DE102010004923A1 - Betavoltaische Energiequelle mit hohem Wirkungsgrad - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet betavoltaischer Energiequellen. Sie wandelt die Strahlungsenergie radioaktiver Inhaltsstoffe direkt in Energie um. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe mit höherem Wirkungsgrad als die bisherigen betavoltaischen Wandler, nukleare Strahlungsenergie in elektrische Energie direkt zu wandeln. In einer Super-Junction-PN-Diode wird eine gefaltete Raumladungszone aus einem n-dotierten Bereich (2) und einem p-dotierten Bereich (3) in enem sehr beschräntem Gesamtvolumen (6) erzeugt. Die Raumladugszone überdeckt aufgrund der Faltung ein großes Volumen. Daher steigt das Schnittvolumen mit dem durch eine eingebaute Mikroquelle (5) bestrahltem Volumen gegenüber herkömmlichen betavoltaischen Vorrichtungen und dait der Wirkungsgrad.

Description

  • Einleitung
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet betavoltaischer Energiequellen. Sie wandelt die Strahlungsenergie radioaktiver Inhaltsstoffe direkt in Energie um.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Erfindung stellt sich die Aufgabe mit höherem Wirkungsgrad als die bisherigen betavoltaischen Wandler, nukleare Strahlungsenergie in elektrische Energie direkt zu wandeln.
  • Stand der Technik
  • Bisherige betavoltaische Wandler auf Basis halbleitender pn-Dioden besitzen nur in einem relativ kleinen Raumvolumen ein eingebautes elektrostatisches Feld. Hierdurch kann nur ein kleiner Teil der bei der Bestrahlung generierten Elektron-Loch-Paare getrennt werden. Außerdem werden die radioaktiven Elemente in der Regel außerhalb der Raumladungszone und nicht unmittelbar am pn-Übergang platziert. In der Vergangenheit wurde versucht, diesen Mangel beispielsweise durch MEMS Strukturen zu begegnen, bei denen das radioaktive Material in mikromechanischen Gräben neben den pn-Übergängen platziert wurde. Doch auch hierbei wurden nur sehr geringe Wirkungsgrade von selten mehr als 3% erzielt.
  • Erfindungsgemäße Vorrichtung und Prozess zum Herstellen derselben
  • Die Erfindung wird anhand der 1 bis 3 erläutert.
  • Basis der Erfindung ist ein Super-Junction-Device wie es in 1 dargestellt ist. Die Details der beispielhaften Herstellung der ebenso beispielhaften Struktur können bis auf die Methode zur Herstellung des Merkmals (5) der Literatur entnommen werden. (z. B. DE 199 18 028 A1 oder DE 103 01 496 B4 ) Die Methode zur Herstellung des Merkmals (5) wird später beschrieben.
  • Super-Junction-Devices werden normalerweise für die Leistungselektronik benutzt. Sie bestehen grob vereinfacht aus der Kathode (1) (siehe 1), einer Drift-Region (6), in die die Finger der n-Dotierung (2, 11) hineinreichen, einem p-Gebiet (3, 10), dass ebenso fingerförmig mit dem n-Gebiet verzahnt ist. Die Dotierungsdichte über mehrere Säulen hinweg ist in diesem Gebiet (6) hierbei für die n- und für p-Dotierung in etwa gleich so dass sich ein quasi im Mittel intrinsisches Gebiet ergibt. Natürlich können die Verzahnungen auch als n-dotierte Säulen in einem p-Gebiet und umgekehrt ausgeführt werden. Deren Dotierung wird dann etwas erhöht und die p-Dotierung abgesenkt, so dass sich immer noch ein quasi intrinsisches Gebiet ergibt. Wichtig ist einzig, dass die Raumladungszonen einen gewissen Raumbereich (6) zwischen der Kathode (1) und der Anode (4) möglichst komplett ausfüllen. Durch die Verschachtelung der p- und n-Schichten wird die Raumladungszone des pn-Übergangs der Diode praktisch aufgefaltet, was den Raum (6) mit einem Drift-Feld füllt, dass mal in die eine, mal in die andere Richtung zeigt. Dieses gefaltete, hochvolumige Drift-Feld ist in der Lage, durch die radioaktive Strahlung gebildete Elektron-Loch-Paare mit höherer Wahrscheinlichkeit zu trennen, als ein ungefalteter pn-Übergang. Wird eine radioaktive Quelle (5) in dieses gefaltete Raumladungspaket hinein gesetzt, so wird ein wesentlich höherer Anteil der freiwerdenden Energie gewandelt.
  • Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass auch eine horizontale Schichtung von n- und p-Bereichen – beispielsweise durch MBE – zu einer vertikalen Aufeinanderfolge von pn-Übergängen führen kann, die die gleiche Wirkung wie ein gefalteter Super-Junction-Übergang im Sinne dieser Beschreibung haben.
  • Zweckmäßigerweise wird das Bauteil in ein Package (7) eingesetzt. (2). Dies kann vor oder nach der Herstellung der Quellen (5, 8) geschehen. Aus strahlenschutztechnischen Gründen ist jedoch die Fertigung nach der Montage sinnvoll, da dann Standard Produktionslinien benutzt werden können.
  • 3 zeigt grob schematisch eine beispielhafte, besonders saubere Methode zur Herstellung der radioaktiven Quellen (5, 8). Ein Hochenergie-Ionen-Strahl des radioaktiven Isotops (12) wird mit Hilfe einer magnetischen Linse (13) fokussiert und an geeigneter Stelle im Bauteil (14) platziert. Dort bildet sich dann die Quelle (5, 8). Die Lage der Quelle wird dabei durch Einstellung der Implantationsenergie und des Implantationsortes auf dem Bauteil so gewählt, dass die Quelle im Zentrum des aufgefalteten Rauladungszonenpaketes liegt. Dies führt zu einer maximalen Wechselwirkung mit dem Raumladungszonenpaket und damit zu einem maximalen Wirkungsgrad.
  • Schließlich sollte noch erwähnt werden, dass es besonders vorteilhaft ist, die Dosis so zu wählen, dass die Freigrenze nicht überschritten wird, da dann das Bauteil als Ganzes entsprechend den gesetzlichen Vorschriften als nicht radioaktiv gilt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung, insbesondere auch gegenüber anderen betavoltaischen Zellen besteht in der festen Umschließung der Quelle. Die implantierten Atome werden im Kristall des Halbleiters fest eingeschlossen und können so nicht unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Werden Quellenisotope geringer Reichweite, beispielsweise Beta-Strahler verwendet, so werden diese durch den Kristall und die Raumladungszone bereits abgeschirmt. Somit ist eine Gefährdung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zuverlässig verhindert.
  • Figuren
  • 1: Grobes, beispielhaftes Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • 2: Beispielhafter schematisierter Aufbau in einem Premolded-Open-Cavity-Gehäuse
  • 3: Schema des Herstellungsverfahrens
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19918028 A1 [0005]
    • DE 10301496 B4 [0005]

Claims (8)

  1. PN Halbleiter Diode, insbesondere Super-Junction-Diode, dadurch charakterisiert, dass mindestens eine ihrer unbestromten Raumladungszonen durch Falten oder Ausbuchten dieses pn-Übergangs oder durch Stapeln mehrerer Übergänge ein vergrößertes, anteiliges Raumvolumen im Strahlungsbereich mindestens einer radioaktiven Quelle (5, 8) aufweist und dass mindestens diese radioaktive Quelle (5, 8) sich innerhalb des rechteckigen Volumens (6) befindet, dass durch die äußerten Ränder und Schichten der betreffenden Raumladungszone definiert wird.
  2. PN Diode nach Anspruch 1 dadurch charakterisiert, dass die radioaktive Quelle Isotope enthält, die Beta-Strahler sind.
  3. PN Diode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2 dadurch charakterisiert, dass sich mindestens eine der radioaktiven Quellen (5, 8) im oder zumindest nahe am Schwerpunkt des besagten rechteckigen Volumens mindestens einer Raumladungszone (6) befindet.
  4. PN Diode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch charakterisiert, dass sie vor dem Einbau mindestens einer Strahlungsquelle in ein offenes Gehäuse eingebaut wurde, um die spätere Fertigung der radioaktiven Quellen (5, 8) zu ermöglichen.
  5. Verfahren zur Fertigung einer radioaktiven Mikroquelle dadurch charakterisiert, dass ein Ionenstrahl radioaktiver Isotope durch eine ionenoptische Einrichtung auf ein Target fokussiert wird und dass dort durch Ionenimplantation besagte Mikroquelle nach diesem Anspruch entsteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch charakterisiert, dass er zur Herstellung eines Bauelementes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 benutzt wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 6 dadurch charakterisiert, dass das Target ein mikrotechnisches, insbesondere elektronisches Bauelement ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dass sich das Target während des Implantationsschrittes nach mindestens einem der Verfahren 5 bis 7 in einem offenen Gehäuse, insbesondere einem Open-Cavity-Package für mikrotechnische Bauelemente, befindet, dass in einem nach dem Implantationsschritt folgenden Schritt verschlossen wird.
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