DE1108342B

DE1108342B - Halbleiteranordnung zur unmittelbaren Erzeugung elektrischer Energie aus Kernenergie

Info

Publication number: DE1108342B
Application number: DET18013A
Authority: DE
Inventors: Dr Friedrich-Wilhelm Dehmelt; Dipl-Ing Juergen Schulz
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1960-03-09
Filing date: 1960-03-09
Publication date: 1961-06-08
Also published as: FR1286969A; US3257570A; GB936165A

Description

Halbleiteranordnung zur unmittelbaren Erzeugung elektrischer Energie aus Kernenergie Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung zur unmittelbaren Erzeugung elektrischer Energie aus Kernenergie mit mindestens einem pn-Übergang, deren Halbleiterkörper radioaktiv bestrahlt wird.
Läßt man auf einen Halbleiterkörper beispielsweise eine ß-Strahlung einwirken, so erfolgt auf Grund der durch die Strahlung in den Halbleiterkörper eingebrachten Energie eine Ionisation der im Halbleiterkörper befindlichen Atome. Befindet sich in dem bestrahlten Halbleiterkörper ein pn-Übergang, so diffundieren die bei der Ionisation frei werdenden Ladungsträger zu diesem pn-Übergang und erzeugen an ihm eine Spannung.
Diese Wirkung von radioaktiven Strahlen wurde bereits zur Herstellung elektrischer Energiequellen ausgenutzt. Bei einer bekannten Anordnung wird der mit einem pn-Übergang versehene Halbleiterkörper von einer außerhalb des Halbleiterkörpers liegenden Strahlungsquelle mit ß-Teilchen beschossen. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht jedoch darin, daß die Strahlungsquelle sich außerhalb des Halbleiterkörpers befindet, so daß nur ß-Teilchen mit hoher Strahlungsenergie in den Halbleiterkörper eingeschossen werden können. Diese hohe Strahlungsenergie hat zur Folge, daß die Lebensdauer dieser Energiezellen infolge der Zerstörungskraft der energiereichen ß-Teilchen gering ist.
Des weiteren ist auch noch eine andere Anordnung bekanntgeworden, bei der eine Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie in zwei Stufen vorgenommen wird. Zuerst werden ß-Strahlen mittels Phosphor in infrarotes Licht, dann wird das infrarote Licht mittels Photozellen in elektrische Energie umgewandelt. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht jedoch darin, daß eine zweistufige Umwandlung erforderlich ist und daß auch bei dieser Anordnung der radioaktive Stoff und die Halbleiteranordnung voneinander getrennt sind.
Zur Behebung dieser Mängel sind bei einer Halbleiteranordnung zur unmittelbaren Erzeugung elektrischer Energie aus Kernenergie mit mindestens einem pn-Übergang erfindungsgemäß in den Halbleiterkörper radioaktive Stoffe eingebaut.
Es empfiehlt sich, als radioaktive Stoffe ß-Strahler einzubauen, da unter den ß-Strahlern auch solche mit geringer Strahlungsenergie zur Verfügung stehen, durch deren Einwirkung das Halbleitergefüge nicht zerstört wird. Reine ß-Strahler sind auch deshalb erwünscht, um eine y-Strahlung auszuschließen. Die direkte Einbringung der ß-Strahler in den Halbleiterkristall gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß im Gegensatz zu außerhalb des Halbleiterkörpers befindlichen Strahlungsquellen ß-Strahler verwendet werden können, deren Energie einerseits zwar so groß ist, daß eine brauchbare Energieumwandlung zu verzeichnen ist, deren Energie aber andererseits nicht so groß zu sein braucht, daß eine Zerstörung des Halbleiterelementes zu befürchten ist.
Die radioaktiven Stoffe werden zweckmäßigerweise direkt in die Sperrschicht oder in deren unmittelbarer Umgebung in den Halbleiterkörper eingebracht. Beim Einbau ist darauf zu achten, daß Ladungsträger, die weiter als eine Diffusionslänge entfernt von der Sperrschicht entstehen, nicht zur Sperrschicht gelangen und somit auch nicht zur Entstehung der an der Sperrschicht liegenden Spannung beitragen können.
Als radioaktiver Stoff zum Einbau eignet sich beispielsweise Nickel 63 mit einer maximalen Teilchenenergie von 67 000 eV und einer Halbwertszeit von 65 Jahren. Ebenso läßt sich beispielsweise auch Palladium 107 mit einer maximalen Teilchenenergie von 35 000 eV und einer Halbwertszeit von 7 - 10s Jahren verwenden.
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt einen Halbleiterkörper mit zwei aneinandergrenzenden Zonen verschiedenen Leitungstyps 1 und 2. Zwischen diesen beiden Zonen bildet sich ein pn-Übergang aus, in dessen Übergangsbereich 3 radioaktives Palladium 107 eingebaut ist. Diese Palladiumteilchen bewirken infolge ihrer einergiereichen ß-Strahlung, daß mehr Elektronen, als dies auf Grund des thermischen Gleichgewichtszustandes der Fall ist, aus dem Valenzband in das Leitband gehoben werden. Dies hat eine erhöhte Ladungsträgerbildung von Elektronen und Löchern zur Folge, die. entsprechend ihrer Polarität zu verschiedenen Seiten der Sperrschicht wandern. Dadurch bildet sich am pn-Übergang eine Spannung aus, die sich der am pn-Übergang üblicherweise herrschenden Diffusionsspannung überlagert. Die dabei erzielte Umwandlung der Strahlungsenergie in Elektroenergie läßt sich technisch verwerten, da die von der Strahlungsenergie herrührende Spannung am pn-Übergang in einem an die Halbleiterbatterie angeschlossenen Stromkreis einen Strom liefert.
Nach Möglichkeit sollen die verwendeten ß-Strahler nicht über eine maximale Elektronenenergie verfügen, die höher ist als 100 000 eV, da sonst der Halbleiterkristall zu sehr in Mitleidenschaft gezogen bzw. sogar zerstört werden würde.
Der Einbau der radioaktiven Stoffe erfolgt zweckmäßigerweise während des Kristallziehens. Der Grad der Verunreinigung der in den Kristall eingebauten radioaktiven Teilchen soll größenordnungsmäßig 10 -7 bis 10-9 betragen. Wird beispielsweise ein mit Nickel 63 versetzter p-Kristall gezogen, so wird bei Verwendung eines Silizium-Halbleiterkörpers die Sperrschicht durch Eindiffusion von Phosphor oder einem anderen n-leitenden Material hergestellt.
Das gleiche Herstellungsverfahren eignet sich natürlich auch für Palladium oder andere radioaktive Stoffe. Ebenso kann natürlich auch ein n-leitender Siliziumkristall gezogen werden, in den dann zur Herstellung der p-Zone beispielsweise Bor oder Gallium eindiffundiert wird. Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß sich neben Silizium auch andere Halbleiterwerkstoffe eignen.
Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades soll die j-j-Strahlung eine möglichst große Anzahl von Atomen erfassen und ionisieren. Eine wichtige Voraussetzung dafür, daß von den durch die Strahlung erfaßten Atomen frei werdende Ladungsträger auch zur Sperrschicht gelangen und somit einen Beitrag zu der angestrebten Spannung liefern können, ist eine hohe Lebensdauer des verwendeten Halbleiterwerkstoffes.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Halbleiteranordnung zur unmittelbaren Erzeugung elektrischer Energie aus Kernenergie mit mindestens einem pn-Übergang, deren Halbleiterkörper radioaktiv bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper radioaktive Stoffe eingebaut sind.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktiven Stoffe im Bereich des pn-Überganges eingebaut sind.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, däß in den Halbleiterkörper f-Strahler eingebaut sind.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper Nickel 63 eingebaut ist.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper Palladium 107 eingebaut ist.
6. Halbleiterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper ß-Strahler eingebaut sind, deren maximale Elektronenenergie 100 000 eV nicht übersteigt.
7. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Halbleiterkörper ein Halbleitermaterial mit hoher Lebensdauer gewählt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1036 413, 1055144; Zeitschrift: »Electrical Engineering«, Bd.76, Heft 4, 1957,S.361.