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Primäre Spannungsquelle, bei welcher Kernstrahlungsenergie in elektrische
Energie umgesetzt wird Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur direkten
Umsetzung der Energie von Kernstrahlung in nutzbare elektrische Energie unter Verwendung
von Halbleitern.
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Es ist bereits bekannt. finit radioaktiven Stofien einen Leuchtschirm,
der mit einer entsprechenden Phosphorsubstanz bestrichen ist, zu bestrahlen. dessen
Szintillationen dann auf eine oder mehrere photoelektrische Zellen gelenkt werden.
Der Leuchtschirm kann z.13. aus feinstgepulverteni Zinksulfid finit geringem Zusatz
von -Metallionen bestehen. Bei den bekanntenEinrichtungenkann derLeuchtschirmentfallen,
wenn eine Photozelle Verwendung findet, die- unmittelbar auf Gammastrahlen anspricht.
Die bekannten, flächenhaften Photozellen ergeben jedoch nur geringe Stromausbeuten
und einen schlechten Wirkungsgrad.
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Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vetniieden werden. Gemäß
der Erfindung ist eine primäre Spannungsduelle. bei welcher Kernstrahlungsenergie
in elektrische Energie umgesetzt wird, gekennzeichnet durch einen eine Sperrschicht
enthaltenden Halbleiterkörper, der der Kernstrahlung von in der Nähe angeordnetem
radioaktivem Material derart ausgesetzt ist, daß die Strahlung den in der Nähe der
Sperrschicht befindlichen Teil des Halbleiterkörpers trifft und durch Ausgangsanschlüsse
an dein Halbleiterkörper beidseits der Sperrschicht zur Abnahme nutzbarer elektrischer
Spannung.
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Überraschenderweise hat sich nämlich leerausgestellt, da13 die durch
die Kernstrahlung in dem Hall;-leiterkörper erzeugten Ladungsträger in einem weiten
Bereich auch außerhalb der eigentlichen Sperrschicht zur Stromlieferung beitragen,
so daß die Einrichtung gemäß der Erfindung einen hohen Nutzeffekt aufweist. Diese
sogenannte radioaktive Batterie besitzt eine sehr lange Lebensdauer und eignet sich
besonders für die Leistungsversorgung von Transitorschaltungen.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer radioaktiven Batterie
gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist ein Energiediagramm zur Erklärung der Wirkungsweise
einer Einrichtung nach Fig. 1; Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung eines Punktkontakthalbleiters ; Fig.4 ist eine teilweise
schematische Darstellung einer radioaktiven Batterie gemäß der Erfindung mit einer
Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleitern zur Lieferung eines Stromes an einen
Verbraucher; Fig.5 ist eine perspektivische Darstellung einer möglichen Art der
ohinschen Anschlüsse an Einrichtungen nach Fig.4; Fig.6 zeigt eine schematische
Schaltung einer radioaktiven Batterie, in welcher eine Mehrzahl von Flächenhalbleitern
in Reihe geschaltet sind; Fig.7 und 8 sind teilweise schematische Darstellungen
von weiteren Ausführungsformen der Erfindung und Fig.9 eine perspektivische Darstellung
einer weiteren Ausführungsform, in welcher eine radioaktive Batterie einen Halbleiter
mit einer Mehrzahl von Inversionsschichten enthält.
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In allen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bestandteile
mit demselben Bezugszeichen versehen.
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Die Fig. 1 enthält die radioaktive Batterie eine sogenannte kalte
Quelle 11 energiereicher Kernstrahlung. Die Bezeichnung .>kalt« soll ein radioaktives
Präparat andeuten, im Gegensatz zu dem Wort »heiß «, wie es bei Glühkatoden verwendet
wird. Die Quelle 11 kann aus einem einzigen oder aus einer Kombination von Materialien
bestehen, welche geladene Teilchen und/oder eine neutrale Strahlung abgeben. Derartige
Strahler können beispielsweise aus Polonium und aus Uran bestehen (welche beide
positiv geladene Alphateilchen aussenden), aus Strontium 90 oder Tritium (welche
beide negativ geladene Betateilchen abgeben), aus Kobalt 60 (welches neutrale Gammastrahlen
abgibt) und aus zahlreichen anderen radioaktiven Isotopen.
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Der Halbleiter 13, der bestrahlt werden soll, besteht aus einem p-n-Flächenhalbleiter,
in welchem die Inversionsschicht entweder bei der Züchtung oder nachträglich
durch
einen Legierungsprozeß hergestellt ist. Wenn man ii-Germanium für die eine der Zonen
des Halbleiters wählt, so kann die angrenzende p-Zone durch Legieren mit Indium,
Bor oder Gallium erzeugt werden. Wenn p-Germanium oder p-Silizium für die eine dieser
Zonen verwendet wird, so kann das Legierungsmaterial beispielsweise Blei, Antimon
oder Gold-Antimon sein. Punktkontakthalbleiter können ebenfalls als Teil einer radioaktiven
Batterie verwendet werden.
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Es sei angenommen, daß die Fläche und die Dicke des Halbleiters 13
genügend groß sind, um praktisch die ganze von der Quelle il emittierte Strahlung
zii absorbieren. Beispielsweise ist bei einem Germaniumhalbleiter und einer Strahlenquelle
aus Strontium 90 eine Dicke von etwa 1,25 inm ausreichend. Die erforderliche Dicke
eines ebenso bestrahlten Siliziumliallr leiters beträgt etwa das Doppelte.
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Der Flächenhalbleiter 13 wird der energiereichen radioaktiven Strahlung
ausgesetzt, so daß ein möglichst großer Teil der auftreffenden Strahlung in der
\'ähe der Inversionsschicht 15 absorbiert wird. Die von der Quelle 11 emittierte
Strahlung wirkt auf die Valenzhänder in dem festen Halbleiterkörper 13 ein (wenn
ein Kristall mit Valenzbändern, wie Germanium oder Silizium, verwendet wird und
macht Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in dein Halbleiterkörper frei. Im Energiediagramm
nach Fig.2 entspricht die Freisetzung dieser Lagungsträger der Anhebung von Elektronen
ans dem besetzten Band 23 in das Leitungsband 25, so daß in dem besetzten Band Löcher
entstehen. Wenn die auftreffende Strahlung eine 'Mindestenergie hat. die gleich
oder größer ist als der Energiebetrag der leeren oder verbotenen Zone, so werden
in dem festen Halbleiter 13 sowohl Elektronen wie Löcher erzeugt. Diese Ladungsträger
können also an dem Stromleitungsprozeß teilnehmen. Die Energielöcken für Germanium
und Silizium sind etw 0,72 bzw. 1.12 Elektronenvolt.
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In der Nähe der Inversionsschicht existiert eine elektrostatischePotentialschwelle
zwischen der p-Zone und der n-Zone des Halbleiters. Unter dem Einfluß dieses elektrostatischen
Potentials durchfließen die freigesetzten Ladungsträger die Inversionsschicht nur
in einer Richtung. In Fig. 2 wandern also Elektronen auf der Kurve 25 nach unten
und Löcher auf der Kurve 23 nach oben. Nahezu alle Ladungen, welche in die Nähe
der Inversionsschicht gelangen, können gesammelt werden und zu der Klemmenspannung
und dem Ausgangsstrom des Halbleiters beitragen. Manche dieser Stromträger werden
in dem [nversionsschichtgel>iet 15 erzeugt. Andere Ladungsträger werden außerhalb
des Inversionsschichtgebietes 15 erzeugt und unterliegen anfänglich keinem elektrostatischen
Potential. Wenn jedoch diese Träger eine genügend lange Lebensdauer und eine genügend
große Diffusionslänge besitzen und nicht mit entgegengesetzt geladenen Trägern rekombinieren,
so treten sie lediglich durch Diffusion in den Inversionsschichtbereich ein und
verstärken den Ausgangsstrom. Der Ausgangsstrom durchfließt den Verbraucherkreis
21 in Fig. 1. Der Verbraucher 21 kann an dein bestrahlten Halbleiter 13 beispielsweise
finit angelöteten ohinschen Kontakten 17 und 19 angeschlossen werden, welche die
Anschlüsse an die 1)-Zone und die n-7one des Halbleiters herstellen.
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Das radioaktive 'Material kann als Überzug auf einer oder mehreren
Flächen des Halbleiters angebracht werden, so daß dieser als Träger des radioaktiven
Strahlers dient und dessen Emission gut ausgenutzt wird.
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Die folgende Tabelle enthält die Daten der radioaktiven Batterie nach
Fig. 1, wenn eine Strontium-90-Quelle von 50-'Iilli-Curie benutzt wird.
| Germanium I Silizium |
| I |
| V.""" (Leerlaufspannung) . . . . . . . .. . . . 30 Minivolt
200 ZMillivolt |
| IS (Kurzschlußstrom) ................ 40Mikroampere 101 Mikroampere |
| m (Stromvervielfachungsfaktor) . .. .. 1,25- 105 3 -
104 |
| P (maximale Leistungsübertragung) . . 0.3 :Mikrowatt 1,0 Mikrowatt |
| Z (innerer Widerstand) . . . . . . . . . . . . . 200 Ohm 10
000 Ohni |
In dieser Tabelle ist
13 = eRL -mIB: dabei bedeutet e die Ladung eines Elektrons,
R die Erzeugungsgeschwindigkeit der Ladungsträger. L die Diffusionslänge der Ladungsträger,
na den Stronivervielfachungsfaktor und 1B den äquivalenten Strom der radioaktiven
Quelle 11.
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Für die Leerlaufspannung h,@ax gilt
wobei I, der Sättigungsstrom der Inversionsschicht in der Sperrichtung ist, T die
absolute Temperatur in Grad Kelvin und K die Boltzmann-Konstante.
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Die vorstehend beschriebene Anordnung stellt eine Energiequelle dar,
die viele Vorzüge hat. Die ganze Batterie ist außerordentlich klein und nimmt nur
einen Bruchteil eines Kubikzentimeters ein. Die Batterie hedarf keiner äußeren Speisung,
d. h., die von ihr gelieferte elektrische Energie an ihren Ausgangsklemmen rührt
lediglich von der Energie der radioaktiven Strahlung her. Es sind keine Glühkatoden
oder äußere Eingangsspannungen nötig. Diese sogenannte Batterie ist sehr widerstandsfähig
und wird durch Vibrationen oder mechanische Stöße nicht beeinflußt. Der Wirkungsgrad
der Umwandlung der Kernenergie in elektrische Energie ist recht gut, wie sich aus
den Stromverstärkungsfaktoren der Tabelle ergibt. Der innere Widerstand ist erheblich
niedriger als der gegenwärtig bekannter radioaktiver Energiequellen und eignet sich
besonders zur Leistungsversorgung von Transistoren und anderen Schaltungen, welche
niedrige Spannungen und Ströme erfordern. Die nutzbare Lebensdauer ist außerordentlich
lang. Wenn beispielsweise Kobalt 60 benutzt wird, so kann die Quelle eine Lebensdauer
von mehr als 5 Jahren besitzen, während bei Benutzung von Strontium 90 die Lebensdauer
sogar 25 Jahre betragen kann.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher ein Punktkontakthalbleiter 24 an Stelle eines Flächenhalbleiters
benutzt wird. Die Wirkungsweise ist ganz ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig.
1. Die auffallende Kernstrahlung erzeugt Ladungsträger in dem Halbleiterkörper 26.
Die in der Inversionsschicht in der Umgebung der Punktkontaktelektrode 27 erzeugten
Ladungsträger und die La(Iungsträger, welche in dieses Inversionsschichtgebiet diffundieren,
fließen in einer Richtung unter dein hiiifluß einer elektrostatischen Potentialschwelle
durch die Inversionsschicht hindurch. Dieser Leitungsprozeß führt zu der Entstehung
einer Spannung all den Ausgangsklemmen, welche einen Strom durch den Verbraucherwiderstand
21 hervorruft.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Eriindung, in welcher
eine Mehrzahl von parallel geschalteten Flächenhalbleitern 13 benutzt wird. jeder
Halbleiter wird durch die Emission der radioaktiven Quelle 11 erregt und liefert
einen Teil des Ausgangsstroines der ganzen Einrichtung. Die Abstandshalter 29, z.
B. aus Polystvrol oder Glimmer, trennen die nebeileinanderliegenden Halbleiter und
verhindern deren gegenseitigen Kurzschluß. Wenn Germaniumkörper in dieser Weise
aufeinandergeschichtet werden und eine Strontium-90-Quelle benutzt wird, so wird
in drei oder vier Flächenhalbleitern mit einer Dicke von je 0,25 bis 0,38 mm die
Strahlung fast vollständig absorbiert. Bei Siliziumhalbleitern tritt eine Absorption
der Strahlung bei etwa sechs Halbleiterkörpern auf. ÄIan kann jedoch auch eine größere
Zahl von dünneren Halbleitern benutzen. Ein Vorteil der Einrichtung nach Fig. 4
bestellt darin, daß die energiereiche Strahlung die Halbleiterkörper transversal
zur lnversionsschichtrichtulig durchsetzt. Da einige Ladungsträger auch außerhalb
des Inversionsschichtgebietes erzeugt werden und die Halbleiterkörper dünn sind.
brauchen diese Träger nur kürzere Strecken zu durchlaufen, um in das Inversionsschichtgebiet
zu gelangen. Dadurch rekombinieren weniger Elektronen und Löcher, und der Ausgangsstrom
vergrößert sich somit. Die Anordnung nach Fig.4 ist insbesondere vorteilhaft, wenn
Halbleitermaterialien benutzt werden, in denen die Ladungsträger nur kurze Diffusionslängen
besitzen.
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Fig. 5 zeigt. wie die ohnischen Anschlüsse bei der Einrichtung nach
Fig.4 ausgeführt werden können. Zwei Anschlußkleinnien 17 und 19 sind an jedem der
getrennten Halbleiter auf beliebige Weise, z. B. mittels eines niedrigschmelzenden
Lotes, befestigt. Die Klemme 17 ist mit dem p-.NIaterial und die Klemme 19 mit dem
n-NIaterial verbunden. Die Klemmen 17 und 19 können beispielsweise aus Nickel bestehen
und mit den p- bzw. dein n-Material an einem beliebigen zweckmäßigen Punkt verbunden
werden.
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Die Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, welche sich zur Herstellung
höherer Spannungen eignet als die vorbei- beschriebenen Ausführungsformen. Bei der
Einrichtung nach Fig. 6 sind die Halbleiter 13 nach dem Legierungsverfahren hergestellt.
Der Körper 31 des Halbleiters 13 kann beispielsweise aus n-Gerlnanium bestehen,
und sein p-Teil ist der Inversionsschichtbereich zwischen dem Teil 31 und einer
Indiumpille 33. Man kann jedoch auch andere Materialien und andere Bauformen der
Halbleiter, z. B. die obenerwähnten Punktkontal:thalbleiter und Flächenhalbleiter
mit gezüchteter Inversionsschicht, benutzen. Die Halbleiter 13 werden so aufeinandergeschichtet,
daß die auffallende radioaktive Strahlung von der Quelle 11 nacheinander alle Halbleiter
durchdringt. Dabei sind die Halbleiter so angeordnet, daß das 1)-11aterial des einen
das n-@laterial des nächsten unmittelbar berührt.
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Durch diese Anordnung der 1laterialien wird ein ohmscher Kontakt zwischen
den aufeinanderfolgenden Halbleitern erzeugt, und die gesamte Ausgangsspalinung
der Batterie ist die Summe der Spannungen der einzelnen Halbleiter. An dein ganzen
Stapel kann die Summenspannung für einen Verbraucherwiderstand 21 durch Anschluß
eines \7ickell)andes 18 all das Germanium des ersten und eines Leiterdrahtes 35
an die Indiumpille des letzten Halbleiters abgenommen werden. Die Dicke und Zahl
der Halbleiter, die gestapelt werden können, bestimmt sich nach denselben Gesichtspunkten
wie in Fig. 4 und 5 und außerdem durch die gewünschte Klemmenspannung. Somit sind
die Energie und die Art der Kernstrahlungen, die Al)-messung des einzelnen Halbleiterkörpers
und die Art des zu ihrer Herstellung verwendeten ?Materials ebenfalls maßgebend.
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In Fig. 7 ist die radioaktive Quelle 11 zwischen zwei nach dem Legierungsverfahren
hergestellten Halbleitern angeordnet, welche Rücken an Rücken liegen. Die energiereichen
Strahlen erzeugen Ladungsträger in jedem Halbleiter, welche die betreffenden Inversionsschichten
durchsetzen und eine Spannung all den Ausgangsklemmen jedes Halbleiters erzeugen.
Die ohmsche Verbindung zwischen dem n-Gebiet 31 des einen Halbleiters und dem li-Gebiet
des anderen geschieht über den radioaktiven Strahler 11, der vorzugsweise in einem
metallischen Träger befestigt ist. Der Strahler ist mit einer Klemme des Verbraucherwiderstandes
21 verbunden. Die Pillen 33, welche die p-Leitfähigkeit der Körper 31 jedes Halbleiters
erzeugen, sind miteinander und mit der anderen Klemme des Verbrauchers verbunden.
Die Dicke jedes Halbleiters 13 wird vorzugsweise gleich der Eindringtiefe der radioaktiven
Strahlung in das Material gewählt. Die Vorteile der Anordnung nach Fig. 7 sind eine
Vergrößerung des Ausgangsstromes um den Faktor 2 und eine bessere Ausnutzung der
Strahlung der Quelle 11.
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Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in welcher
der Halbleiter 13 ein nach dem Legierungsverfahren hergestellter Flächenhalbleiter
mit einem Halbleiterkörper 31 ist, mit welchem zwei Verunreinigungspillen nach dem
Legierungs- und Diffusionsverfahren vereinigt sind. Die elektrostatischen Potentialschwellen
44, welche durch diesen Legierungsprozeß hervorgerufen werden, entstehen zwischen
dem Körper 31 und den Pillen 33. Wenn der Körper 31 aus n-Germanium besteht, können
die eindiffundierten Verunreinigungspillen aus Indium oder einem anderen der obenerwähnten
:Materialien bestehen. Die Verunreinigungspille, welche mit dem der Quelle 11 zunächst
gelegenen Teil des Halbleiterkörpers legiert und in ihn eindiffundiert ist, wird
sodann vom Körper 31 entfernt. Wenn diese Einrichtung darin mittels der Quelle 11
bestrahlt wird, so fließen Ladungsträger in der Richtung jeder elektrostatischen
Potentialschwelle. Wegen der zwei vorhandenen Schwellen ist die Zahl der Rekombinationen
von Elektronen und Löchern, die auftreten können, nur noch etwa halb so groß. Der
Ausgangsstrom im Verbrancher 21 ist dementsprechend doppelt so groß. Der Zweck der
Entfernung der Verunreinigungspille gegenüber der Quelle 11 besteht darin, eine
Materialmenge zu entfernen, welche die radioaktive Emission absorbieren würde, ohne
zu der Ausgangsenergie des Halbleiters beizutragen.
Die Fig. 9 zeigt
eine weitere Ausführungsform der Erfindung. in welcher eine Mehrzahl von durch Züchtung
entstandenen Flächenhalbleitern 37 verwendet wird. Jeder dieser Halbleiter enthält
einen geeigneten geformten Körper, in welchem p-Gebiete und n-Gebiete miteinander
abwechseln. Die Halbleiter 37 können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
Eines dieser Verfahren besteht darin, einen Impfkristall aus Germanium in eine Germaniumschmelze
einzutauchen. Der Impfkristall wird dann aus der Schmelze mit solcher Geschwindigkeit
herausgezogen, daß das geschmolzene Material an ihm haftet. Während des Herausziehens
des Impfkristalls wird der Verunreinigungsgehalt in der Schmelze geändert, um eine
kontrollierbare Änderung der Leitfähigkeit oder eine Inversion der Leitfähigkeit
der Schmelze und des herausgezogenen Materials hervorzurufen. Wenn beispielsweise
die Schmelze anfänglich n-Leitfähigkeit besitzt, kann sie durch Zugabe eines Akzeptormaterials.
z. B. von Gallium, eine p-Leitfähigkeit erhalten. Durch darauffolgende Beigabe eines
Donators, z. B. Antimon, läßt sich wieder eine n-Leitfähigkeit hervorrufen.
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Die Halbleiter 37 entsprechen je der Serienschaltung nach Fig. 6 und
sind verhältnismäßig nalie# beieinander angeordnet. Zwischen die Halbleiter 37 ist
das radioaktive Material 11 eingelagert. Da der Strahler 11 einen niedrigen ohmschen
Widerstand hat, sind Isolierschichten 39 zwischen den Strahler 11 und die Halbleiter
37 eingefügt. In Fig. 9 sind die verschiedenen Halbleiter parallel geschaltet, um
Strom mit höherer Spannung an den Verbraucher 21 zu liefern. Sofern noch höhere
Spannungen gewünscht werden, kann man die einzelnen Halbleiterkörpern auch in Serie
zueinander schalten. Auf diese Weise lassen sich Spannungen von etwa 100 Volt erzeugen.
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Bei der Anordnung nach Fig. 9 mit einer Mehrzahl von bei der Züchtung
entstandenen Inversionsschichten ist es notwendig, das abwechselnde Inversionsschichten
einen niedrigen ohmschen Widerstand haben. Daher werden die Schichten 31 und 43
etwa mittels eines Sandstrahlgebläses oder durch Kupferplattierung nachträglich
zerstört. Wenn die Schichten nicht in dieser Weise behandelt werden, so ist der
Strom, der eine gegebene Inversionsschicht durchsetzt, etwa gleich groß und entgegengesetzt
gerichtet wie der einer benachbarten Inversionsschicht. Der gesamte von jedem Halbleiter
37 gelieferte Strom würde dann fast Null sein.
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Wenn man auf eine hohe Ausnutzung der Emission Wert legt, so kann
man einen Zylinder herstellen, dessen innerer Bereich einen anderen Leitfähigkeitstyp
besitzt wie sein äußerer Bereich, so daß eine zylindrische Potentialschwelle entsteht.
Längs der Achse kann eine zylindrische Bohrung angebracht werden, in welche das
radioaktive Material eingesetzt wird.