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Primärelement zur Erzeugung einer Gleichspannung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Primärelement zur Erzeugung einer Gleichspannung.
Das Ziel diesem Erfindung ist die Schaffung einer Batterie, deren Energie durch radioaktiven Zerfall, insbesondere durch radioaktive Isotope, geliefert wird und die eine besonders grosse Lebensdauer besitzt.
Eine solche radioaktive Batterie ist speziell geeignet, um Transistorkreise zuspeisen. Die genannten Ziele werden gemäss der vorliegenden Erfindung durch ein Primärelement zur Erzeugung einer Gleichspannung erreicht, die gekennzeichnet ist durch einen Halbleiterkörper mit mindestens einer Sperr- sehicht, die eine Potentialschwelle bildet, radioaktives Material, das so angeordnet ist, dass mindestens der die Sperrschicht enthaltende Bereich des Halbleiterkörpers mit Atomkernstrahlen beschossen wird, und Ausgangsklemmen, die zu beiden Seiten der Sperr- schieht mit dem Halbleiter in Verbindung stehen und an denen dieNutzspannung auftritt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Die radioaktive Batterie nach Fig.l enthält eine Strahlenquelle 11 hochenergetischer Atomkernstrahlung. Die Strahlenquelle 11 kann ein Material oder eine Kombination von Materialien sein, die Strahlen geladener Partikel und/oder elektromagnetische Strahlen aus- senden. Solche Strahlenquellen können beispielsweise sein: Polonium und Uranium (a- Strahler), Strontium 9e oder Tritium (ss-Strah- ler, Kobalt6o (γ-Strahler) und zahlreiche weitere radioaktive Isotope.
Die Halbleitervorrichtung 13, die bestrahlt werden soll, ist eine Halbleitervorrichtung mit einem pn-Übergang, der durch Kristallisation oder durch Legieren erzeugt sein kann. Geht man von n-Germanium aus, so kann als Legierungsmaterial zur Erzeugung der abschlie- ssenden p-Zone Indium, Bor oder Gallium verwendet werden. Wird p-Germaniium oder p- Silizium als Ausgangsmaterial verwendet, so kann als Legierungsmaterial z. B. Blei, Antimon oder eine Goldantimonlegierung benutzt werden. Aber auch eine Halbleitervorrichtung mit Spitzenelektroden kann als Teil der radioaktiven Batterie benutzt werden.
Es wird angenommen, dass Querschnitt und Dicke der Halbleitervorrichtung gross genug sind, tun möglichst. alle von der Strahlenquelle 11 aasgehenden Strahlen zu absorbieren. Beispielsweise ist, für eine Strahlenquelle aus Strontium9o ein Germaniumkörper von der Dicke von 1,25 mm an- gemessen. Die Dicke einer entsprechenden Siliziumvorrichtung wäre etwa 2,5 mm.
Der Halbleiterkörper 13 liegt. so im Strahlengang der hochenergetischen Strahlung, dass möglichst. viel von der Strahlung von der Grenzschicht 15 absorbiert wird. Die. Strahlen
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der Quelle 11 bewirken, dass Elektronen aus dem vollbesetzten Valenzband 23 (siehe Energieniveauschema der Fig. 2) in das Leitungsband 25 gehoben werden und im Valenzband Löcher entstehen. Beim Eintreffen von Strahlen mit einem kleinsten Energiequantum, das gleich oder grösser ist als die Energiedifferenz d E zwischen Valenzband und Leitungsband, entstehen im festen Halbleiter 13 Elektronen und Löcher. Beide Ladungsträger stehen für die Teilnahme an einer Stromleitung zur Verfügung.
Die Energiedifferenz d E beträgt für Germanium und Silizium 0,72 bzw. 1,12 Elektronenvolt.
Nun besteht in der Grenzschicht des Halbleiters zwischen der p- und der n-Zone eine elektrostatische Potentialschwelle. Unter dem Einfluss des elektrostatischen Potentials flie- ssen die freigemachten Ladungsträger nur in einer Richtung durch die Übergangszone. In dem Diagramm der Fig. 2 sollen die Elektronen über die Schräge der Kurve 25 abwärts und die Löcher über die Schräge der Kurve 23 aufwärts fliessen. Es darf angenommen werden, dass so ziemlich alle Ladungsträger, die in die Grenzschicht 15 geraten, erfasst werden und zur Klemmenspannung und zum Strom der Vorrichtung beitragen. Ein Teil der Ladungsträger entsteht in der Grenz- schicht 15 selber.
Andere Ladungsträger entstehen ausserhalb der Grenzschicht 15 und unterliegen zunächst keinem elektrostatischen Potential. Wenn diese Ladungsträger jedoch eine genügend grosse Lebensdauer und Diffusionslänge besitzen und sich nicht mit Ladungsträgern entgegengesetzter Art vereinigen, gelangen auch sie (allerdings einzig infolge Diffusion) in die Grenzschicht und verstärken den Ausgangsstrom. Dieser Ausgangsstrom fliesst durch den Belastungswiderstand 21 (Fig.1). Der Belastungswiderstand kann mit dem betrachteten Halbleiter 13 über Anschlussstellen 17 und 19 rein Ohmschen Charakters, z. B. Lötstellen, als Kontaktstellen mit den p- und n-Zonen der Vorrichtung verbunden sein.
Das radioaktive Strahlungsmaterial kann an einer oder mehreren Seiten des Halbleiters direkt an diesem anliegen, um so einen geeigneten Halt zu finden und den besten Wir- kungsgrad der Strahlen zu erreichen.
Die nachfolgende Tabelle gibt einige Daten für eine radioaktive Batterie nach Fig.1 für den Fall der Verwendung einer Strahlenquelle aus Strontium90 mit einer Strahlungsenergie von 50 Millicurie. Es ergaben sieh für:
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<tb> Germanium <SEP> Silizium
<tb> V <SEP> max <SEP> = <SEP> Leerlaufspannung <SEP> 30 <SEP> mV <SEP> 200 <SEP> mV
<tb> JS <SEP> = <SEP> Kurzschlussstrom <SEP> 40 <SEP> A <SEP> 10 <SEP> , A
<tb> m <SEP> = <SEP> Stromverstärkungsfaktor <SEP> 1,25³105 <SEP> 3³104
<tb> P <SEP> = <SEP> grösster <SEP> Leistungsübergang <SEP> 0,3 <SEP> W <SEP> 1,0 <SEP> W
<tb> Z <SEP> = <SEP> Innenwiderstand <SEP> 200 <SEP> Ohm <SEP> 10 <SEP> 000 <SEP> Ohm
<tb> (mV <SEP> = <SEP> Millivolt, <SEP> A <SEP> = <SEP> Mikroampere, <SEP> W <SEP> = <SEP> Mikrowatt)
In der Tabelle ist:
JS=eRL=mJB wobei bedeuten: e = die Ladung eines Elektrons, R = ein Mass für die Erzeugung von Ladungsträgern, L = die Diffusionslänge der Ladungsträger, m = der Stromverstärkungsfaktor und J$ = der der radioaktiven Strahlung gleichwertige Strom.
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wobei bedeuten: J" = .der volle Sperrstrom der pn-Grenzschicht, T = die absolute Temperatur in K (Grad Kelvin), 1i - die Boltzmannsehe Konstante.
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Die beschriebene Vorrichtung bildet ein Primärelement elektrischer Energie und weist zahlreiche Vorteile auf. Das räumliche Ausmass der Batterie kann ausserordentlich klein sein, z.
B. ein Bruchteil eines Kubikzentimeters. Die Einheit ist ein selbständiges Primärelement in dem Sinne, dass die an den Ausgangsklemmen zur Verfügung stehende elektrische Energie sich einzig aus der Energie der radioaktiven Strahlen herleitet. Die Batterie ist vom physikalischen Standpunkt aus wenig empfindlich und wird durch mechanische Schwingungen und Erschütterungen nicht beeinflusst. Der Umwandlungsfaktor der Strahlungsenergie in elektrische Energie ist sehr gut und durch die Stromverstärkungsfaktoren der oben aufgeführten Tabelle eirwiesen. Der Eigenwiderstand der Batterie ist merklich geringer als bei den bisher bekannten radioaktiven Energiequellen und die Batterie deswegen besonders geeignet als Energiequelle für Transistoren und solche Stromkreise, die niedere Spannungen und Ströme erfordern.
Ausserdem ist. die nutzbare Lebensdauer der Energiequelle äusserst gross. Mit Kobalt60 z. B. kann diese Energiequelle mehr als fünf Jahre benutzt werden, während sie mit Strontium90 zwanzig Jahre brauchbar ist.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, in der eine Halbleiterv orrichtung 24 mit Spitzenelektroden statt einer Halbleitervorrichtung mit. einem pn-Übergang verwendet wird. Die Wirkungsweise ist mit der oben erläuterten weitgehend analog. Die eintretenden radioaktiven Strahlen erzeugen in dem Halbleiterkörper 26 der Vorrichtung Ladungsträger. Die Ladungsträger, die in der Kontaktzone um die Spitzenelektrode 27 entstehen (und Ladungsträger, die in diese Zone diffundieren), fliessen unter der Wirkung der elektrostatischen Spannungsschwelle in einer einzigen Richtung durch die Kontaktstelle. Dieser Strom ergibt an den Ausgangsklemmen der Vorrichtung eine Spannung, die benutzt wird, um im Belastungswiderstand 21 einen Strom zu bewirken.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der eine Anzahl parallel geschalteter Halb- leiter 13 mit Grenzschichten verwendet sind. Jeder einzelne Halbleiter erhält Energie in Form von Strahlen der radioaktiven Quelle 11 und trägt einen Teil zur Ausgangsenergie der Vorrichtung bei. Abstandhalter 29, z. B. aus Polystyrol oder Glimmer, trennen nebeneinanderliegende Halbleitereinheiten und verhindern, dass sie sich gegenseitig kurzschliessen. Wenn Germaniumeinheiten in der beschrie benen Weise nebeneinander geschichtet sind und eine Strahlungsquelle aus Strontium90 benutzt wird, genügen drei oder vier Halbleitereinheiten - von denen jede etwa · bis 3/s mm dick ist -, um die Strahlung vollständig zu absorbieren. Bei Silizium genügen etwa sechs Einheiten, um die einfallende Strahlung zu verwerten.
Aber, wenn er- wünscht, kann auch eine grössere Anzahl dünnere Einheiten benutzt werden. Einer der Vorteile der Anordnung nach Fig.4 ist der, dass die hochener getischen Strahlen quer zu den Grenzschiehten durch die Einheit hindurchtreten. Da ein Teil der Ladungsträger ausserhalb der Grenzfläche entstehen, und die Einheit dünn ist, so haben diese Ladungsträger nur geringe Wege zurückzulegen, um in die Grenzfläche zu gelangen. Das macht die Zahl .der Wiedervereinigungen zwischen Elektronen und Löchern, die jederzeit eintreten kann, gering und erhöht den Stromfluss.
Diese Art der Anordnung ist besonders dann wünschenswert, wenn Halbleitermaterial verwendet wird., dessen Ladungsträger nur kurze Diffusionslängen besitzen. Fig.5 zeigt Ansehlussorgane 17 und 19 für die Ohnvschen Anschlüsse der Fig. 4. Lappen 17 und 19 sind an jedem der in Abstand voneinander angeordneten Halbleitereinheiten, z. B. durch Schmelzlot mit niedrigem Schmelzpunkt, befestigt. Der Lappen 17_ ist dabei mit dem Teil von p-Leitfähigkeit und der Lappen 19 mit dem Teil von n-Leitfähig- keit verbunden.
Die Lappen 17 und 19 können beispielsweise aus Nickel bestehen und an einem beliebigen Teil ihrer Oberfläche mit der n- bzw. p-Zone des Halbleiters verbunden sein.
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Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, die brauchbar ist für die Gewinnung einer Spannung, die höher ist als bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen. Der Halbleiter der Anordnung nach Fig.6 ist ein Halbleiter mit durch Legieren gebildeten Grenzschich- ten. In der Fig. 6 besteht der Teil 31 der Vorrichtung 13 aus ni-Germanium, während die pZone durch den Bereich gebildet wird, in dem ein Akzeptormaterial 33, z. B. Indium, in das Germanium hineindiffundiert ist.
Die Halbleitereinheiten 13 sind so geschichtet, dass die radioaktive Strahlung in einem Zug durch alle Einheiten geht. Dabei sind die Einheiten so angeordnet, dass die p-Zone eines Halbleiters mit der n-Zone des angrenzenden Halbleiters in Ohmschem Kontakt steht.
Bei einer derartigen Anordnung mit Ohm- sehem Kontakt zwischen den aufeinanderfolgenden Halbleitereinheiten ist die Ausgangsspannung der Batterie gleich der Summe der Spannungen der einzelnen Halbleitereinheiten. Die elektrischen Anschlüsse des Schichtkörpers können, um diesen mit einer Belastung 21 zu verbinden, am Germaniumkörper mittels eines Lappens 18 aus Nickel und am Indiumkügelchen durch den elektrischen Leiter 35 erfolgen. Dicke und Zahl der zu schiech- tenden Einheiten wird im wesentlichen durch die gleichen Faktoren bestimmt, wie im Zusammenhang mit der Fig. 4 angegeben wurde. Diese Faktoren sind: Art und Energie der ausgesandten Kernstrahlen, Grösse der Halbleitereinheiten und Art des für die Halbleitereinheiten verwendeten Materials.
In Fig.7 ist die radioaktive Strahlungsquelle 11 zwischen zwei mit der Rückseite gegeneinander angeordneten Halbleitern mit Legierungsgrenzschichten untergebracht. Die hochenergetische Strahlung erzeugt in jedem Halbleiter Ladungsträger, die über die betreffenden Grenzflächen fliessen und an den Ausgangsklemmen eine Spannung erzeugen. Zwischen der n-Zone 31 der einen Einheit und der n-Zone 31 der andern Einheit besteht ein Ohmscher Kontakt über das Material der radioaktiven Strahlungsquelle 11, das durch einen elektrisch leitenden Halter getragen wird. Die radioaktive Strahlungsquelle ist ausserdem mit dem einen Ende des Belastungswiderstandes 21 verbunden.
Die Kügelchen 33 aus Akzeptormaterial, von denen jedes einem Bereich des Halbleiterkörpers 31 p-Leitfähig- keit vermittelt, sind miteinander und mit dem andern Ende des Belastungswiderstandes verbunden. Die Dicke der Halbleiter 13 ist entsprechend der radioaktiven Energie des Strahlungsmaterials zu wählen. Als Vorteile der soeben beschriebenen Ausführungsform sind zu nennen: Zunahme des Ausgangsstromes im Verhältnis 2:1 und bessere Nutzung der von der radioaktiven Strahlenquelle 11 ausgehenden Strahlung.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einer Halbleitervorrichtung 13, bei der die Halbleitereinheit mit zwei dureh Legieren erzeugten Grenzschichten versehen ist. Zwischen dem Halbleiterkörper 31 und den Kügelchen 33 bestehen elektrostatische Potentialschwellen 44, die sich aus dem Legicrungs- prozess ergaben. Wenn der Halbleiterkörper 31 aus n-Germanium besteht., können die Ver- imreinigtingskügelchen, die in das Germanium diffundiert werden, aus Indium oder aus einem andern Akzeptormaterial bestehen.
Das in. den Halbleiterkörper legierte und diffundierte Verunreinigungskügelchen, das der radioaktiven Strahlenquelle 11 am nächsten liegt, aber doch in einem Abstand davon bleibt, wird dann von der Oberfläche des Halbleiterkörpers 31 entfernt. Wenn die so hergestellte HalbleitErvorriehtung durch die Strahlenquelle 11 bestrahlt. wird, fliessen Ladungsträger durch jede der elektrostatischen Potentialschwellen. Die Tatsache, dass zwei Potentialschwellen vorgesehen sind, ist insofern von Bedeutung, als dadurch die Zahl der möglicherweise eintretenden Wiederver- einigungen von Elektronen und Löchern im Verhältnis 2 :1 reduziert wird.
Mit. der Verringerung der eintretenden Wiediervereinigun- gen steigt der an die Belastung 21 abgegebene Strom entsprechend an. Das Entfernen des Verunreinigiingskügelehens auf der Seite zur radioaktiven Strahlenquelle 11 hat den Zweck, Material, das die radioaktiven Strah-
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len absorbieren würde, ohne dadurch zur Ausgangsleistung etwas beizutragen, aus dem Strahlenweg zu entfernen.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine Anzahl Halbleitervorriehtungen 37 mit bei der Kristallisation erzeugten Grenz- schiehten verwendet sind. Jede Halbleitervorrichtung umfasst einen zweckentsprechend geformten Barren oder Streifen, mit abwechselnd p- und n-leitenden Zonen. Die Vorrichtung 3 7 kann nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Ein Verfahren besteht darin, einen Impfkristall aus Germanium in eine Germaniumschnmelze zu tauchen und mit solcher Geschwindigkeit aus dieser Schmelze zu ziehen, dass ein Teil der Schmelze mitge- nommen wird.
Während des Herausziehens des Impfkristalles wird der Grrad der Verun- reiniguing der Schmelze geändert, um eine bestimmte Änderung oder die Umkehrung der Art der Leitfähigkeit in der Schmelze und beim entzogenen Material herbeizuführen. Wenn beispielsweise die Schmelze anfangs n-leitend ist, kann sie durch Zufügen von Akzeptormaterial, z. B. Gallium, p-leitend gemacht werden. Rückverändlerung in n-Leit- fähigkeit kann dernaeh durch Beigabe von Donatormaterial, z. B. Antimon, erreicht werden.
Jede der Vorrichtungen 37 entspricht im Prinzip einer Vorrichtung nach Fig.6. Die Vorrichtungen 37 sind nahe beieinander und nur durch das Material der radioaktiven Quelle 11 voneinander getrennt. Da die Strahlenduelle 11 nur einen geringen Ohmschen Widerstand besitzt, sind Isolationselemente 39 zwischen der Strahlenquelle 11 und den Vorrichtungen 37 vorgesehen. In der Fig. 9 sind die einzelnen Einheiten 37 parallel zueinander geschaltet, damit sie einen höheren Strom an die Belastung 21 abgeben. Werden dagegen Höhere Spannungen gewünscht, dann können die Einheiten 37 in Serie miteinander geschaltet werden. Auf diese Art können Spannungen bis 100 Volt erreicht werden.
Bei der Anordnung nach Fig. 9, d. h. bei einer Anordnung mit Kristallisationsgrenz- schichten, ist es von Wichtigkeit, dass jede zweite Grenzschicht einen geringen Ohmschen Widerstand erhält. Deswegen werden die Grenzschichten 41 und 43 durch geeignete Mittel unwirksam gemacht, beispielsweise indem ein Kupferstreifen über die Oberfläche der Grenzschicht gelegt wird, um diese im Nebenschluss an der Oberfläche leitend zu überbrücken. Werden die genannten Grenz- schichten nicht. in der angegebenen Weise behandelt, dann ist der Strom, der durch eine bestimmte Grenzschicht fliesst, ungefähr gleich, aber von entgegengesetzter Richtung wie der Strom, der durch die nächste Grenzschicht fliesst.
Der wirkliche Strom durch die Ausgang klemmen einer jeden der Einheiten 37 würde damit aber gleich Null.
Wenn besonderer Wert auf eine hohe Aus- nützung der Strahlung gelegt wird, dann kann eine zylindrische Vorrichtung verwendet werden, die eine innere und eine äussere Zone besitzt und bei der die Leitfähigkeit der innern Zone von der Leitfähigkeit der äussern Zone abweicht, so dass eine zylindrische Potentialschwelle vorhanden ist. Entlang der Achse .des Zylinders kann eine zylindrische Öffnung angebracht werden, in der das radioaktive Material untergebra.eht wird.
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Primary element for generating a direct voltage The present invention relates to a primary element for generating a direct voltage.
The aim of this invention is to create a battery whose energy is supplied by radioactive decay, in particular by radioactive isotopes, and which has a particularly long service life.
Such a radioactive battery is especially suitable for feeding transistor circuits. The stated goals are achieved according to the present invention by a primary element for generating a direct voltage, which is characterized by a semiconductor body with at least one barrier layer that forms a potential threshold, radioactive material, which is arranged so that at least the area containing the barrier layer of the semiconductor body is bombarded with atomic nuclear beams, and output terminals which are connected to the semiconductor on both sides of the barrier and at which the useful voltage occurs.
Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the accompanying drawing.
The radioactive battery according to Fig.l contains a radiation source 11 of high-energy atomic nuclear radiation. The radiation source 11 can be a material or a combination of materials which emit beams of charged particles and / or electromagnetic beams. Such radiation sources can be, for example: polonium and uranium (a-emitters), strontium 9e or tritium (ss-emitters, cobalt 60 (γ-emitters) and numerous other radioactive isotopes.
The semiconductor device 13 to be irradiated is a semiconductor device with a pn junction that can be produced by crystallization or by alloying. If n-germanium is used as the starting point, indium, boron or gallium can be used as the alloy material to produce the final p-zone. If p-germaniium or p-silicon is used as the starting material, the alloy material z. B. lead, antimony or a gold antimony alloy can be used. However, a semiconductor device with tip electrodes can also be used as part of the radioactive battery.
It is believed that the cross section and thickness of the semiconductor device are large enough to do as possible. to absorb all of the radiation source 11 emanating rays. For example, a germanium body with a thickness of 1.25 mm is appropriate for a radiation source made of strontium 90. The thickness of a corresponding silicon device would be about 2.5 mm.
The semiconductor body 13 lies. so in the beam path of the high-energy radiation that as possible. much of the radiation is absorbed by the boundary layer 15. The. Rays
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of the source 11 have the effect that electrons are lifted from the fully occupied valence band 23 (see energy level diagram in FIG. 2) into the conduction band 25 and holes are created in the valence band. When rays with the smallest energy quantum arrive, which is equal to or greater than the energy difference d E between the valence band and conduction band, electrons and holes are created in the solid semiconductor 13. Both load carriers are available for participation in a power line.
The energy difference d E for germanium and silicon is 0.72 and 1.12 electron volts, respectively.
There is now an electrostatic potential threshold in the boundary layer of the semiconductor between the p and n zones. Under the influence of the electrostatic potential, the released charge carriers only flow in one direction through the transition zone. In the diagram of FIG. 2, the electrons should flow downwards over the slope of curve 25 and the holes should flow upwards over the slope of curve 23. It can be assumed that pretty much all of the charge carriers that get into the boundary layer 15 are detected and contribute to the terminal voltage and the current of the device. Some of the charge carriers arise in the boundary layer 15 itself.
Other charge carriers arise outside the boundary layer 15 and are initially not subject to any electrostatic potential. However, if these charge carriers have a sufficiently long lifetime and diffusion length and do not unite with charge carriers of the opposite type, they too get into the boundary layer (but only as a result of diffusion) and increase the output current. This output current flows through the load resistor 21 (Fig.1). The load resistance can be connected to the semiconductor 13 under consideration via connection points 17 and 19 of a purely ohmic character, e.g. B. solder points, be connected as contact points with the p- and n-zones of the device.
The radioactive radiation material can lie directly on one or more sides of the semiconductor in order to find a suitable hold and to achieve the best efficiency of the radiation.
The following table gives some data for a radioactive battery according to FIG. 1 for the case of using a radiation source made of strontium90 with a radiation energy of 50 millicuries. See for:
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<tb> Germanium <SEP> silicon
<tb> V <SEP> max <SEP> = <SEP> Open circuit voltage <SEP> 30 <SEP> mV <SEP> 200 <SEP> mV
<tb> JS <SEP> = <SEP> short-circuit current <SEP> 40 <SEP> A <SEP> 10 <SEP>, A
<tb> m <SEP> = <SEP> Current amplification factor <SEP> 1.25³105 <SEP> 3³104
<tb> P <SEP> = <SEP> largest <SEP> power transition <SEP> 0.3 <SEP> W <SEP> 1.0 <SEP> W
<tb> Z <SEP> = <SEP> Internal resistance <SEP> 200 <SEP> Ohm <SEP> 10 <SEP> 000 <SEP> Ohm
<tb> (mV <SEP> = <SEP> millivolt, <SEP> A <SEP> = <SEP> microampere, <SEP> W <SEP> = <SEP> micro watt)
In the table is:
JS = eRL = mJB where: e = the charge of an electron, R = a measure for the generation of charge carriers, L = the diffusion length of the charge carriers, m = the current amplification factor and J $ = the current equivalent to radioactive radiation.
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where: J "=. the full reverse current of the pn boundary layer, T = the absolute temperature in K (degrees Kelvin), 1i - the Boltzmann constant.
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The device described forms a primary element of electrical energy and has numerous advantages. The size of the battery can be extremely small, e.g.
B. a fraction of a cubic centimeter. The unit is an independent primary element in the sense that the electrical energy available at the output terminals is derived solely from the energy of the radioactive rays. From a physical point of view, the battery is not very sensitive and is not influenced by mechanical vibrations and shocks. The conversion factor of the radiant energy into electrical energy is very good and is shown by the current amplification factors in the table above. The intrinsic resistance of the battery is noticeably lower than with the previously known radioactive energy sources and the battery is therefore particularly suitable as an energy source for transistors and circuits that require low voltages and currents.
Also is. the useful life of the energy source is extremely long. With cobalt60 e.g. B. this energy source can be used for more than five years, while with strontium90 it can be used for twenty years.
Fig. 3 shows an embodiment in which a semiconductor device 24 with tip electrodes instead of a semiconductor device with. a pn junction is used. The mode of operation is largely analogous to that explained above. The incoming radioactive rays generate charge carriers in the semiconductor body 26 of the device. The charge carriers which arise in the contact zone around the tip electrode 27 (and charge carriers which diffuse into this zone) flow through the contact point in a single direction under the effect of the electrostatic voltage threshold. This current produces a voltage at the output terminals of the device which is used to produce a current in the load resistor 21.
FIG. 4 shows a further embodiment in which a number of semiconductors 13 connected in parallel with boundary layers are used. Each individual semiconductor receives energy in the form of rays from the radioactive source 11 and contributes part of the output energy of the device. Spacer 29, e.g. B. made of polystyrene or mica, separate adjacent semiconductor units and prevent them from short-circuiting each other. If germanium units are layered next to one another in the manner described and a radiation source made of strontium90 is used, three or four semiconductor units - each of which is about 3 / s mm thick - are sufficient to completely absorb the radiation. In the case of silicon, about six units are sufficient to utilize the incident radiation.
However, if desired, a larger number of thinner units can also be used. One of the advantages of the arrangement according to FIG. 4 is that the high-energy rays pass through the unit transversely to the boundary lines. Since some of the charge carriers arise outside the interface, and the unit is thin, these charge carriers only have to cover short distances to get to the interface. This makes the number of reunions between electrons and holes, which can occur at any time, low and increases the flow of current.
This type of arrangement is particularly desirable when semiconductor material is used, the charge carriers of which have only short diffusion lengths. FIG. 5 shows connection members 17 and 19 for the Ohnv connections of FIG. 4. Tabs 17 and 19 are attached to each of the spaced apart semiconductor units, e.g. B. by fusible link with a low melting point attached. The tab 17_ is connected to the part of p-conductivity and the tab 19 to the part of n-conductivity.
The tabs 17 and 19 can consist of nickel, for example, and be connected to the n or p zone of the semiconductor at any part of their surface.
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Fig. 6 shows another embodiment which is useful for obtaining a voltage higher than the previously described embodiments. The semiconductor of the arrangement according to FIG. 6 is a semiconductor with boundary layers formed by alloying. In FIG. 6, part 31 of device 13 consists of ni-germanium, while the p-zone is formed by the region in which an acceptor material 33 , e.g. B. indium, into which germanium is diffused.
The semiconductor units 13 are layered so that the radioactive radiation passes through all the units in one go. The units are arranged in such a way that the p-zone of a semiconductor is in ohmic contact with the n-zone of the adjacent semiconductor.
In such an arrangement with ohmic contact between the successive semiconductor units, the output voltage of the battery is equal to the sum of the voltages of the individual semiconductor units. In order to connect it to a load 21, the electrical connections of the layered body can be made on the germanium body by means of a tab 18 made of nickel and on the indium bead through the electrical conductor 35. The thickness and number of the units to be stacked is essentially determined by the same factors as was indicated in connection with FIG. These factors are: type and energy of the emitted nuclear rays, size of the semiconductor units and the type of material used for the semiconductor units.
In FIG. 7, the radioactive radiation source 11 is accommodated between two semiconductors with alloy boundary layers which are arranged with their backs against one another. The high-energy radiation generates charge carriers in every semiconductor, which flow across the relevant interfaces and generate a voltage at the output terminals. There is an ohmic contact between the n-zone 31 of one unit and the n-zone 31 of the other unit via the material of the radioactive radiation source 11, which is carried by an electrically conductive holder. The radioactive radiation source is also connected to one end of the load resistor 21.
The spheres 33 made of acceptor material, each of which imparts p-conductivity to a region of the semiconductor body 31, are connected to one another and to the other end of the load resistor. The thickness of the semiconductor 13 is to be selected according to the radioactive energy of the radiation material. The advantages of the embodiment just described are: Increase in the output current in the ratio 2: 1 and better utilization of the radiation emanating from the radioactive radiation source 11.
8 shows a further embodiment with a semiconductor device 13, in which the semiconductor unit is provided with two boundary layers produced by alloying. Between the semiconductor body 31 and the spheres 33 there are electrostatic potential thresholds 44 which resulted from the Legicrungs- process. If the semiconductor body 31 consists of n-germanium, the impurity globules that are diffused into the germanium can consist of indium or some other acceptor material.
The impurity globule alloyed and diffused into the semiconductor body, which is closest to the radioactive radiation source 11 but which nevertheless remains at a distance therefrom, is then removed from the surface of the semiconductor body 31. When the thus manufactured semiconductor device is irradiated by the radiation source 11. charge carriers flow through each of the electrostatic potential thresholds. The fact that two potential thresholds are provided is important because it reduces the number of possible reconnections of electrons and holes in a ratio of 2: 1.
With. As the number of reunions that occur decreases, the current delivered to the load 21 increases accordingly. The purpose of removing the contaminating sphere on the side facing the radioactive radiation source 11 is to remove material that has the radioactive radiation
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len would be removed from the beam path without contributing anything to the output power.
9 shows a further embodiment in which a number of semiconductor devices 37 are used with boundary layers produced during the crystallization. Each semiconductor device comprises a suitably shaped bar or strip with alternating p- and n-type regions. The device 37 can be manufactured by various methods. One method consists in dipping a germanium seed crystal into a germanium melt and pulling it out of this melt at such a speed that part of the melt is carried away.
During the extraction of the seed crystal, the degree of contamination of the melt is changed in order to bring about a certain change or the reversal of the type of conductivity in the melt and in the withdrawn material. For example, if the melt is initially n-type, it can be converted by adding acceptor material, e.g. B. gallium, can be made p-conductive. Reverting back to n-conductivity can be done by adding donor material, e.g. B. antimony can be achieved.
Each of the devices 37 corresponds in principle to a device according to FIG. The devices 37 are close to one another and only separated from one another by the material of the radioactive source 11. Since the radiation source 11 has only a low ohmic resistance, insulation elements 39 are provided between the radiation source 11 and the devices 37. In FIG. 9, the individual units 37 are connected in parallel with one another so that they deliver a higher current to the load 21. If, on the other hand, higher voltages are desired, the units 37 can be connected in series with one another. In this way, voltages of up to 100 volts can be achieved.
In the arrangement of FIG. H. In the case of an arrangement with crystallization boundary layers, it is important that every second boundary layer has a low ohmic resistance. For this reason, the boundary layers 41 and 43 are made ineffective by suitable means, for example by placing a copper strip over the surface of the boundary layer in order to bypass it in a conductive manner at the surface. The mentioned boundary layers will not. treated in the manner indicated, then the current flowing through a certain boundary layer is approximately the same, but of the opposite direction as the current flowing through the next boundary layer.
The actual current through the output terminals of each of the units 37 would therefore be zero.
If particular importance is attached to a high utilization of the radiation, then a cylindrical device can be used which has an inner and an outer zone and in which the conductivity of the inner zone deviates from the conductivity of the outer zone, so that a cylindrical device Potential threshold is present. A cylindrical opening in which the radioactive material is placed can be made along the axis of the cylinder.