CN111386578A

CN111386578A - 核微电池

Info

Publication number: CN111386578A
Application number: CN201880061683.8A
Authority: CN
Inventors: 安娜·梅根·巴内特; 西尔维亚·布泰拉; 格莱马蒂基·莱奥里奥
Original assignee: University of Sussex
Current assignee: University of Sussex
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-07-07
Also published as: RU2020107899A; RU2020107899A3; EP3655975A1; GB201711783D0; WO2019016574A1; US20200152344A1; CA3070559A1; US11538601B2

Abstract

公开了一种核微电池，包括：放射性材料，其放射光子或粒子；以及至少一个二极管，其包括半导体材料，所述半导体材料布置成接收和吸收光子或粒子并响应于接收和吸收光子或粒子而产生电荷载流子，其中所述半导体材料是包括铝、铟和磷的晶格结构。

Description

核微电池

技术领域

本发明总体涉及一种核微电池，其包括放射性同位素和一个或多个二极管，其中放射性同位素衰减以产生光子或粒子，光子或粒子由一个或多个二极管接收以产生电流。

背景技术

在包括微机电系统技术、生物医学和航空航天应用的许多应用中，能够长期提供少量功率的能力变得越来越重要。在这些情况下，可以使用核微电池，核微电池将核能转换为电能。在核微电池中，放射性源与转换材料耦合，该转换材料吸收由放射性源放射的高能粒子并产生电流。与传统电源(诸如化学电池)相比，核微电池具有显著特征，诸如高能量密度、稳定性、抗损坏性和长寿命。例如，核微电池可以提供数十年的少量功率(例如，～pW至～μW)。

发明内容

本发明提供一种核微电池，其包括：

放射性材料，其放射光子或粒子；以及

至少一个二极管，其包括半导体材料，该半导体材料布置成接收和吸收光子或粒子并响应于此产生电荷载流子，其中所述半导体材料是包括铝、铟和磷的晶格结构。

发明人已经认识到，在微电池中使用这种类型的半导体材料能够使得微电池具有特别良好的电特性。对于其中放射性源发射X射线、γ射线或β粒子并且半导体材料将这些X射线、γ射线或β粒子转换成电荷载流子的微电池的实施例，更是如此。尽管半导体材料已经用于其它应用的光电二极管中，诸如光谱学，但尚未意识到可以将其用于提供改进的微电池。

放射性材料包括放射性同位素，其具有足够的浓度以将所述光子或粒子提供给二极管，从而使微电池产生电能。

半导体材料对光子或粒子的吸收产生电子-空穴对。

晶格结构可以是AllnP。该材料可以与常见的半导体衬底GaAs晶格匹配，并因此可以在其上以高结晶质量生长。与III-V族氮化物和具有相似带隙的II-VI族化合物相比，晶格匹配的AllnP的晶体质量可以非常高。与其它II-VI族半导体相比，AllnP中的掺杂也更易于控制。

晶格结构可以具有晶格组成Al_0.52ln_0.48P或Al_0.53ln_0.47P。AllnP的此种组成能够使材料与常规衬底(诸如GaAs)基本晶格匹配并在其上生长。这些比例也使得AllnP能够以高结晶质量生长和/或生长至相对大的厚度。这是特别有用的，因为可能期望提供相对厚的AllnP层以增加将吸收来自放射性材料的任何给定光子或粒子的可能性。然而，可以预期的是，AllnP材料可以是晶体结构，其具有晶格组成Al_xln_1-xP，其中x是除0.5以外的值。

AllnP可以已经形成在衬底上，期望地在诸如GaAs的半导体衬底上。

微电池可以包括电极，该电极用于收集由所述至少一个二极管由于产生所述电荷载流子而产生的电流。

至少一个二极管可以包括并联或串联电连接的多个二极管。微电池可以包括≥2个，≥3个，≥4个，≥5个，≥10个，≥15个，≥20个，≥30个，≥40个，≥50个，≥100个，≥150个或≥200个二极管。

至少一个二极管可以包括多个二极管，其中一个或多个二极管布置在放射性材料的第一侧上，并且其中一个或多个二极管布置在放射性材料的相反的第二侧上。

可以在所述至少一个二极管和放射性材料之间布置间隙，并且该间隙可以填充有保持在亚大气压的气体。在间隙中保持真空，使得其保持在亚大气压(相对于海平面的气压)。

可以在所述至少一个二极管与放射性材料之间布置间隙，并且该间隙可以填充有稀有气体。例如，稀有气体可以是氦气。

可以在所述至少一个二极管和放射性材料之间布置间隙，并且该间隙可以填充有放射性气体。例如，气体可以是氚。在本实施例中，所述放射性材料可以是β粒子源，因为β粒子具有穿过氚的相对长的平均自由路径长度。

在其中二极管布置在放射性材料的相对侧上的实施例中，可以在放射性材料的任一侧上设置间隙，并且这些间隙中的一个或两个间隙可以处于亚大气压和/或填充有稀有气体和/或填充有放射性气体。

可以将放射性材料和至少一个二极管容纳在公共壳体内，并且所述壳体可以布置和配置成基本上防止来自放射性材料的所述光子或粒子离开壳体；或者微电池可以包括屏蔽构件，该屏蔽构件布置和配置成基本上防止来自放射性材料的所述光子或粒子穿过屏蔽构件。

壳体或屏蔽构件可以是金属，诸如金属板或金属箔。例如，金属可以是铝、钢(例如，不锈钢)或钨。但是，可以设想使用其它金属或其它材料，只要它们防止来自放射性材料的光子或粒子穿过它们即可。例如，可以使用陶瓷壳体或屏蔽。

至少一个二极管可以包括由所述晶格结构形成的PIN结或p-n结。

PIN(例如，p⁺-i-n⁺)结可以由直接布置在AllnP的p型掺杂层和AllnP的n型掺杂层之间的AllnP的非掺杂层形成。

PIN结中包含本征i层可以用于提供相对大的耗尽区，并因此提供相对大的体积以吸收来自放射性材料的光子或粒子并响应于此而产生电荷载流子。

然而，还可以设想以p-n结的形式提供AllnP。可以通过AllnP的p型掺杂层与AllnP的n型掺杂层接触来形成p-n结。或者，可以为AllnP材料提供肖特基接触形式的结。

PIN结的i层的厚度可以为：≥5μm，≥10μm，≥15μm，≥20μm，≥25μm，≥30μm，≥35μm，≥40μm，≥45μm或≥50μm；和/或PIN结的i层的厚度可以为：≤50μm；≤45μm；≤40μm；≤35μm；≤30μm；≤25μm；≤20μm；≤15μm；≤10μm或≤5μm。上面列出的任何一个较低的厚度范围可以与上面列出的任何一个较高的厚度范围组合，只要它们不相互排斥。

设想其中i层具有≥6μm，≥8μm或≥23μm的厚度的实施例。

提供此种相对厚的i层使得能够吸收相对高比例的入射光子或粒子，从而产生相对高数量的电荷载流子，并且二极管相对有效地从光子或粒子产生电流。

相对高的厚度为该设备提供了用于各种不同类型的放射性源(例如，X射线或β源)的高量子效率。

半导体材料为由放射性源发射的光子或粒子提供相对高的衰减系数，特别是为X射线。

PIN结的p层和/或n层的厚度可以为：≤0.5μm，≤0.4μm，≤0.3μm，≤0.2μm或≤0.1μm。

提供此种相对薄的层限制了这些层对光子或粒子的吸收。例如，如果p层(或n层)设置在结的朝向放射性源的侧上，则使用相对薄的p层(或n层)将吸收相对、小比例的光子或粒子，以使得更大比例的入射光子或粒子能够进入PIN结的i层，从而在其中被吸收并产生电荷载流子(尽管在本文设想了一部分p层也可以积极地促进有用的载流子的产生)。

微电池可以在PIN结或p-n结的任一侧上包括电极以用于在结上施加电压和/或用于收集由于在结中产生的电荷载流子而引起的电流，其中电极中的至少一个电极不覆盖结的其所在的侧上的一部分，使得所述光子或粒子可以通过所述侧进入结而不穿过所述至少一个电极。

至少一个电极可以是环形的、有孔的、凹入的或叉指式的，以便不覆盖整个所述侧，并且允许所述光子或粒子进入结而不穿过形成电极的材料。例如，至少一个电极可以仅围绕结的其所在的侧的周边延伸。

至少一个电极可以覆盖结的其所在的所述侧的面积的≤x％，其中x选自：40；35；30；25；20；15和10。

微电池可以具有在PIN结或p-n结上施加的正向偏压，其中所述电压可以是以下中的一个：≥0.1V；≥0.2V；≥0.3V；≥0.4V；≥0.5V；≥0.6V；≥0.7V；≥0.8V；≥0.9V；≥1V；≥1.1V；≥1.2V；≥1.3V；≥1.4V；≥1.5V；≥1.6V；≥1.7V；≥1.8V；≥1.9V；和≥2V；和/或≤0.1V；≤0.2V；≤0.3V；≤0.4V；≤0.5V；≤0.6V；≤0.7V；≤0.8V；≤0.9V；≤1V；≤1.1V；≤1.2V；≤1.3V；≤1.4V；≤1.5V；≤1.6V；≤1.7V；≤1.8V；≤1.9V；和≤2V。具有上限的范围中的任何一个范围可以与具有下限的范围中的任何一个范围组合，其中它们不相互排斥。

至少一个二极管中的每一个二极管可以具有台面二极管结构。或者，至少一个二极管可以通过离子注入形成，或者可以是具有肖特基接触的平面设备。

二极管可以包括一个或多个层以用于在半导体材料的每一侧上形成电触头。例如，多个层中的一个层可以包括至少一个金属层和/或至少一个半导体层。金属层的示例包括金和钛。半导体层的示例包括GaAs或InGe。

可以在用于形成电触头的一个或多个层与半导体材料(例如，AllnP)之间提供粘合层，以使得电触头能够良好地粘合到半导体材料(例如，AllnP)。粘合层可以是金属或半导体，诸如GaAs。结合层中的一个层可以是在其上形成半导体材料(例如，AlInP)的衬底。

至少一个二极管中的每个二极管的面对放射性材料的表面可以是基本上多边形的。

多边形表面可以具有圆角。这有助于防止拐角处的电击穿。

多边形表面可以具有至少5个边或至少6个边。这使得电池能够包括彼此更接近的多个二极管，从而使得能够优化电池的尺寸与功率之比。

放射性材料可以位于二极管半导体材料的X mm内，其中X选自：≤5；≤4；≤3；≤2；≤1；≤0.8；≤0.7；≤0.6；≤0.5；≤0.4；≤0.3；≤0.2和≤0.1。

放射性材料可以是X射线和/或γ射线的源，或者是β粒子和/或中子的源。

此类实施例优于将α粒子和β粒子转换成电荷载流子的微电池，因为α粒子可能导致对设备的相对高水平的破坏，并且β粒子可能引起沿β粒子的轨迹的电离痕迹，这会降低电池的电阻率并降低电池电压。

但是，可以设想放射性源是α粒子的源。

核微电池二极管可以直接将放射性材料发射的光子或粒子转换为电(经由半导体材料)，或者其可以首先将放射性材料发射的光子或粒子转换为其它类型的光子或粒子，并且这些其它光子或粒子可能会撞击半导体材料以产生电荷载流子。

放射性材料可以是基本上平面块体，其质量厚度选自：≤10mg/cm²，≤9mg/cm²，≤8mg/cm²，≤7mg/cm²，≤6mg/cm²，≤5mg/cm²，≤4mg/cm²，≤3mg/cm²，≤2mg/cm²和≤1mg/cm²。

放射性材料可以是基本上平面块体，其每单位面积的表观活度选自：≥1MBq/mm²；≥2MBq/mm²；≥3MBq/mm²；≥4MBq/mm²；≥5MBq/mm²；≥6MBq/mm²；≥7MBq/mm²；≥8MBq/mm²；≥9MBq/mm²；≥10MBq/mm²；≥12MBq/mm²；≥14MBq/mm²；≥16MBq/mm²；≥18MBq/mm²；≥20MBq/mm²；≥25MBq/mm²；≥30MBq/mm²；≥35MBq/mm²和≥40MBq/mm²。

应当理解，上述质量厚度范围中的任何一个范围可以与上述表观活度范围中的任何一个范围组合。

已经认识到，期望放射性材料的表观活度高而不是放射性材料本身的实际活度(由于放射性材料的自吸收)，并且持续增加放射性材料的量将不会持续增加表观活度。因此，已经认识到，可以优化放射性材料的质量厚度，以便具有相对低的质量厚度和良好的微电池性能(即，相对高的表观活度)。

微电池可以包括转换器，该转换器用于吸收由放射性材料发射的光子或粒子或与其相互作用，并响应于此产生其它类型的光子或粒子；其中半导体材料布置成接收和吸收所述其它类型的光子或粒子并响应于此产生电荷载流子。例如，转换器可以是磷光体或其它闪烁体，其用于吸收由放射性材料发射的光子或粒子或与其相互作用，并响应于此产生随后入射到二极管上的光子或其它粒子。

例如，转换器可以从放射性材料(例如，从AmBe源)接收中子，并响应于此产生电子和/或γ射线，其然后入射到二极管上以产生电荷载流子。

转换器可以是金属箔，例如钆箔。

可以将转换器布置成使得二极管不直接暴露于放射性材料，从而减少对二极管的损坏。

至少一个二极管可以是非雪崩二极管。

微电池可以不包括电流放大器，并且不放大来自微电池的电流。

微电池可以包括外包装，该外包装限定以下电池体积：≤50cm³，≤40cm³，≤30cm³，≤20cm³，≤10cm³，≤5cm³，≤4cm³，≤3cm³，≤2cm³或≤1cm³。

本发明还提供一种系统，其包括如本文所述的微电池和电子设备，电子设备与该微电池连接或可连接至该微电池以由该微电池供电从而执行一个或多个操作。

系统可以配置成使得微电池在不放大电流的情况下向电子设备提供电流。

本发明的实施例提供了一种用于低功率微电子的稳健的、微型且高效的放射性同位素微电池。这在其中化学电池技术不可行的多种应用中很有用，例如由于使用方式、环境条件或电源体积或质量的限制。实施例可用于需要在长时间段(例如≥10年)内稳健地提供相对少量的功率(例如，提供介于1pW和1000nW之间的功率)的电子设备，例如电子医疗植入物、防篡改设备、嵌入式电子设备、电池供电的军事加密设备、实时时钟、资产跟踪设备和定位器以及传感器，诸如用于监测结构完整性或环境污染的那些传感器。实施例可用于在使用中经历极端温度、压力、振动或其它恶劣环境的设备，例如智能弹药或智能武器、精确制导武器系统和具备多任务能力的弹药，微电子设备中的加密密钥，用于核废料存储或其它极端环境(诸如火山和地质断层)的监控器。这些实施例在需要长时间的待机功率的情况下是有用的，例如以增强化学电池的主电源。

本文公开的微电池可以用于许多行业，诸如军事应用、航空航天应用、微机电系统技术和生物医学应用。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式描述各种实施例，其中：

图1示出了根据实施例的光电二极管的典型暗电流特性在不同温度下随正向偏压的函数；

图2示出了光电二极管的饱和电流的对数与温度之间的关系；

图3示出了光电二极管的典型的暗电流和照明电流特性随施加的偏压的函数；

图4示出了在不同温度下光电二极管的典型电流特性随正向偏压的函数；

图5A示出了光电二极管的开路电压随温度的函数，以及图5B示出了在开路电压和饱和电流之间的依赖性；

图6示出了光电二极管的短路电流随温度的函数；

图7示出了在不同温度下光电二极管的输出功率随施加的正向偏压的函数；

图8A示出了所测量的最大输出功率的大小随温度的函数，以及图8B示出了内部转换效率随温度的函数；以及

图9示意性地示出了放射性源和光电二极管的几何形状；

图10示出了对于β伏特电池在不同温度下暗电流特性随正向偏压的函数；

图11示出了所测量的饱和电流和理想因子随温度的函数；

图12示出了在不同温度下照明电流特性随正向偏压的函数；

图13示出了开路电压随温度的函数；

图14示出了短路电流随温度的函数；

图15示出了在一定温度范围内，β伏特电池的输出功率随施加的正向偏压的函数；

图16示出了所测量的最大输出功率随温度的函数，以及β伏特电池的内部转换效率随温度的函数；

图17示出了⁶³Ni放射性材料的每单位面积的实际表面活度和每单位面积的表观表面活度随放射性材料的质量厚度的函数；

图18示出了源的发射概率随β粒子能量的函数；

图19示出了一种微电池的示意图，该微电池具有布置在放射性材料任一侧上的二极管单元阵列；

图20示出了根据实施例的二极管单元的示意图；以及

图21示出了单元的示意性顶视图，其示出了顶部欧姆触头。

具体实施方式

在本发明的实施例中，核微电池包括用于放射光子或粒子的放射性源和用于接收那些光子或粒子并将其能量转换成电能的至少一个二极管。

为了帮助理解本发明，现在将仅通过举例的方式描述核微电池的示例性实施例。在本实施例中，微电池包括用于发射X射线的放射性同位素和用于将X射线的能量转换成电的光电二极管。应当理解，本发明不限于特定的放射性源或包括所描述的所有层或者在本示例中的各个层的特定组成的二极管。

参考下表1，示例性光电二极管包括所示的层。Al_0.52ln_0.48P晶片层(表1中的层3至5)通过金属有机气相外延(MOVPE)生长在n⁺掺杂的GaAs:硅衬底(表1中的层6)上，其中朝向<111>A的取向差为10度以抑制CuPt系有序相，从而形成p⁺-i-n⁺结构。Al_0.52ln_0.48P晶片层在GaAs衬底上连续生长以形成掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3且厚度为0.1μm的Al_0.52ln_0.48P的n⁺硅掺杂层(表1中的层6)，然后是没有掺杂且厚度为2μm的Al_0.52ln_0.48P的本征层(表1中的层4)，然后是掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3且厚度为0.2μm的Al_0.52ln_0.48P的p⁺锌掺杂层(表1中的层3)。掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3且厚度为0.01μm的GaAs的高掺杂的p⁺锌掺杂层(表1中的层2)生长在Al_0.52ln_0.48P的p⁺掺杂层(表1中的层3)的顶部以促进欧姆触头。然后，使用化学湿蚀刻技术来蚀刻各个层，从而制造两个直径为400μm的圆形台面光电二极管。使用1:1:1的Η₃ΡO₄:Η₂O₂:Η₂O溶液，然后在10秒后，使用1:8:80的H₂SO₄:H₂O₂:H₂O溶液来蚀刻圆形台面光电二极管。

通过沉积厚度为0.2μm的金层和厚度为0.02μm的钛层以形成Au/Ti合金触头(表1中的元件1)，以在GaAs的高掺杂层(表1中的层2)上形成顶部欧姆触头。顶部欧姆触头覆盖了每个直径为400μm的光电二极管的33％的表面。通过沉积厚度为0.02μm的InGe层(表1中的层8)和厚度为0.2μm的金层(表1中的层8)，在GaAs衬底的背面(表1中的层6)上形成背部欧姆触头。

表1

直径为400μm的两个未钝化台面光电二极管中的每一个光电二极管都形成在同一芯片上，并由238MBq ⁵⁵Fe放射性同位素X射线源(Mn Kα＝5.9keV，MnKβ＝6.49keV)照射。X射线源位于距离光电二极管的顶表面5mm的位置处。

半导体光电探测器的X射线量子效率定义为由光电探测器吸收的X射线光子的百分比。使用比尔-朗伯定律，并假设在有源p层和i层中完全收集电荷，考虑到GaAs死区，对于5.9keV和6.49keV光子，每个光电二极管的X射线量子效率分别计算为20％和16％。考虑到每个光电二极管33％的表面被顶部金属触头覆盖，根据下面的等式(1)计算量子效率(QE)值。量子效率表示为：

QE＝[0.67+0.33exp(-μ_Tid_Ti)exp(-μ_Aud_Au)]exp(-μ_GaAsd_GaAs)(1-μ_AllnPd_AllnP) (1)

其中μ_Τi和d_Τi是Ti的线性衰减系数和厚度，μ_Αu和d_Au是Au的线性衰减系数和厚度，μ_GaAs和d_GaAs是GaAs的线性衰减系数和厚度，μ_ΑllnP和d_AllnP是Al_0.52ln_0.48P的有效区域的线性衰减系数和厚度。用于计算5.9keV和6.49keV时的量子效率的Al_0.52ln_0.48P衰减系数估计为0.1301μm^-1和0.1004μm^-1(复合密度3.66g/cm³)。用于计算GaAs、Ti和Au在5.9keV时的量子效率的衰减系数分别估计为0.0837μm^-1、0.2081μm^-1和0.8832μm^-1。用于计算GaAs、Ti和Au在6.49keV时的量子效率的衰减系数分别估计为0.0645μm^-1、0.1684μm^-1和0.718μm^-1。

使用TAS Micro MT耐气候试验箱，在干燥的氮气氛围下(相对湿度<5％)，在-20℃至160℃的温度范围内对微电池进行研究。在每个分析温度下，测量每个p⁺-i-n⁺光电二极管的暗电流和照明电流特性随施加偏压的函数。使用Keithley 6487皮安表/电压源以0.01V的增量进行从0V至1.6V的正向偏压测量。与电流读数相关的不确定度为其值的0.3％加上400fA，而与所施加的偏压相关的不确定度为其值的0.1％加上1mV。

图1示出了光电二极管中的一个光电二极管的典型暗电流特性在不同温度下随正向偏压的函数。可以看出，由于每个光电二极管中本征区域上的电场较大，暗电流随施加的偏压而增加。由于可用的热能较高，通过光电二极管的暗电流也随温度增加。对于每个温度，使用暗电流数据上线性最小二乘拟合随施加偏压的函数来推断两个光电二极管中的饱和电流(I₀)。

图2示出了光电二极管中的一个光电二极管的饱和电流(I₀)的对数与温度之间的测量关系。图2还示出了光电二极管中的一个光电二极管的饱和电流(I₀)与温度之间的关系。在较高温度下，观察到的饱和电流的自然对数的大小减小。从-20℃到160℃，光电二极管中的一个光电二极管的减小幅度为22.19±0.13，而另一个光电二极管的减小幅度为22.18±0.10。这些值与预期的减小幅度22.27显著一致，该减小幅度基于以下假设计算：饱和电流的温度依赖性与exp(-E_g/2KT)成比例。

图3示出了光电二极管中的一个光电二极管在20℃时的典型的暗电流(实心圆)和照明电流(空心圆)特性随施加的偏压的函数。可以看出，随着正向偏压的增加，暗电流相对稳定，直到暗电流随后随施加的偏压呈指数增加。以指数增长的暗电流与exp{qVlnkT}成比例，其中n是理想因子，k是玻尔兹曼常数，以及T是温度。对于这两个二极管，数据的线性最小二乘拟合表明，暗电流的自然对数线性取决于所施加的正向偏压。对于两个光电二极管，由线性最小二乘拟合确定的梯度分别为(22.23±0.10)AV^-1和(22.38±0.07)AV^-1。这些光电二极管的理想因子预估分别高达1.779±0.008和1.769±0.008。这些理想因子(接近2)表明，在设备中比起扩散电流，产生-复合电流占主导地位。在⁵⁵Fe放射性同位素X射线源的照射下，随着光电流添加到暗电流，通过光电二极管中的每个光电二极管的测量电流(图3中的空心圆)增加。在照射时，光电二极管吸收X射线光子，从而由于光电效应而产生电子-空穴对。因此，耗尽区域中的电子和空穴分别扫向p⁺型和n⁺型区域，从而产生观察到的光电流。

图4示出了在X射线源照射下的光电二极管中的一个光电二极管在-20℃至60℃间的不同温度下，典型电流特性随正向偏压的函数。160℃的数据示出为实心圆，140℃的数据示出为空心圆，120℃的数据示出为实心方形，100℃的数据示出为空心方形，80℃的数据示出为实心菱形，60℃的数据示出为空心菱形，40℃的数据示出为十字形，20℃的数据示出为实心三角形，0℃的数据示出为空心三角形以及-20℃的数据示出为星形，可以看出，在升高的温度下，在光电二极管中的所测电流在膝部处的柔软度随施加的正向偏压而降低。获取开路电压的实验值作为图4中的曲线在水平轴线上的截距。

图5A示出了光电二极管中的一个光电二极管的开路电压随温度的函数。随着温度升高，开路电压因其对饱和电流的依赖性而减小。根据以下公式，开路电压(V_OC)随饱和电流(I₀)的减小呈对数增加：

其中k是玻尔兹曼常数，T是温度，I_ph是通过设备的光电流，以及I₀是饱和电流。

可观察到开路电压随温度线性减小。在-20℃至180℃的温度范围内，开路电压V_OC＝-AT+B；其中对于光电二极管中的一个光电二极管，A＝(0.00460±0.00003)V℃^-1，以及B＝(0.871±0.002)V，其中对于光电二极管中的另一个光电二极管，A＝(0.00460±0.00002)V℃^-1，以及B＝(0.866±0.002)V。在-20℃下观察到光电二极管的开路电压高达0.97V。这些值比以前报道的(例如，在相同温度下使用GaAs ⁵⁵Fe放射性同位素微电池的电压为0.3V)要高得多。这是由于相对于GaAs，ΑΙ_0.52Ιn_0.48Ρ的带隙更高。

图5B示出了在开路电压和饱和电流之间发现的实验依赖性。

图6示出了光电二极管中的一个光电二极管的短路电流随温度的函数。获取短路电流的这些实验值作为图4中的曲线在竖直轴线上的截距。由于皮安表在测量通过位于耐气候试验箱系统中的光电二极管的低电流时相对高的不确定性，因此观察到了短路电流与温度的不确定限定关系。

图7示出了在不同温度下光电二极管中的一个光电二极管的输出功率随施加的正向偏压的函数。160℃的数据示出为实心菱形，140℃的数据示出为空心菱形，120℃的数据示出为实心三角形，100℃的数据示出为空心三角形，80℃的数据示出为虚线，60℃的数据示出为十字形，40℃的数据示出为实心正方形，20℃的数据示出为空心正方形，0℃的数据示出为实心圆，以及-20℃的数据示出为空心圆。通过将施加的偏压乘以通过设备测得的相应电流，计算得出每个光电二极管的输出功率。从图7可以看出，当偏压增大时，输出功率增大到最大值，然后减小。

图8A示出了所测量的最大输出功率的大小随温度的函数。随着温度升高，最大输出功率的大小会减小，因为它取决于开路电压。在-20℃时，从光电二极管观察到的最大输出功率高达0.62pW，相当于0.3μW/Ci。可以组合两个直径为400μm的光电二极管的输出功率，从而获得1.2pW的总微电池输出功率(在-20℃时)。可以通过增加Al_0.52ln_0.48P的本征层的厚度来改善光电二极管的最大输出功率，以便吸收更大比例的X射线光子并将其转换为电能。

图8B示出了内部转换效率随温度的函数。如果光电二极管转换效率为100％，通过将在每个温度下测得的最大输出功率除以从光电二极管有用地吸收的X射线光子可获得的最大功率(P_th)，计算得出内部转换效率。在估算P_th时，需知道源的活度，⁵⁵Fe的Mn Kα和MnKβX射线的发射概率(分别为0.245和0.0338)，放射性同位素X射线源的Be窗口的厚度(0.25mm)，⁵⁵Fe放射性源和Al_0.52ln_0.48P台面二极管的面积，二极管的量子效率，并假设电子-空穴对产生的能量为5.8eV(带隙的2.5倍)。得出P_th为2.8pW。从图8B可以看出，在-20℃下可以获得高达22％的内部转化效率。

在上述实施例中，仅0.3％的发射的X射线光子入射在光电二极管的表面上，并且光电二极管实际上仅吸收了0.05％。在估算源每秒沿任何方向发射的光子数时，需知道源的活度以及⁵⁵Fe的Mn Kα和Mn Kβx射线的发射概率(分别为0.245和0.0338)。得出放射性源每秒发射6.6×10⁷个光子。在这些光子中，假设有一半的光子由于它们沿背离光电二极管的方向发射而丢失，因此大约有一半是朝着光电二极管的方向发射的。估计每秒入射到光电二极管上的光子数为1.7×10⁵/秒，这取决于源每秒向光电二极管发射的光子数(3.3×10⁷/秒)，X射线源的Be窗口的厚度(0.25mm)以及源和光电二极管的几何形状。

图9示意性地示出了源和检测器的几何形状。计算得出光电二极管的面积(0.25mm²)与放射性源的面积(28.27mm²)之比为0.0089。通过将每秒通过X射线源的Be窗口传输的光子数(1.9×10⁷/秒)乘以0.0089，估算出检测器上的光子数。根据比尔-朗伯定律并假设在有源p层和i层中完全(100％)收集电荷，计算光电二极管中每秒吸收的光子数。光电二极管上每秒的光子数乘以设备量子效率(根据上面的公式(1)计算)，因此光电二极管每秒吸收3.4×10⁴个光子。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

可以使用与上述放射性源不同的放射性源。放射性源可以发射X射线以外的光子。或者，放射性源可以发射由二极管吸收并转换成电能的α粒子、β粒子或中子。

例如，放射性源可以是β粒子发射体，诸如⁶³Ni。现在将描述实施例，其中微电池包括⁶³Ni放射性源(活度为185MBq；电子能量高达66keV)，该放射性源距二极管的距离为3mm，如上面参考表1所述。

使用蒙特卡洛计算机建模软件包CASINO(版本3.3)来模拟二极管中β电子的相互作用。特别研究了在AllnP i层中吸收的β粒子能量的数量。模拟4000个β粒子从源发出并入射到AllnP外延层的p⁺侧，其能量在1keV到66keV之间。模拟表明，能量低于22keV的β粒子未到达i层，主要是因为所用的β粒子源的保护性惰性Ni覆盖层中粒子能量的衰减。次要效应是顶部金属触头(覆盖33％的二极管表面)和GaAs死层的衰减，以及通过AllnP的p⁺层的衰减。能量≥22keV的β电子将其部分能量沉积在i层中。模拟表明，在39keV处的电子是其最高百分比能量沉积在i层中的电子(17％)：能量<39keV的β粒子在i层上方损失了一部分能量，而能量>39keV的β粒子很容易通过2μm厚的i层，其中仅沉积了其一部分能量(例如，66keV的能量中只有8％被i层吸收)。因此，对表1中的二极管结构进行了优化以吸收来自放射性源的39keVβ电子。

但是，在⁶³Ni中，最有可能发射17keV电子；39keV电子相对于17keV电子的相对发射概率为0.5。因此，可以使用没有保护性惰性Ni覆盖层的⁶³Ni放射性同位素β源，和/或可以使用较厚的AllnP i层和/或较薄的p⁺层，以便允许吸收更大范围的能量中的电子。这允许放射性材料释放的更大百分比的能量沉积在i层中。

使用TAS Micro MT耐气候试验箱来达到并维持所研究的温度，在140℃至-20℃的温度范围内研究放射性同位素β伏特电池。干氮气不断地在测试室内流动，以控制其中测试电池的大气湿度(相对湿度<5％)。使用Keithley 6487皮安表/电压源研究电池性能。在黑暗条件下和⁶³Ni放射性同位素β源的照射下，以0V至1V之间的偏压(以0.01V为增量)进行正向偏压测量。与电流读数相关的不确定度为其值的0.3％加上400fA，而与所施加的偏压相关的不确定度为其值的0.1％加上1mV。

图10示出了对于β伏特电池在不同温度下暗电流特性随正向偏压的函数。研究的温度包括：140℃(实心圆)、120℃(空圆)、100℃(实心方形)、80℃(空心方形)、60℃(十字形)、40℃(实心三角形)、20℃(空心三角形)、0℃(实心菱形)和-20℃(空心菱形)。可以看出，在高温下，由于可用的热能更多，流经设备的暗电流增加。在增加正向偏压时，会在二极管的耗尽区域上施加更大的电场，从而在每个温度下产生更高的暗电流。

暗电流I和对简单的p-n二极管施加的偏压的关系为：

I=I₀exp{qVInkT}

其中I₀是饱和电流，q是电荷，n是理想因子，k是玻尔兹曼常数，以及T是温度。在每个温度下，通过对所测暗电流数据的自然对数随所施加的正向偏压的函数进行线性最小二乘拟合，实验估算出二极管的I₀和n值。将上面的等式线性化为Ln I＝A+BV，其中A＝Ln I₀且B＝q(nkT)^-1，并使用线性最小二乘拟合。

图11分别示出了测得的饱和电流(左轴，实心圆)和理想因子(右轴，十字)的对数随温度的函数。饱和电流的自然对数的大小随着温度的降低而增加。在140℃和-20℃之间观察到的增加为23.13±0.19(相当于饱和电流I₀增加0.013pA)。这与预期为20.50的增加(相当于饱和电流I₀增加0.008pA)非常一致。使用简单的假设来计算预期的增加，即饱和电流的自然对数的温度依赖性与E_g/2kT成正比。在相同温度范围内，还观察到理想因子的变化。由于理想因子在每个温度下均大于1.5，因此可以得出结论，即比起扩散机制，产生-复合机制占主导地位。在较高温度下观察到的理想因子的值较低(140℃下为1.561±0.003，而-20℃下为1.682±0.011)可能是由于扩散电流在温度升高下的增加所致。

图12示出了在不同温度下照明电流特性随正向偏压的函数。研究的温度包括：140℃(实心圆)、120℃(空圆)、100℃(实心方形)、80℃(空心方形)、60℃(十字形)、40℃(实心三角形)、20℃(空心三角形)、0℃(实心菱形)和-20℃(空心菱形)。将开路电压和短路电流分别推断为曲线关于水平轴线和竖直轴线的截取点。

在温度高于40℃时，温度降低时流过设备的电流增加。相反，在温度低于40℃时观察到了不同的趋势。在40℃至-20℃的温度范围内，测得的电流特性有噪声且相互重叠，这表明β粒子诱导的传导的饱和效应在热机制(散射)中占主导地位，温度越高，其重要性越大。通过AllnP结构损失能量的β电子沿其轨迹生成电子空穴对，从而减小了该区域的电阻率。

图13示出了开路电压随温度的函数。开路电压随温度升高而降低。

图14示出了短路电流随温度的函数。

图15示出了在一定温度范围内，β伏特电池的输出功率随施加的正向偏压的函数。温度包括：140℃(实心圆)、120℃(空圆)、100℃(实心方形)、80℃(空心方形)、60℃(十字形)、40℃(实心三角形)、20℃(空心三角形)、0℃(实心菱形)和-20℃(空心菱形)。β伏特电池的输出功率计算为P＝IV。通过增大施加的正向偏压，电池输出功率增加到最大值(Pm)，然后下降。在温度低于40℃时，由于图12中所示的电流结果，功率特性有噪声且相互重叠。

图16示出了所测得的最大输出功率的大小随温度的函数(左轴，实心圆)，以及β伏特电池的内部转换效率随温度的函数(右轴，空心方块)。通过将实验的最大输出功率除以最大功率(Ρ_th)来计算β伏特电池的内部转换效率。使用下面的等式计算Ρ_th：

其中A是⁶³Ni放射性源的活度(185MBq)，Emi是能量i的电子的发射概率，A_Ni是放射性源的面积(49mm²)，A_AllnP是AllnP检测器的面积(0.13mm²)，QEi是台面器件吸收的每个电子能量的百分比(使用CASINO软件计算)，以及ω_ΑllnΡ是AllnP电子-空穴对产生的能量(5.34eV)。在上述等式中，放射性源的活度减半，因为假定一半的电子由于它们从二极管发射出去而损失。得出P_th为4.3pW。

在图16中，最大输出功率的大小随温度的降低而增加，在温度<40℃时达到0.28pW的饱和值，其对应于0.11μW/Ci。可以考虑最大输出功率相对于开路电压的依赖性来解释观察到的行为。

核微电池的性能部分取决于用于照明至少一个二极管的放射性材料的表观活度，并且部分取决于用于吸收从放射性材料发射的光子或粒子的半导体材料的厚度。

对于特定的放射性材料，可以定义实际活度和表观活度。实际活度A给出了有关每秒放射性衰减数的信息。根据下面等式，在任何给定时间，t年后的活度A与初始活度(在t＝0时)A₀有关。

其中T_1/2是放射性材料的半衰期。

由于放射性材料本身内部的自吸收效应，由下式给出每单位面积的表观活度A_app：

其中C[MBq/mg]是放射性材料源的比活度，t_m[mg/cm²]是放射性材料的质量厚度，以及μ_m[cm²/mg]是质量衰减系数。

例如，对于发射β粒子的放射性材料，由下式给出质量衰减系数：

其中E_max[MeV]是最大的β粒子能量。给定的β放射性同位素放射性材料具有特定的质量衰减系数(例如，对于⁶³Ni，μ_m＝0.828cm²/mg)。

比活度取决于放射性材料的纯度。例如，高纯度的⁶³Ni放射性材料的比活度可以为2072MBq/mg，而纯度较低的⁶³Ni放射性材料的比活度较低。典型的市售⁶³Ni放射性材料的比活度为481MBq/mg。

图17示出了，对于比活度为2072MBq/mg的材料和比活度为481MBq/mg的材料，⁶³Ni放射性材料的每单位面积的实际表观活度(实线)和每单位面积的表观活度(虚线)随放射性材料的质量厚度(mg/cm²)的函数。可以看出，每单位面积的实际活度随质量厚度线性增加，而每单位面积的表观活度最初随着质量厚度的增加线性增加，然后稳定到特定值。因此，可以选择放射性材料的质量厚度，以便在可能的最低质量厚度下使每单位面积的表观活度最大化，因为更高的质量厚度会导致每单位面积的实际活度和表观活度之间的差异更大。

考虑至少一个二极管的层的尺寸也很重要。例如，如果二极管是p-i-n二极管或p-n二极管，则p层的厚度可以选择为尽可能地薄，从而减少光子或粒子从放射性材料的衰减。可以将具有p-i-n结的二极管中的i层选择成足够厚，以确保吸收由放射性同位素材料发射的高比例或全部光子或粒子(例如，甚至更高能的粒子/光子)(例如以提供尽可能接近100％的量子效率)。但是，较厚的i层并不总是会提高微电池的性能，并且可能会引入其它问题。例如，如果i层厚度比耗尽区域厚得多，则可能折中电荷收集效率。在二极管中，没有外部偏压的耗尽区域由二极管内置电压固定(这取决于掺杂浓度)。因此，由于复合效应，使耗尽区域的厚度比i层薄得多可能会影响电荷收集效率：生成的电荷载流子具有很高的复合概率，因为它们在到达电触头之前必须通过非耗尽材料行进长距离。理想地，耗尽区域和i层厚度是匹配的。厚的半导体结构的外延生长也是困难的，并且可能损害半导体的晶体质量。因此，使用优化的i层厚度使得能够实现高性能的微电池系统，其中由微电池提取的输出电力得以最大化。例如，对于⁶³Ni AllnP微电池，其最高电子能量为66keV，模拟表明最佳i层厚度为23μm。

为了帮助理解本发明，现在将仅通过举例的方式描述⁶³Ni AllnP微电池的示例性实施例。要求微电池的电压V_m＝1.5V，以及电流I_m＝160nA。在本实施例中，微电池包括在放射性材料的相对侧上并串联连接的二极管阵列，使得需要每个阵列来产生80nA。但是，二极管只可以定位于放射性材料的一侧上。

根据上述要求，可以计算出每个微电池阵列所需的开路电压(V_OC)和短路电流(I_SC)的值。

所需的开路电压计算为：

其中β＝q/kT。得出需要1.67V的开路电压。

根据以下等式计算填充因子(即，实际可产生的最大功率与最大理论功率之比)FF：

其中v_oc＝V_OCβ。确定填充因子为0.7。

所需的短路电流I_SC与填充因子以及所需的I_m和V_m值有关，并由下式给出：

已经发现，对于I_m为80nA的微电池阵列，需要103nA的短路电流。

一旦计算出总的V_OC和I_SC，就可以根据放射性材料的活度和每个二极管单元的量子效率QE来计算每个微电池阵列的二极管单元的数量。每个二极管单元的短路电流和开路电压分别为I_SCpp和V_OCpp。因此，由并联连接以产生所需V_OC的V_OC/V_OCpp电池和串联连接以产生所需I_SC的I_SC/I_SCpp电池组成微电池阵列。

放射性材料可以是厚度为3μm的⁶³Niβ粒子源(尽管可以考虑其它放射性源和厚度)。此种源的发射概率随β粒子能量的函数如图18所示。⁶³Ni源的每单位面积的初始实际活度为7.91MBq/mm²，经过30年(100年半衰期)后，其将降至6.43MBq/mm²。如图17所示，由于源材料中的自吸收，对于相同的源几何形状，较高的实际活度不会导致增加的表观活度。481MBq/mg的比活度将导致每单位面积的活度从6.43MBq/mm²(实际活度)降低到3.88MBq/mm²(表观活度)。此外，如果只有一半的辐射被引导到单个微电池阵列，则认为源的每单位面积的有用表观活度A’_app是每单位面积的表观活度的一半。由下式给出每单位面积有用的表观活度A’_app：

得出向单个微电池阵列发射1.94MBq/mm²(另一半向另一个微电池阵列发射)。

微电池的每个二极管单元均被视为矩形，其面积为0.8mm×0.8mm。由下式给出入射在每个单元上的活度A_inc：

A_inc[Bq]＝A′_appS_det

其中S_det是二极管单元的面积，单位为mm²。

由下式给出每个二极管单元的短路电流：

其中E_i是以eV为单位的第i个入射到单元表面的电子的能量，QEi是第i个入射电子在能量上的单元量子效率，以及ω是电池材料的电子-空穴对产生能量。

电池的量子效率是电子能量的函数，并且可以通过仿真得出。它取决于有源层之前的死层，有源层的厚度以及有源层之后的任何死层。通过减少任何顶部死层(例如顶部触头)和p+-i-n+二极管单元的p+层的厚度，并通过优化有源i层的厚度，量子效率可以接近100％。顶部触头可以设计成使得对来自放射性材料的照射打开的面积尽可能大。叉指式触头可以用于促进此操作。可以将p+层的厚度减小到0.1μm，从而使β颗粒损失最小化，尤其是在β能量分布的高端处。

为了简化起见，假设量子效率为100％，则每个单元的短路电流为0.96nA。

一旦计算出每个单元的短路电流，就可以根据以下等式计算每个单元的开路电压V_OCpp：

其中I_ph是照明电流并等于零施加偏压时的I_SC，而I_SAT是饱和电流。可以根据施加的正向偏压从电流测量中求得饱和电流，或者可以从以下等式中理论计算得出：

其中N_C和N_V分别是导带中电子和价带中空穴的有效密度，N_A和N_D分别是受主浓度和施主浓度，D_n和D_p分别是电子扩散系数和空穴扩散系数，t_n和t_p分别是电子和空穴的寿命，E_g是半导体材料的带隙，以及n是二极管单元的理想因子。在此，使用的I_SAT的值为2.9×10^-17A(在2μm的i层AllnP p-i-n二极管中，实验得出该值)。因此，得出每个单元具有0.53V的开路电压。

根据上述要求，由下式给出每个阵列中所需的单元的总数N_tot：

每个阵列可以包括串联连接的三个子单元，其中每个子单元具有108个并联连接的二极管单元。

因此，计算得出每个微电池阵列的大小为

像素×18像素。由于每个二极管单元的面积假定为0.8mm×0.8mm，因此阵列的面积为14.6mm×14.6mm(每个单元之间的距离仅为15μm)。阵列之间⁶³Ni放射性同位素源的面积可以匹配。因此，⁶³Ni放射性同位素源的初始活度可能为1.7GBq，以及面积为14.6mm×14.6mm。

图19示出了一种微电池的示意图，该微电池具有布置在放射性材料任一侧上的两个二极管单元阵列。微电池可以具有用于防止来自放射性材料的辐射离开微电池的外部壳体。例如，壳体可以由钨制成。放射性材料和二极管之间的区域可以保持在低于大气压的压力下和/或可以将除空气以外的气体引入这些区域(例如，氦气)。

图20示出了根据实施例的二极管单元的示意图。可以通过金属有机气相外延(MOVPE)在市售(100)n-GaAs:硅衬底上生长电池的AllnP外延层，其中朝向<111>A的取向差为10度以抑制CuPt系有序相。AllnP p⁺层和n⁺层的掺杂浓度分别为5×10¹⁷cm^-3和2×10¹⁸cm^-3。对于p⁺区域，层的厚度可以是0.1μm，对于i区域可以是23μm，以及对于n⁺区域可以是0.1μm。生长之后，可以使用1:1:1的Η₃ΡO₄:Η₂O₂:Η₂O溶液，然后使用1:8:80的H₂SO₄:H₂O₂:H₂O溶液处理晶片10秒，以形成正方形(带有圆角)台面结构。背部欧姆触头(例如包括20nm的InGe和200nm的Au)可以蒸发到衬底的背面上，以及顶部欧姆触头(例如包括20nm的Ti和200nm的Au)可以在台面器件的p侧上蒸发。顶部欧姆触头可以仅部分覆盖每个单元的表面(例如25％)，从而入射在单元上的光子或粒子不会因触头而衰减。

图21示出了单元的示意性顶视图，其示出了顶部欧姆触头仅围绕电池的周边延伸。然而，可以设想具有大的开口面积的其它配置，诸如叉指式触头。作为示例，可以使用宽度为0.002mm，像素间距离为0.01mm的叉指式触头，从而仅覆盖每个单元的17％的表面。

尽管上面已经基于某些微电池要求(V_m＝1.5V并且电流I_m＝160nA)描述了示例性实施例，但是可以预期，微电池可以具有此种要求的其它值。同样，可以改变所描述的各种参数的值以满足这些要求。例如，可以提高放射性源的纯度，从而使得能够减少单元数量和减小每个阵列的尺寸。

尽管已经描述了正方形或矩形二极管单元(其可以具有或可以不具有圆角)，但是可以使用其它单元形状。例如，为了避免潜在的边缘击穿问题(如果在角处的圆度不足，可能会在正方形单元的拐角处出现问题)，并减小任何两个相邻单元所覆盖的总距离(对于圆形单元，总距离会增加)，单元可以是具有五个、六个或更多个边的多边形的形状。

尽管已经描述了台面二极管，但是可以使用平面二极管(例如，以避免高表面泄漏电流)。在这些实施例中，离子注入用于形成高电阻率的区，该区将阵列的各个二极管单元分开。

尽管已经描述了其中放射性材料布置在二极管的p侧上的实施例，但是可以想到，可以将放射性材料布置在n侧上。在此类实施例中，可以从晶片蚀刻衬底(例如，GaAs衬底)，可能或者仅留下衬底的薄层以机械地连接二极管，或者可替换地使用n型外延层以机械地连接每个阵列中的二极管(可能其中外延层未完全蚀刻穿过n层，和/或可能其中n型外延层的厚度增加以提供机械支撑)。然后，可以将n侧触头施加到该层上，并且可以使放射性同位素源靠近或直接接近该层。

Claims

1.一种核微电池，包括：

放射性材料，其放射光子或粒子；以及

至少一个二极管，其包括半导体材料，所述半导体材料布置成接收和吸收光子或粒子并响应于接收和吸收光子或粒子而产生电荷载流子，其中所述半导体材料是包括铝、铟和磷的晶格结构。

2.根据权利要求1所述的微电池，其中所述晶格结构是AlInP。

3.根据权利要求2所述的微电池，其中所述晶格结构具有晶格组成Al_0.52ln_0.48P或Al_0.53ln_0.47P。

4.根据任一前述权利要求所述的微电池，包括电极，所述电极用于收集由所述至少一个二极管由于产生所述电荷载流子而产生的电流。

5.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述至少一个二极管包括并联或串联电连接的多个二极管。

6.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述至少一个二极管包括多个所述二极管，其中一个或多个所述二极管布置在所述放射性材料的第一侧上，并且其中一个或多个所述二极管布置在所述放射性材料的相反的第二侧上。

7.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中在所述至少一个二极管和所述放射性材料之间布置有间隙，并且其中所述间隙填充有保持在亚大气压的气体。

8.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中在所述至少一个二极管和所述放射性材料之间布置有间隙，并且其中所述间隙填充有稀有气体。

9.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中在所述至少一个二极管和所述放射性材料之间布置有间隙，并且其中所述间隙填充有放射性气体。

10.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述放射性材料和至少一个二极管容纳在公共壳体内，并且其中所述壳体布置和配置成基本上防止来自所述放射性材料的所述光子或粒子离开所述壳体；或者

其中所述微电池包括屏蔽构件，所述屏蔽构件布置和配置成基本上防止来自所述放射性材料的所述光子或粒子穿过所述屏蔽构件。

11.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述至少一个二极管包括由所述晶格结构形成的PIN结或p-n结。

12.根据权利要求11所述的微电池，其中所述PIN结的i层的厚度为：≥5μm，≥10μm，≥15μm，≥20μm，≥25μm，≥30μm，≥35μm，≥40μm，≥45μm或者≥50μm；和/或

其中所述PIN结的所述i层的厚度为：≤50μm；≤45μm；≤40μm；≤35μm；≤30μm；≤25μm；≤20μm；≤15μm；≤10μm或≤5。

13.根据权利要求11或12所述的微电池，其中所述PIN结的p层和/或n层的厚度为：≤0.5μm，≤0.4μm，≤0.3μm，≤0.2μm或≤0.1μm。

14.根据权利要求11、12或13所述的微电池，包括电极，所述电极在所述PIN结或p-n结的任一侧上以用于在所述结上施加电压和/或用于收集由于在所述结中产生的所述电荷载流子而引起的电流，其中所述电极中的至少一个电极不覆盖所述结的所述至少一个电极所在的侧上的一部分，使得所述光子或粒子能够通过所述侧进入所述结而不穿过所述至少一个电极。

15.根据权利要求14所述的微电池，其中所述至少一个电极是环形的、有孔的、凹入的或叉指式的，以便不覆盖整个所述侧，并且允许所述光子或粒子进入所述结而不穿过形成所述电极的材料。

16.根据权利要求14或15所述的微电池，其中所述至少一个电极覆盖所述结的所述至少一个电极所在的所述侧的面积的≤x％，其中x选自：40；35；30；25；20；15和10。

17.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述至少一个二极管中的每个二极管面对所述放射性材料的表面是基本上多边形的。

18.根据权利要求17所述的微电池，其中所述多边形的表面具有圆角。

19.根据权利要求17或18所述的微电池，其中所述多边形的表面具有至少5个边或至少6个边。

20.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述放射性材料位于二极管半导体材料的Xmm内，其中X选自：≤5；≤4；≤3；≤2；≤1；≤0.8；≤0.7；≤0.6；≤0.5；≤0.4；≤0.3；≤0.2和≤0.1。

21.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述放射性材料是X射线和/或γ射线的源或者是β粒子和/或中子的源。

22.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述放射性材料是基本上平面块体，其具有选自≤10mg/cm²，≤9mg/cm²，≤8mg/cm²，≤7mg/cm²，≤6mg/cm²，≤5mg/cm²，≤4mg/cm²，≤3mg/cm²，≤2mg/cm²和≤1mg/cm²的质量厚度。

23.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述放射性材料是基本上平面块体，其每单位面积的表观活度选自：≥1MBq/mm²；≥2MBq/mm²；≥3MBq/mm²；≥4MBq/mm²；≥5MBq/mm²；≥6MBq/mm²；≥7MBq/mm²；≥8MBq/mm²；≥9MBq/mm²；≥10MBq/mm²；≥12MBq/mm²；≥14MBq/mm²；≥16MBq/mm²；≥18MBq/mm²；≥20MBq/mm²；≥25MBq/mm²；≥30MBq/mm²；≥35MBq/mm²和≥40MBq/mm²。

24.根据任一前述权利要求所述的微电池，包括转换器，所述转换器用于吸收由所述放射性材料放射的所述光子或粒子或与所述光子或粒子相互作用，并响应于吸收由所述放射性材料放射的所述光子或粒子或与所述光子或粒子相互作用而产生其它类型的光子或粒子；其中所述半导体材料布置成接收和吸收所述其它类型的光子或粒子，并响应于接收和吸收所述其它类型的光子或粒子而产生所述电荷载流子。

25.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述至少一个二极管是非雪崩二极管。

26.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述微电池不包括电流放大器，并且不放大来自所述微电池的电流。

27.根据任一前述权利要求所述的微电池，其中所述微电池包括外包装，所述外包装限定以下电池体积：≤50cm³，≤40cm³，≤30cm³，≤20cm³，≤10cm³，≤5cm³，≤4cm³，≤3cm³，≤2cm³或≤1cm³。

28.一种系统，包括根据任一前述权利要求所述的微电池和电子设备，所述电子设备与所述微电池连接或可连接至所述微电池以由所述微电池供电从而执行一个或多个操作。