройство для преобразования радиоактивного распада продемонстрировал Генри Мозелей в 1913 г. Такие батареи могут генерировать электричество более 10 лет [1].

Радиоизотопные источники электрической энергии могут произвести прорыв в микроэлектронике, используя их в микроэлектромеханических системах (МЭМС) и нанотехнологиях. Отпадет необходимость в использовании проводов и трансформаторов для нового поколения микроприборов. Радиоизотопные источники энергии, обладают более высокой выходной плотностью мощности, чем химические батареи.

Радиоизотопные генераторы не зависят от условий окружающей среды и могут работать в большом диапазоне температур, давления, и под водой. Такие генераторы автономны и не нуждаются в перезарядке.

1.2 Классификация преобразователей ионизирующего излучения

Преобразователи ионизирующего излучения можно разделить на две группы - термические и нетермические (рисунок 1).

Тип преобразователя
Термические		Нетермические
		Косвенное преобразование		Прямое преобразование
Термоэлектрические		Термоионические		Фотогальванические батареи		Бетавольтаические батареи
Электрическая энергия

Рисунок 1 - Преобразователи ионизирующего излучения

В термических преобразователях электричество генерируется за счет разницы температур. Такие преобразователи включают в себя термоэлектрические генераторы и термоионные генераторы. Другие преобразователи не используют разницу температур для генерации электричества, а используют энергию падающего излучения. Так же существует два способа преобразования. Прямое преобразование, когда электронно-дырочные пары генерируются при пролете частицы через бетавольтаическую батарею.

Косвенное преобразование состоит из превращения энергии распада радиолюминесцентными материалами в фотоны, которые будут преобразованы в электрическую энергию фотогальваническими батареями. Это - двухступенчатое превращение: радиоактивное излучение свет электрическая энергия. Далее рассмотрим более подробно основные типы преобразователей.

1.3 Исследование двух ступенчатых преобразователей

1.3.1 Термические преобразователи

Энергия ионизирующего излучения может быть преобразована в электрическую за счет превращения кинетической энергии частиц, образованных в процессе радиоактивного распада. Система, которая преобразовывает тепловую энергию в электрическую энергию называется термоэлектрической системой. Эти системы основаны на эффекте Зеебека, который вызванный результатом градиента температуры между двумя ветвями электрической цепи, составленной из различных проводников или полупроводников. В качестве термоэлектрических элементов в основном используются материалы, такие как теллурид висмута, кремний, германий.

В качестве источника тепла используются радиоизотопы, испускаемые им частицы, преобразовываются в тепловую энергию. Источник тепла связан с термоэлектрическими элементами тепловой изоляцией, температура горячего спая в преобразователях может достигать 270 0С. Эффективность преобразования таких источников энергии составляет
5 %, однако при снижении объема преобразователя эффективность снижается до 0.3 - 0.5% [2]. Принципиальная схема радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ) показана на рисунке 2, рисунок взят из работы [3].



Рисунок 2 ? Принципиальная схема РИТЭГ

Первые радиоизотопные термоэлектрические генераторы нашли свое применения для освоения космического пространства. По массовой и объёмной энергоёмкости распад используемых изотопов в 4-50 раз уступает делению ядер урана и плутония, и превосходит химические источники в десятки и сотни тысяч раз.

В 50-е годы в США разрабатывался автономный источник энергии, который можно использовать в удаленных местах в течение долгого промежутка времени без обслуживания. Результатом выполнения этой программы явилось появление таких источников на космических спутниках («Вояджер», «Галилео», «Кассини») [4,5]. В настоящее время в США радиоизотопная энергетика стала самостоятельной областью энергетики, что подтверждается организацией отдела систем радиоизотопной энергии при министерстве энергетики США.

На космических аппаратах «Космос», собранных в СССР, использовались радиоизотопные генераторы на основе полония [6]. С падением мощности производимой радиоизотопом время между сеансами увеличивали с нескольких часов в начале работы до нескольких суток в конце срока службы.

Для повышения выходной мощности и эффективность преобразования при сокращении объема был разработан РИТЭГ, работающий на основе
PuO2-238. Получаемая плотность выходной мощности первых образцов РИТЭГ составила 104 мкВт/см3 с эффективностью преобразования 0,3%. Конструкция РИТЭГ показана на рисунке 3 [7].

Рисунок 3 - РИТЭГ на основе радиоизотопа PuO2-238

Существующих в настоящее время РИТЭГ имеют массу недостатков. Во первых, это большой вес, который может достигать 57,8 кг [8]. Помимо веса радиоактивного материала недостатком, является необходимость использования систем защиты от излучения и систем охлаждения для отвода тепла, образующегося при радиоактивном распаде. Так же РИТЭГ требуют большого количества радиоактивных нуклидов, малое количество изотопов не производит достаточно энергии. У миниатюризованных термоэлектрических приборов низкая надежность, связанно это с большим количеством термоэлементов, тепловым напряжением и сопротивлением контактов.

Использование чистых бета-изотопов с энергией меньше чем 200 - 300 кэВ является относительно безопасным. Радиоизотопы трития и Ni63 не требуют тяжелых защитных экранов. Испускаемая ими мощность при бета-распаде, недостаточна для использования их в РИТЭГ, зато они хорошо подходят для использования в бетавольтаических батареях для генерации энергетической энергии. Задача электрического питания большинства схем уже решена, не решенной остается задача питания микроэлектромеханических систем и миниатюрных датчиков. В связи с этим наиболее актуальной задачей является создание миниатюрного элемента питания для применения его в микроэлектромеханических системах.

1.3.2 Исследование конструкций преобразователей с косвенным преобразованием

Другой способ преобразования энергии радиоактивного распада в электричество является превращение в два этапа. В этом случае энергия радиоактивного распада (альфа - или бета - частицы) сначала преобразуется в видимый или легкий ультрафиолетовый спектр излучения с использованием люминесцентных материалов. Затем свет, исходящий от люминофора преобразовывается в электричество фотогальваническими преобразователями.

Этот метод может казаться менее эффективным чем прямое превращение, однако, у этого метода есть свои преимущества. Рассмотрим основные преимущества косвенного преобразования с использованием радиоизотопных источников. Во-первых, могут использоваться альфа изотопы с высокой энергией альфа-частиц. Альфа частицы обеспечивают более высокую удельную мощность (на единицу поверхности) по сравнению с бета-частицей. Во-вторых, радиолюминесценция не наносит повреждений материалу преобразователя.

Энергетическая эффективность для любой батареи с косвенным превращением зависит от того, как хорошо подобранны максимумы спектральной характеристики полупроводникового преобразователя к эмиссионным максимумам люминесцентного материала. Свет от люминофора может быть получен:

- порошковой смесью содержащей радиоизотоп и люминесцентный материал;

- частичками люминофора, внедренными в решетку радиоизотопа;

- смесью газообразных радиоизотопов (H3 или Kr85) с инертными газами;

- герметичной стеклянной капсулой, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором, а полость заполнена газообразным тритием;

- аэрогелем насыщенным тритием с частичками люминофора.

В работе [9] исследовалось косвенное преобразование альфа частиц. Слой люминофора оптически связан с фотоэлектрическим устройством, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема косвенного преобразователя альфа частиц

Слои с разными поверхностными плотностями были изготовлены из фосфора. Оптимальная толщина слоя должна быть приблизительно равна глубине проникновения частиц в люминофоре, так как толстые слои обладают самопоглощением и рассеиванием света. Для получения максимального КПД для альфа-источников необходимы менее плотные слои люминофора, чем для бета-источников.

Для повышения фотонного потока от люминофора использовалась алюминиевая фольга толщиной около 1мм, при этом выходная мощность увеличилась на 60%. При последовательном соединении ячеек был достигнут ток короткого замыкания 14 мкА и напряжение 2,3 В, мощность такой батареи питания составила 21 мкВт.

Другим способом не прямого преобразования энергии альфа-частицы в электрическую энергию служит разработка авторов работы [10]. Цинковый сульфид и Pm147 использовался как материалы люминофора и радиоизотопа. Начальная эффективность преобразования очень быстро снижалась с уменьшением потока фотонов, полная эффективность прибора составляла приблизительно 0.05%. Главный недостаток этой системы - это быстрое накопление дефектов люминесцентного материала под действием ионизирующего излучения.

Относительно недавно были предложены новые конструкции, основанные на волноводе (рисунок 5). Волноводы покрыты тонкими металлическими отражающими покрытиями, осуществляются в виде волокон или пластин. Идея использовать волноводы пришла из солнечной
энергетики [11].

Изотоп или раствор его содержащий испускает бета-частицы, бета-частицы проникают в люминофор, генерирую фотоны, которые отражаясь от поверхности волновода, направляются в сторону выходного окна. Радиационно-стойкое окно из боросиликатного стекла предотвращает диффузию радиоизотопа.

Рисунок 5 - Схема косвенного преобразователя с использованием волновода

Эффективность преобразования ионизирующего излучения в системах, основанных на волноводах, увеличивается за счет увеличения интенсивности падающего светового потока на фотогальванический элемент.

Основные преимущества волноводов:

- полупроводник не подвергается ионизирующему излучению

- увеличенная эффективность преобразования за счет увеличенного светового потока;

- волноводы могут быть спроектированы для оптимального преобразования бета или альфа частиц и иметь подходящую форму для фотопреобразователя;

- фотогальванические элементы могут быть подобраны под излучающие спектры люминесцентных материалов;

- есть возможность соединения радиоизотопа и люминофоров;

Для миниатюризации батарей вместо газа трития выгодно использовать тритид титана. Такая технология требует порошкового или тонкопленочного люминофора, осажденного на прозрачной подложке, затем может быть нанесен аморфный кремниевый слой. Тонкопленочные люминофоры с толщиной, равной пробегу бета-частиц, имеют преимущество по уменьшенному рассеиванию; они используются в тонкопленочных электролюминесцентных приборах. Такая батарея изображена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схематическое изображение тонкопленочного преобразователя

Преимущества тонкопленочных люминофоров заключаются в следующем. Во-первых, тонкопленочная технология выгодна для миниатюризации преобразователей косвенного превращения. Во-вторых, люминесцентные пленки могут быть нанесены непосредственно на фотогальванический элемент. В-третьих, отсутствует самопоглощение и рассеивание света.

Как уже отмечалось, излучение не взаимодействует с фотопреобразователем, однако выходные характеристики снижаются с течением времени. Причиной этого случит деградация люминофорного материала при облучении. В работе [12] проводились эксперименты скорости спада интенсивности излучения различных люминофоров со временем при облучении частицами трития, по сравнению с распадом самого трития. Эксперимент показал, что спад яркости как минимум в два раза быстрее, чем спад активности трития. Альфа-изотопы с более высокой энергией оказывают еще более быстрый спад интенсивности люминофора.

1.4 Исследование прямого преобразования ионизирующего излучения

Наиболее простой способ для преобразования ядерной энергии - это установить радиоактивный изотоп в непосредственной близости от твердотельного полупроводника.

Бетавольтаический эффект был открыт в 1951 году прошлого столетия [13], но в последнее время интерес к нему существенно вырос по причине перспективы внедрения в технологию МЭМС.

По принципу действия ядерные батареи сходны с солнечными батареями, которые преобразуют энергию фотонов в электричество с той лишь разницей, что они работают на эффекте генерации электричества 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.

Рисунок 7 - Принцип действия бетавольтаической батареи

Бета-частица проникает в p-n переход и, сталкиваясь с атомами, создает электронно-дырочные пары (ЭДП). Часть кинетической энергии теряется на решетке. Частица с энергией 5 кэВ может создать более 1000 ЭДП. Созданные электронно-дырочные пары внутри обедненной области растягиваются полем к n-типу и к p-типу соответственно.

1.4.1 Преобразование энергии бета распада в электрическую энергию с использованием твердотельных полупроводников

Раппапорт описал бетавольтаический эффект в 1953 году [14]. Он исследовал работу сплавного полупроводникового p-n перехода, совмещенного с источником бета-излучения Sr90/Y90, активностью в 50 мКи. Каждая такая ячейка давала 0,8 мкВт мощности при средней эффективности порядка 0,2 %.

Эффективность преобразования определяется энергией генерации электронно-дырочной пары и шириной запрещенной зоны. Энергия формирования электронно-дырочной пары определяет ток короткого замыкания, а ширина запрещенной зоны определяет напряжение разомкнутой цепи. Эффективность преобразования определяется выражением:

(1)

где Iкз - ток короткого 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 теоретически рассчитанная зависимость эффективности преобразования ионизирующего излучения от ширины запрещенной зоны полупроводника. Эффективность преобразования растет с шириной запрещенной зоны и может достигать значений порядка 30 % для таких широкозонных материалов, как GaN и AlN. Эффективность источника зависит от энергии испускаемых частиц и толщины радиоизотопного слоя [15].

Рисунок 8 - Теоретическая зависимость эффективности преобразования от ширины запрещенной зоны полупроводника

В 1974 году L. Olsen создал бетавольтаическую батарейку для кардиостимуляторов на основе прометия-147 [16]. Батарейка состояла из поочередных слоев кремния и прометия-147 в составе оксида Pm2O3. Эффективность данной батарейки достигала 4 %, с выходной мощностью до 400 мкВт. Большая часть объема батарейки отводилась для экранирования осколков гамма-излучения изотопа прометия-146, которым был загрязнен Pm147.

Рисунок 9 - Внутреннее устройство бетарейки

С тех пор, исследования данного вопроса были направлены на проверку новых радиоизотопов и полупроводниковых материалов. Данная работа не вылилась ни во что конкретное: полученные структуры имели ограниченные возможности выходной мощности и эффективности. Улучшение эффективности - ключевая проблема при создании бетавольтаических батарей в условиях высокой стоимости материалов, сложностей технологического процесса и законов, регламентирующих использование радиоактивных веществ.

В последнее время с развитием уровня технологии стали появляется новые сообщения о создании новых бетавольтаических батареях с новыми конструкциями. Так китайские ученые предлагают использовать конструкцию инвертируемых пирамид, которая хорошо зарекомендовала себя в солнечной энергетике [17]. Изотопный источник Ni63 был нанесен гальваническим способом на алюминиевую подложку и служил в качестве источника бета частиц. Активность источника составляла 10 мКи.

Рисунок 10 - Структура с инвертированной пирамидой

Данная структура изображена на рисунке 10, она позволила получить
на 5 % больший ток и более высокую выходную мощность по сравнению с планарной конструкцией.

Одной из основных причин низкой выходной мощности бетавольтаических батареек является всесторонние излучение изотопа, поэтому следующим шагом для увеличения эффективности сбора и преобразования энергии бета распада стало использование структур с развитой поверхностью.

В работе [18 19] был проведен расчет эффективности бета преобразователей на основе микроканального кремния. Показано, что оптимальное значение ширины микроканала лежит в районе 3 мкм, а расстояние между каналами, 10-12 мкм, при таких значения ток генерации достигает значений 1600 нА/см2.

Конструкции на канальном кремнии были реализованы в работах [20-24]. В работе [20] был создан трехмерный диод на пористом кремнии, который состоит из сети пор, сформированных электрохимическим анодированием. Поры были трех типов микропористые (<2 нм), мезопористые (2-50 нм), и макропористые (> 50 нм), такая морфология создает очень большую поверхностную площадь. Тритий был выбран как источник энергии. Газообразный тритий - самый благоприятный из известных радиоактивных материалов и имеет низкую токсичность. Геометрия образца позволила увеличить КПД в десять раз по сравнению с плоской конструкцией.

В работе [22-24] так же использовался микроканальный кремний, только в качестве источника электронов использовался Ni63 с активностью 0,5 мКи. Структура показана на рисунке 11.

Рисунок 11 - Структура на основе микроканального кремния с изотопом Ni63

В Белоруссии ученые создали бета батарею на основе макропористого кремния [25]. Фотография макропор показана на рисунке 12.



Рисунок 12 - Фотография макропористого кремния

В полученные структуры производили электрохимическое 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 размещать радиоизотоп внутри полупроводниковой структуры. В качестве изотопа использовалась сера -35. Сера смешивалась с полупроводниковым селеном и встраивалась в объем полупроводниковых устройств, образовывая диод Шоттки. Встраивание радиоизотопов в объем минимизирует потери связанные с распространением бета-частиц. Схема бетавольтаической батареи продемонстрирована на
рисунке 13.

Рисунок 13 - Схема бетавольтаической батареи со встроенным в объем радиоизотопом

Смесь радиоактивной серы и селена помещают в резервуар глубиной 20мкм. Полученная батарея имела следующие параметры: ток короткого замыкания 752 нА; напряжение холостого хода 864 мВ. Максимальная выходная мощность составила 76.53 нВт, а эффективность
преобразования 2,42%.

1.4.2 Преобразование энергии бета распада в электрическую энергию с использованием жидких полупроводников

Традиционно в бетавольтаических батареях используется твердый полупроводниковый материал. Высокоэнергетические частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, со временем разрушают его решетку, снижая качество работы батареи. Жидкий полупроводник позволяет решить эту проблему - у него кристаллической решетки, которая могла бы разрушаться.

По словам исследователей, подобные миниатюрные источники энергии могут пригодиться при создании энергоемких микро- и даже наноустройств. В новом устройстве радиоактивный элемент размещен в жидком полупроводнике. На рисунке 14 показана фотография образца. Частицы, возникающие в результате радиоактивного распада в этом материале, приводят к появлению в полупроводнике электрического тока.

Рисунок 14 - Фотография бетавольтаической батарейки на основе жидкого полупроводника

В работе [26] описаны подробности технологии изготовления бетавольтаической батареи с использованием жидкого полупроводника. Жидкий диод Шоттки основан на смеси селена и радиоактивного изотопа S35 в форме элементарной серы. Этот изотоп является чистым бета источником со средней энергией частиц 49 кэВ и периодом полураспада 87 дней.

Устройство способно вырабатывать электрический 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 обычных химических батарей и топливных ячеек [27], что делает его перспективным для использования в качестве источника питания для МЭМС.

1.4.3 Преобразование энергии бета распада в электрическую энергию с использованием механических устройств

В Корнельском университете разработали элемент питания, который может работать в течение десятков лет [28]. Основная идея состоит в том, что бета-частицы, испускаемые тонкой плёнкой радиоактивного материала, поглощаются консолью, которая приобретает отрицательный заряд. Никелевая пластина приобретает положительный заряд. Таким образом, между консолью и пленкой радиоизотопа возникает электростатическая сила. Консоль притягивается к радиоактивной плёнке, на расстояние, при котором может возникнуть электрический ток, уравновешивающий заряд. Поскольку заряд снимается, то консоль возвращается в исходное положение и процесс повторяется. Механическая энергия может быть использована для получения электричества.

Над тонким слоем радиоактивного изотопа Ni63 1 мКи располагается микроскопическая консоль, изготовленная из меди шириной 4 мм, длиной 5 см и толщиной 60 мкм. Схема устройства показана на рисунке 15. Мощность такой батареи мала - всего несколько нВт, однако срок службы элемента составляет 100 лет. Ученые полагают, что как минимум в течение половины указанного срока батарея сможет вырабатывать электричество.

Рисунок 15 - Схема микромеханического устройства

В новых конструкциях консоль изготавливалась из кремниевого пьезоэлектрического стержня толщиной 40 мкм и длиной от 4 мм до 8 мм.

Помимо энергоснабжения, крошечные консоли могут использоваться как отдельные изолированные сенсоры. Обычно подобные приборы работают в вакууме. Однако можно разработать такие сенсорные датчики, которые были бы способны обнаруживать наличие какого-то конкретного газа, поскольку попадание газа в это устройство изменяет поток электронов между консолью и базой, что, в свою очередь, приводит к изменениям в амплитуде колебаний. Можно также обнаружить перепады в температуре или давлении. Сейчас учёные создают и тестируют всевозможные варианты сенсоров и приборов для энергоснабжения, основанные именно на этой концепции.

1.5 Описание различных полупроводниковых материалов для бетавольтаических преобразователей

1.5.1 Кремний

Промышленностью выпускается большое количество различных марок монокристаллического кремния, который используется для изготовления полупроводниковых диодов, транзисторов и интегральных микросхем. Монокристаллический кремний занимает в настоящее время ведущее место среди других полупроводниковых материалов, так как он обладает рядом преимуществ. Кремниевые приборы имеют малые обратные токи, работают при повышенных температурах, допускают более высокие удельные нагрузки, а также могут работать в области пробоя р-n перехода.

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником и имеет решетку типа алмаз. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ.

На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нём примеси. Для получения кристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят атомы элементов III-й группы, таких, как бор, алюминий, галлий, индий. Для получения кристаллов кремния с электронной проводимостью в кремний вводят атомы элементов V-й группы, таких, как фосфор, мышьяк, сурьма.

Современный уровень технологий позволяет производить кремневые пластины диаметром 200 мм высокого качества и с высоким временем жизни носителей заряда порядка мс, а также создавать на поверхности кремния развитую поверхность. Отработанные технологические процессы позволяют достигать глубины залегания р-n переходов порядка 0,1-0,3 мкм и области пространственного заряда 4-6 мкм, что должно обеспечивать высокую эффективность преобразования энергии.

1.5.2 Карбид кремния

Карбид кремния, является твердым веществом, состоящим из атомов кремния и углерода в равной пропорции. Данный материал обладает одновременно керамическими и полупроводниковыми свойствами. Карбид кремния является твердым, химически инертным, устойчивым к высокой температуре (> 1000 °C), окислению и воздействию окружающей среды веществом. Обладает высокой теплопроводностью, близкой к металлической.

В основном, карбид кремния используется в качестве полупроводникового материала в электронике. Действительно, электронные устройства, изготовленные на основе карбида кремния, способны работать при более высоких температурах, мощности, частоте и в условиях более агрессивной окружающей среды, нежели изготовленные на основе других полупроводниковых материалов (кремний, германий). Широкое использование электронных приборов на основе карбида кремния в транспорте должно внести существенный вклад в сохранение окружающей среды, поскольку основным преимуществом карбидокремниевой электроники перед кремниевой является уменьшение энергетических потерь в электронных приборах при переключении. Ширина запрещенной зоны 4H-SiC составляет 3.2 эВ, что должно обеспечить низкие токи утечки и высокую эффективность преобразования.

В карбид-кремниевых приборах значительно снижено влияние температуры. В диапазоне 25 - 150°С изменение сопротивления составляет всего лишь 20% это очень малое изменение по сравнению с аналогичным показателем равным 200% и даже 300% у кремниевых приборов.

Однако для достижения требуемых электронных свойств и высокого время жизни в SiC, необходимо добиться высокой степени структурного совершенства получаемых кристаллов, время жизни носителей заряда сейчас составляет нс.

В работе [29] разработана батарейка на основе диода Шоттки
(рисунок 16). В качестве полупроводникового материала использовался 4H-SiC, образец облучался пластинкой Ni63 с активностью 0,12 мКи. Напряжение холостого хода равное 0,27 В и плотность тока короткого замыкания 25,57 нAcм-2. Максимальная плотность мощности на выходе составила 4,08 нВтсм-2, а эффективность преобразования составила 1,01 %.

Рисунок 16 - Структура 4H-SiC Диодов шоттки

1.5.3 Нитрид галлия

Нитрид галлия -- бинарное неорганическое химическое соединение галлия и азота. При обычных условиях твёрдое вещество с кристаллической структурой вюрцита. Прямозонный полупроводник с широкой запрещённой зоной.

Нитрид галлия (GaN) обычно используется во всех приборных слоях, требующих быстрого переноса носителей заряда и высокого напряжения пробоя. GaN используется как материал канала в различных полевых транзисторах, а также как основной материал в AlGaN/GaN-биполярных транзисторах с гетеропереходом. Большинство слоев для формирования омических контактов в любых приборах включает в себя n-легированный и p-легированный GaN.

Уровень производства подложек и слоев из нитрида галлия находится в самом начале развития. Для бетавольтаических батарей необходимо наличее высокоомной области. В настоящее время основной метод выращивания структур GaN это металлически-органическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) это название способа выращивания, который включает динамический поток, в котором газообразные реагенты проходят над нагретой подложкой и химически реагируют, формируя полупроводниковый слой. Этот процесс не позволяет выращивать высококачественный и достаточно толстый высокоомный слой GaN, что приводит к истощению области p-n перехода.

В работе [30] продемонстрирована батарея из нитрида галлия. Структуры GaN (рисунок 17) выращивали на подложках сапфира MOCVD методом.

Рисунок 17 ? Структура батареи на основе GaN

Использовалась тонкая пластинка никель - 63 площадью 4 х 4 мм2 с активностью 2 мКи. Исследователи установили, что их батарейка имеет достаточно большое напряжение холостого хода и достигает значения более 1,62 В, а плотность тока короткого замыкания равна 16 нАсм-2, с эффективностью преобразования 1,13 %.

1.5.4 Алмаз

Характерной особенностью большинства алмазов является их люминесценция при облучении ультрафиолетовыми, рентгеновскими, катодными и гамма-лучами. Алмаз обладает высокой теплопроводностью и обычно низкой электропроводностью, принадлежит к числу гидрофобных минералов, является одним из самых прочных материалов.

Алмаз химически стоек, не растворяется в кислотах и растворах солей; подвергается окислительному растворению в расплавах селитры, соды при доступе воздуха, паров воды, углекислого газа, оксида углерода и других окисляющих реагентов при температуре свыше (600-700) °С; на воздухе при температуре (850-1000) °С сгорает с образованием СО2; при (1885 ± 5) °С без доступа воздуха происходит быстрая графитизация алмаза по всему
объему [31].

Наличие полупроводниковых свойств позволило использовать алмаз в электронных измерительных приборах. Использование алмаза в качестве материала для бетавольтаических батарей позволяет решить проблемы использования высокоэнергичных радиоизотопных источников.

Главным достоинством алмаза является его повышенная радиационная стойкость, поэтому созданные преобразователи высокоэнергетических электронов не должны деградировать с течением времени. Наибольший интерес представляет пороговая энергия электронов, достаточная для возникновения дефектов в алмазе, - она составляет 165-220 кэВ [32]. Ширина запрещенной зоны алмаза в 5 раз больше, чем у кремния, иногда его даже относят к диэлектрикам. Это означает, что алмаз более пригоден для преобразования энергии высокоэнергетических частиц.

Главной отрицательной стороной алмаза является невозможность создания n типа проводимости легированием при нормальных условиях. Проводимость n типа проявляется только при высоких температурах, так как энергия активации примеси высока, а при комнатной температуре алмаз характеризуется собственной проводимостью. Поэтому создание бетавольтаических батарей ограничивается барьерами Шоттки, которые в свою очередь обладают большими токами утечки и маленькой областью пространственного заряда, вследствие чего высокоэнергичные электроны будут пролетать эту область, не успевая сгенерировать электронно-дырочные пары.

1.6 Определение областей применения радиоизотопных источников питания

Плотность энергии радиоизотопных батарей сопоставима с литиевыми аккумуляторами, однако они обладают значительно большей продолжительностью работы. Радиоизотопные батареи могут использоваться в трех основных направлениях:

- в автономном режиме для слаботочных приборов;

- в паре с аккумулятором или конденсаторов для приборов, работающих в импульсном режиме;

- в паре с химической батареей для больших токов, выступая в качестве дополнительного зарядного устройства, повышая тем самым надежность и срок использования.

Длительный срок службы и характеристики делают их особенно подходящими для следующих приложений:

- устройства, где невозможна замена батареи;

- устройства, в которых размер является главным фактором;

- производительность в экстремальных средах (космос).

Главным преимуществом является наличие постоянного потенциала. Еще одно преимущество заключается в том, что технология изготовления бетавольтаичеких батарей является масштабируемой, и источники могут быть использованы для питания МЭМС устройств и датчиков с низким энергопотреблением. Эти датчики могут осуществлять мониторинг и защиту конфиденциальных данных, хранящихся в электронном оборудовании. Промышленные процессы часто требуют автоматического управления датчиками, которые способны работать в суровых условиях, например в нефтяном производстве.

Эффективность преобразования энергии бетавольтаичеких батарей сопровождается низким тепловыделением, поэтому бетавольтаичеких батареи имеют массу преимуществ по сравнению РИТЭГ, высокой эффективностью, минимальными потерями тепла, малой массой, отсутствием экранирования и нулевой энергетический шум, который важен при астрофизических исследованиях.

Еще одно направление использования бетавольтаических батарей это медицина. Батареи могут быть внедрены в медицинские имплантаты для физиологического наблюдения за состоянием здоровья человека и кардиостимуляторы. Литиевые батареи необходимо менять каждые 3 - 6 лет. Долговечный источник питания, может удвоить время переустановки, что предоставит очевидные плюсы для здоровья и денежных средств. В будущем, будут другие направления в медицине, например, для стимулирования искусственной нейронной системы.

В работе [33] была промоделирована работа импульсного радиационно-стимулированного источника электрического питания. Такой источник легко сможет осуществить питание микросхемы в импульсном режиме. У части логических микросхем, потребление энергии менее 500 мкВт. Из этого следует, что многие схемы могли быть разработаны, используя в качестве источника питания бетавольтаическую батарею.

1.7 Выводы по главе

В первой части приведена классификация преобразователей и рассмотрены: термоэлектрические генераторы, альфа- и бета фотовольтаические батареи, бетавольтаические батареи и их основные конструкции. В настоящее время активно разрабатываются новые конструкции бетавольтаических батареи на различных полупроводниковых материалах. Показана история развития и принцип работы. Отмечены основные достижения в технологии изготовления бетавольтаических батарей и обозначены пути дальнейшего развития.

Во второй части были рассмотрены различные материалы для создания бетавольтаических батарей. Следует отметить, что выбор того или материала определяется целым комплексом требований. Это ограничения по стоимости, характеристикам материала, доступности, технологичности и т.п. С этой точки зрения разработка новых конструкций бетавольтаических батарей на кремнии представляет несомненный интерес. В первую очередь они могут использоваться в качестве альтернативной замены аналогичных приборов, обеспечивая увеличение срока эксплуатации.

Так же были рассмотрены перспективные области применения бетавольтаических батарей на кремнии.

Отметим, что, несмотря на множество исследований, к настоящему моменту в мире отсутствуют технологии создания миниатюрных радиоизотопных источников электроэнергии, выходная мощность которых была бы достаточна для основного питания. В этой связи перспективным представляется создание новых конструкций бетавольтаических батарей на кремнии. В пользу такого выбора говорит хорошо отлаженная кремниевая технология и отработанные ICP процесс и химико-динамические способы травления.

2. Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011-96

В рамках первого этапа 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 информации о характерных признаках темы исследования - ключевые слова и подклассы патентной классификации;

- выбор источников информации - государственные и зарубежные патентные фонды, информационно-поисковые ресурсы баз данных патентных документов, мировые реферативные библиографические издания, национальные патентные бюллетени и патентные ведомства, отраслевые патентные фонды;

- поиск патентной информации;

- оценку и отбор найденных патентных документов.

Глубину патентного поиска составляют все опубликованные патентные документы, а также международные заявки, поданные во Всемирную организацию интеллектуальной собственности (ВОИС), и европейские патенты и заявки, опубликованные на дату начала поиска (10 сентября 2014 года).

В ходе патентного поиска были выявлены и отобраны патентные документы, касающиеся исследуемых объектов, а также международные заявки, поданные во Всемирную организацию интеллектуальной собственности (ВОИС), и европейские патенты и заявки, опубликованные на дату начала поиска (10 сентября 2014 года).

В процессе проведения исследования по предмету «Разработка автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры» был сформирован массив патентной информации, состоящий из 150 патентных документов.

3. Обоснование выбора направления исследований по созданию радиоизотопного источника питания

Сегодня для питания устройств, в которых не используются стационарные источники, применяют литий ионные батареи и аккумуляторы. Срок службы таких источников энергии ограничен и составляет не более 5 лет, поэтому для создания новых источников питания с длительным сроком службы необходимо использовать радиоизотопные источники энергии. Несмотря на обилие проделанных работ по созданию конструкций и технологий бетагальванических батарей на сегодняшний день в мире отсутствуют такие батареи, которые могли бы осуществить основное электропитание электронных устройств. Одной из главных задач при проектировании радиационно-стимулированных источников питания является выбор радиоизотопа, и способ преобразования испускаемой им энергии.

Основным направлением ПНИ стало создание новых конструкций и топологий бетавольтаических батарей, исследование глубоких микропор с высоким аспектным соотношением в кремнии и технология заполнения микропор радиоизотопом.

Направление исследований:

аналитический обзор литературы по данной тематике, включая патентный поиск;

математическое моделирование бетавольтаических батарей;

разработка конструкции и технологии изготовления бетавольтаических батарей на основе пористых кремниевых структур;

разработка методики измерения бетавольтаических батарей на основе пористых кремниевых структур;

измерение ВАХ бетавольтаических батарей на основе пористых кремниевых структур;

Способы решения поставленных задач:

использование современных сред моделирования;

проектирование топологии в САПР

измерение экспериментальных данных на современном аттестованном оборудовании;

применение проверенных и надежных методов и средств измерений;

анализ полученных экспериментальных данных с мировыми исследованиями по данной тематике;

Литературный обзор показал, что на кремнии в основном использовались планарные конструкции. Однако, в отличие от планарной p-i-n структуры, структура с микро каналами обладает сильно развитой поверхностью, при заполнении каналов радиоизотопом увеличится эффективность преобразования, так как 90 % излучения будет попадать в объем полупроводниковой структуры.

4. Проведение компьютерного моделирования различных вариантов конструкций элементарных ячеек автономного источника питания. Выбор оптимальной конструкции элементарной ячейки

4.1 Моделирование работы радиационно-стимулированных источников питания

Моделирование чувствительности кремниевых радиационно-стимулированных источников питания проводили с помощью решения базовой системы уравнений [34].

Рассмотрим в простейшем случае метод решения уравнения непрерывности. При численном решении уравнения непрерывности в базе диффузионного транзистора исходное дифференциальное уравнение в частных производных представляется в разностной форме, то есть бесконечно малые дифференциалы заменяются конечными разностями. При этом вся область моделирования разбивается на достаточно малые элементы, чтобы можно было принять линейное изменение функции в рамках одного элемента.

, (1)

Вследствие того, что на первом этапе решали стационарную задачу, уравнение (9) представляется в виде

. (2)

Тогда слагаемые правой части уравнения непрерывности можно представить в виде:

,

,

.

Принимая граничные условия на краях области, и задаваясь начальным распределением подвижных носителей заряда, получаем систему нелинейных уравнений. Таким образом, вместо дифференциального уравнения в частных производных, необходимо решать систему нелинейных алгебраических уравнений.

Аналогично, уравнение Пуассона также может быть представлено в разностной форме. Однако для этого необходимо установить связь между концентрацией подвижных носителей заряда и потенциалом.

Уровень Ферми был введен при рассмотрении статистики ансамбля электронов при тепловом равновесии [35]. Однако тепловое равновесие нарушается под влиянием падающего излучения или напряжения, приложенного к p-n переходам. Для анализа этих неравновесных случаев вводится два связанных параметра квазиуровня Ферми. Квазиуровни Ферми определяются таким образом, чтобы сохранить соотношение между концентрациями собственных носителей и концентрациями электронов и дырок в таком же виде как для теплового равновесия. При неравновесных условиях аналогичные уравнения можно написать, только если определены два квазиуровня Ферми: один для электронов и один для дырок.

; (3)

; (4)

, (5)

где Ei - собственный уровень Ферми.

Расстояние между квазиуровнями Ферми представляет собой меру отклонения свободных носителей заряда от теплового равновесия. При тепловом равновесии это расстояние равно нулю. Квазиуровням Ферми соответствуют квазипотенциалы:

; (6)

, (7)

где - потенциал, соответствующий середине запрещенной зоны
= - (Ei/q).

Отсюда концентрации электронов и дырок можно представить в виде:

; (8)

; (9)

, (10)

где nie - эффективная концентрация собственных носителей заряд в полупроводнике, учитывающая эффект сужения запрещенной зоны при сильном легировании.

Если принять, что - потенциал, соответствующий положению равновесного уровня Ферми ( = - (EF/q)), то концентрация электронов и дырок, представляется в виде:

; (11)

, (12)

где p0 и n0 - равновесные концентрации дырок и электронов.

Исходя из выше изложенного, уравнение Пуассона представляется в виде:

. (13)

За нуль электрического потенциала принимается положение уровня Ферми в собственном кремнии. Тогда концентрации n, p (в предположении справедливости статистики Больцмана) связаны с их квазипотенциалами Ферми n, p и потенциалом следующим образом:

; (14)

; (15)

, (16)

где nie - эффективная концентрация электронов.

Прежде чем, приступить к представлению уравнений в разностной форме, необходимо их упростить. Для того, чтобы избавиться от постоянных коэффициентов и перевести коэффициенты в диапазон чисел, удобный для представления в ЭВМ, все переменные и параметры нормируются на коэффициенты. Имеются разные способы представления нормированных коэффициентов. Пример одного из таких способов представлен в таблице 1 [36]:

Таблица 1 ? Нормировочные коэффициенты для базовой системы уравнений

Величины	Коэффициенты
Длина
Время
Электростатический потенциал
Приложенное напряжение
Диффузионный потенциал
Электрическое поле
Плотность носителей заряда n, p
Концентрация примеси
Общий. Электронный и дырочный ток
Скорость генерации - рекомбинации
Коэффициент диффузии носителей заряда
Подвижность носителей
Проводимость
Ёмкость/един. площади

После проведения нормировки, базовой системы уравнений этим способом базовая система уравнений в общем виде принимает следующий вид:

; (17)

; (18)

; (19)

; (20)

; (21)

Для представления систем уравнений, описывающих работу полупроводниковых приборов, существует несколько базисов переменных. Представленная выше базовая система уравнений записана в базисе (, n, p). В базисе (, n, p) система уравнений (17-21) представляется в виде

; (22)

; (23)

; (24)

; (25)

; (26)

. (27)

Очевидным достоинством этого метода является его универсальность, то есть возможность использовать для широкого круга задач при моделировании полупроводниковых приборов.

Недостатком метода является требование большого объёма памяти и значительные затраты машинного времени. Поэтому при решении ряда конкретных задач вводятся определенные упрощения.