RU2605758C1 - Electric power supply source - Google Patents
Electric power supply source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2605758C1 RU2605758C1 RU2015139622/07A RU2015139622A RU2605758C1 RU 2605758 C1 RU2605758 C1 RU 2605758C1 RU 2015139622/07 A RU2015139622/07 A RU 2015139622/07A RU 2015139622 A RU2015139622 A RU 2015139622A RU 2605758 C1 RU2605758 C1 RU 2605758C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- semiconductor
- semiconductor converter
- converter
- polycrystalline
- radioactive isotope
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
- G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для преобразования радиоактивной энергии в электрическую.The invention relates to energy and can be used to convert radioactive energy into electrical energy.
Уровень техникиState of the art
Энергия, испускаемая при радиоактивном распаде ядер нестабильных изотопов, преобразуется в кинетическую энергию дочернего ядра (ядро, получаемое в результате распада) и испускаемых частиц. Эта кинетическая энергия продуктов распада может быть преобразована в электрическую.The energy emitted during the radioactive decay of the nuclei of unstable isotopes is converted into the kinetic energy of the daughter nucleus (the nucleus resulting from the decay) and the emitted particles. This kinetic energy of the decay products can be converted into electrical energy.
Привлекательность применения источников ионизирующих излучений в составе генераторов напряжения или тока обусловлена несколькими причинами. Во-первых, это компактность и высокая энергоемкость изотопов, она превосходит химические источники (аккумуляторы, солевые и щелочные элементы питания, топливные элементы и др.) в десятки и сотни тысяч раз. Во-вторых, при создании источника тока или напряжения на основе радиоактивного распада время непрерывной работы будет зависеть только от периода полураспада и может составлять десятки лет.The attractiveness of using ionizing radiation sources as part of voltage or current generators is due to several reasons. Firstly, it is compact and highly energy-intensive of isotopes; it exceeds tens and hundreds of thousands of times chemical sources (batteries, salt and alkaline batteries, fuel cells, etc.). Secondly, when creating a current or voltage source based on radioactive decay, the time of continuous operation will depend only on the half-life and may be tens of years.
Для прямого преобразования кинетической энергии продуктов распада в электрическую часто используются полупроводниковые элементы с p-n-переходами. В этих элементах существует встроенное в переходах электрическое поле, необходимое для эффективного разделения электронно-дырочных пар, создаваемых радиационным воздействием. В результате чего, например, в p-n-переходе n-область заряжается отрицательно, а p-области - положительно. При этом каждая частица, получаемая в ходе радиоактивного распада, создает в материале полупроводника до нескольких десятков тысяч электронно-дырочных пар. Однако не все электронно-дырочные пары, созданные при облучении, участвуют в образовании потенциала и тока во внешней цепи источника. В результате чего повышение эффективности таких преобразователей сегодня является весьма актуальной задачей.Semiconductor elements with p-n junctions are often used to directly convert the kinetic energy of decay products into electrical energy. In these elements, there is an electric field built into the transitions, which is necessary for the efficient separation of electron-hole pairs created by radiation exposure. As a result of which, for example, in the pn junction, the n region is negatively charged, and the p region is positively charged. Moreover, each particle obtained in the course of radioactive decay creates up to several tens of thousands of electron-hole pairs in a semiconductor material. However, not all electron – hole pairs created by irradiation participate in the formation of potential and current in the external circuit of the source. As a result, improving the efficiency of such converters is today a very urgent task.
Известна ядерная батарея (пат. US 8134216 B2, публ. 13.03.2012), способная работать в сложных климатических условиях продолжительное время. В качестве бета-вольтаической ячейки используется SiC-диод с нанесенным на поверхность p-n-перехода бета-источником, например 3Н, 63Ni, 147Pm. Для повышения эффективности ядерной батареи поверхность диода модифицируют путем вытравливания канальцев размером около 300 нм, куда помещают бета-изотопы, таким образом повышается контактная площадь изотопа с диодом. В результате облучения поверхности диода бета-частицами происходит генерация электронно-дырочных пар.Known nuclear battery (US Pat. US 8134216 B2, publ. 13.03.2012), capable of working in difficult climatic conditions for a long time. As a beta-voltaic cell, a SiC diode with a beta source deposited on the pn junction surface, for example 3 N, 63 Ni, 147 Pm, is used. To increase the efficiency of the nuclear battery, the surface of the diode is modified by etching tubules of about 300 nm in size, where the beta isotopes are placed, thereby increasing the contact area of the isotope with the diode. As a result of irradiation of the diode surface with beta particles, electron-hole pairs are generated.
Основным недостатком батареи является то, что для увеличения генерации электронно-дырочных пар в диоде делают небольшие каналы, в которые помещают изотопы, что усложняет конструкцию и технологию создания батареи и ухудшает ее механические свойства. При этом выходное напряжение такой батареи составляет единицы вольт.The main disadvantage of the battery is that in order to increase the generation of electron-hole pairs in the diode, small channels are made into which isotopes are placed, which complicates the design and technology of creating the battery and worsens its mechanical properties. In this case, the output voltage of such a battery is units of volts.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей предлагаемого изобретения является повышение уровня удельного выходного напряжения радиоизотопного источника электрического питания при обеспечении удовлетворительных механических свойств.The objective of the invention is to increase the level of specific output voltage of a radioisotope source of electrical power while ensuring satisfactory mechanical properties.
Задача изобретения решается с помощью источника электрического питания, содержащего радиоактивный изотоп и полупроводниковый преобразователь. Полупроводниковый преобразователь содержит поликристаллическую структуру, обладающую анизотропией в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя. Радиоактивный изотоп размещен с обеспечением возможности попадания продуктов радиоактивного распада на/в полупроводниковый преобразователь, в одном из вариантов - на/в поликристаллическую структуру.The objective of the invention is solved by using an electric power source containing a radioactive isotope and a semiconductor converter. The semiconductor converter contains a polycrystalline structure having anisotropy in the surface plane of the semiconductor converter. The radioactive isotope is placed with the possibility of radioactive decay products entering the / in the semiconductor converter, in one of the variants - on / in the polycrystalline structure.
В преимущественном варианте осуществления изобретения радиоактивный изотоп выполнен в виде металла, причем полупроводниковый преобразователь и радиоактивный изотоп отделены слоем диэлектрика, причем слой диэлектрика выполнен с возможностью прохождения через него продуктов радиоактивного распада. В частности, радиоактивный изотоп может содержать 63Ni. Радиоактивный изотоп предпочтительно размещается около поверхности полупроводникового преобразователя.In an advantageous embodiment of the invention, the radioactive isotope is made in the form of a metal, the semiconductor converter and the radioactive isotope being separated by a dielectric layer, the dielectric layer being configured to allow radioactive decay products to pass through it. In particular, the radioactive isotope may contain 63 Ni. The radioactive isotope is preferably located near the surface of the semiconductor converter.
В частном варианте реализации полупроводниковый преобразователь может содержать поликристаллическую пленку, например структурированную, из полупроводниковых соединений AIIBVI. Радиоактивный изотоп и полупроводниковый преобразователь преимущественно размещены в корпусе, имеющем электрические выходные контакты, с которыми соединен полупроводниковый преобразователь.In a particular embodiment, the semiconductor converter may comprise a polycrystalline film, for example structured, from semiconductor compounds A II B VI . The radioactive isotope and the semiconductor converter are preferably located in a housing having electrical output contacts to which the semiconductor converter is connected.
Задача изобретения решается с помощью способа изготовления источника электрического питания по любому из вышеперечисленных вариантов. Способ включает в себя следующее шаги: на полупроводниковом преобразователе создают поликристаллическую поверхность, осуществляют термообработку полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью, около полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью размещают радиоактивный изотоп с обеспечением возможности попадания продуктов радиоактивного распада на/в полупроводниковый преобразователь. Шаг размещения радиоактивного изотопа около полупроводникового преобразователя может включать в себя приклеивание радиоактивного изотопа к полупроводниковому преобразователю или нанесение радиоактивного изотопа на полупроводниковый преобразователь путем осаждения или напыления.The objective of the invention is solved by a method of manufacturing an electric power source according to any of the above options. The method includes the following steps: a polycrystalline surface is created on a semiconductor converter, a semiconductor converter with a polycrystalline surface is heat treated, a radioactive isotope is placed near the semiconductor converter with a polycrystalline surface, allowing the products of radioactive decay to / in the semiconductor converter. The step of placing a radioactive isotope near a semiconductor converter may include bonding the radioactive isotope to the semiconductor converter or depositing the radioactive isotope on the semiconductor converter by deposition or sputtering.
Задача изобретения также решается с помощью электронного устройства, снабженного источником электрического питания по любому из описанных в настоящей заявке вариантов или изготовленным в соответствии с любым из указанных в настоящей заявке способов.The objective of the invention is also solved by using an electronic device equipped with an electric power source according to any of the options described in this application or made in accordance with any of the methods specified in this application.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении уровня удельного выходного напряжения радиоизотопного источника электрического питания при обеспечении удовлетворительных механических свойств. Указанный технический результат достигается за счет того, что поликристаллическая поверхность полупроводникового преобразователя обеспечивает повышенное выходное напряжение по сравнению с полупроводниковым преобразователем, у которой на поверхности отсутствует множество микрокристаллитов. Это связано с тем, что поликристаллическая поверхность обладает анизотропией кристаллитов в плоскости поликристаллической поверхности, то есть структурой, в которой микрокристаллиты (кристаллиты) имеют преимущественно одинаковую ориентацию, направленную в какую-либо сторону, p-n-переходы оказываются также ориентированными в одном из направлений, вследствие чего с электрической точки зрения они оказываются последовательно соединены и выходное напряжение полупроводникового преобразователя в целом возрастает. При этом в микрокристаллических структурах длина свободного пробега носителей зарядов ограничена пределами микрокристаллитов, в результате чего практически все заряды оказываются на поверхности микрокристаллита. Развитая поликристаллическая поверхность преобразователя также обеспечивает большую поверхность захвата продуктов радиоактивного распада от радиоактивного изотопа.The technical result of the present invention is to increase the level of specific output voltage of a radioisotope source of electrical power while ensuring satisfactory mechanical properties. The specified technical result is achieved due to the fact that the polycrystalline surface of the semiconductor converter provides an increased output voltage compared to a semiconductor converter, which does not have many microcrystallites on the surface. This is due to the fact that the polycrystalline surface has anisotropy of crystallites in the plane of the polycrystalline surface, that is, a structure in which microcrystallites (crystallites) have predominantly the same orientation directed in any direction, pn junctions are also oriented in one of the directions, due to which, from an electrical point of view, they are connected in series and the output voltage of the semiconductor converter as a whole increases. In microcrystalline structures, the mean free path of charge carriers is limited by the limits of microcrystallites, as a result of which almost all charges are on the surface of the microcrystallite. The developed polycrystalline surface of the converter also provides a large surface for trapping radioactive decay products from the radioactive isotope.
Кроме того, поликристаллическая поверхность полупроводникового преобразователя обеспечивает достаточную механическую прочность, которая является выше по сравнению со случаем выполнения каналов. Это связано с тем, что глубокие каналы создают регулярные ослабления изделия, проходящие на достаточно длительном расстоянии и параллельно друг другу. При этом поликристаллическая поверхность имеет иррегулярную структуру, в которой ослабления имеют незначительные величины ввиду относительно небольшой высоты кристаллитов по сравнению с их размерами в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя и, кроме того, ослабления хаотически ориентированы даже в тех случаях, когда кристаллиты имеют преимущественную ориентацию, поскольку сами кристаллиты зачастую состоят из элементов, различно ориентированных в плоскости. Вследствие этого механическая прочность во всех направлениях в плоскости преобразователя примерно одинакова, в то время как при выполнении каналов в одном из направлений механическая прочность источника значительно снижена.In addition, the polycrystalline surface of the semiconductor converter provides sufficient mechanical strength, which is higher compared with the case of the channels. This is due to the fact that deep channels create regular weakening of the product, passing at a fairly long distance and parallel to each other. In this case, the polycrystalline surface has an irregular structure in which the attenuations are insignificant due to the relatively small height of the crystallites in comparison with their dimensions in the plane of the surface of the semiconductor converter and, in addition, the attenuations are randomly oriented even when the crystallites are predominantly oriented, since crystallites often consist of elements differently oriented in the plane. As a result, the mechanical strength in all directions in the plane of the transducer is approximately the same, while when performing channels in one of the directions, the mechanical strength of the source is significantly reduced.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг. 1 показан источник электрического питания в соответствии с настоящим изобретением в разрезе.In FIG. 1 shows a cross-sectional view of an electric power source according to the present invention.
На фиг. 2 показан образец полупроводникового преобразователя в соответствии с настоящим изобретением.In FIG. 2 shows a sample semiconductor converter in accordance with the present invention.
На фиг. 3 показана диаграмма зависимости выходного напряжения источника питания от активности радиоизотопа.In FIG. 3 shows a diagram of the dependence of the output voltage of the power source on the activity of the radioisotope.
Осуществления изобретенияThe implementation of the invention
На фиг. 1 изображен один из возможных вариантов реализации предлагаемого источника электрического питания. Источник 1 радиоактивного излучения помещен над первичным полупроводниковым преобразователем 2, соединенным с внешними электрическими контактами 3. Все конструкция в показанном варианте помещена в корпус 4.In FIG. 1 shows one of the possible options for implementing the proposed source of electrical power. The
Источник 1 радиоактивного излучения может содержать различные радиоактивные изотопы, известные из уровня техники, осуществляющие радиоактивный распад, сопровождаемый альфа-, бета- и/или гамма-излучением. Однако в преимущественном варианте используются бета-излучатели, испускающие в качестве продукта радиоактивного распада бета-частицы, в частности электроны. Далее описано применение бета-изотопов, однако все конструктивные особенности источника питания также относятся и к изотопам других видов, если не сказано иное, так как все они могут формировать носители зарядов в полупроводниковом преобразователе, необходимые для получения выходного электрического напряжения или тока.The source of
Анализ параметров и характеристик известных бета-изотопов позволяет выделить в качестве наиболее подходящего для создания радиоизотопных элементов электрического питания 63Ni, как единственный бета-источник, обладающий следующими свойствами: энергия бета-частиц ниже 70 кэВ и существенно ниже порога дефектообразования в полупроводниковых структурах; период полураспада 100,1 года и соответственно срок службы около 50 лет; активность, с одной стороны, достаточная для создания элементов питания для приборов микро- и наноэлектроники, с другой стороны, не превышает десятых долей кюри на см2 и может применяться широким спектром потребителей; отсутствуют побочные излучения, в том числе гамма-излучения; проникающая способность в полупроводниковые материалы составляет десятки микрометров, что обеспечивает свободу в выборе технологии изготовления структур элементов питания.An analysis of the parameters and characteristics of known beta isotopes makes it possible to identify 63 Ni as the most suitable for creating radioisotope electric power elements as the only beta source with the following properties: beta particle energy below 70 keV and significantly lower than the threshold for defect formation in semiconductor structures; the half-life of 100.1 years and, accordingly, the service life of about 50 years; activity, on the one hand, sufficient to create batteries for micro- and nanoelectronic devices, on the other hand, does not exceed tenths of curie per cm 2 and can be used by a wide range of consumers; no spurious emissions, including gamma radiation; Penetration into semiconductor materials is tens of micrometers, which provides freedom in the choice of technology for manufacturing structures of batteries.
Таким образом, источник 1 радиоактивного излучения может быть выполнен с использованием металла, например, в виде фольги, слоя металла или пленочной напыленной структуры. В преимущественном варианте используемый радиоактивный изотоп представляет собой 63Ni. В случае применения металлического радиоактивного изотопа его следует отделять от полупроводникового преобразователя слоем диэлектрика, поскольку иначе изотоп электрически замкнет поверхность полупроводникового преобразователя и последний не сможет выполнять свою функцию по формированию электрического напряжения или тока. Необходимо также отметить, что указанный слой диэлектрика должен пропускать продукты радиоактивного распада изотопа для того, чтобы эти продукты могли проникать на/в полупроводник и формировать на/в нем носители зарядов.Thus, the
Для того, чтобы излучение радиоактивного изотопа в виде продуктов радиоактивного распада попадало на/в полупроводниковый преобразователь, изотоп должен быть размещен в преобразователе или около его поверхности, то есть, в частных случаях, над преобразователем или на нем. В том случае, когда изотоп выполнен с использованием металла и размещен над преобразователем с зазором между ними, роль диэлектрика может выполнять воздух, газ или вакуум, находящийся в зазоре - в зависимости от того, чем заполнен корпус источника питания.In order for the radiation of the radioactive isotope in the form of radioactive decay products to fall on / into the semiconductor converter, the isotope must be placed in the converter or near its surface, that is, in particular cases, above or on the converter. In the case when the isotope is made using metal and placed above the transducer with a gap between them, air, gas or vacuum in the gap can play the role of a dielectric, depending on what the power supply case is filled with.
В тех вариантах, когда металлический изотоп закрепляется непосредственно на полупроводниковом преобразователе, то способ обеспечения слоя диэлектрика будет зависеть от того, каким образом изотоп закрепляется на преобразователе. Например, в случае применения приклеивания изотопа к преобразователю, в качестве слоя диэлектрика может использоваться клей, если он обладает необходимыми диэлектрическими свойствами и достаточной пропускающей способностью в отношению продуктов радиоактивного распада. Кроме того, слой диэлектрика может быть нанесен или выполнен на металлическом изотопе и/или полупроводниковом преобразователе, например, окислением или нанесением диэлектрического материала. Если же изотоп наносят на полупроводниковый преобразователь путем осаждения или напыления, то слой диэлектрика преимущественно выполнен на полупроводниковом преобразователе, например, путем окисления или нанесения диэлектрического материала.In those cases where the metal isotope is attached directly to the semiconductor converter, the method of providing the dielectric layer will depend on how the isotope is attached to the converter. For example, in the case of applying isotope bonding to a transducer, glue can be used as a dielectric layer if it has the necessary dielectric properties and sufficient transmittance with respect to the products of radioactive decay. In addition, the dielectric layer can be deposited or made on a metal isotope and / or semiconductor converter, for example, by oxidation or deposition of a dielectric material. If the isotope is deposited onto the semiconductor converter by deposition or sputtering, the dielectric layer is preferably formed on the semiconductor converter, for example, by oxidation or deposition of a dielectric material.
Полупроводниковый преобразователь содержит множество p-n-переходов. Продукты радиоактивного распада, например бета-частицы, попадая на/в полупроводник, создают в материале полупроводника до нескольких десятков тысяч электронно-дырочных пар, которые разделяются благодаря электрическому полю, имеющемуся в p-n-переходах. Вследствие этого n-область каждого p-n-перехода заряжается отрицательно, а p-область положительно. Благодаря высокой проникающей способности бета-частиц в полупроводниковом преобразователе, снабженном бета-изотопом, образуется множество электронно-дырочных пар не только на поверхности преобразователя, но и в глубине, и, как следствие, n- и p-области p-n-переходов приобретают относительно большие заряды.A semiconductor converter contains many pn junctions. The products of radioactive decay, for example beta particles, entering the semiconductor, create up to several tens of thousands of electron-hole pairs in the semiconductor material, which are separated due to the electric field present in the p-n junctions. As a result, the n-region of each p-n junction is negatively charged, and the p-region is positive. Due to the high penetrating power of beta particles in a semiconductor converter equipped with a beta isotope, many electron-hole pairs are formed not only on the surface of the converter, but also in depth, and, as a result, the n- and p-regions of pn junctions acquire relatively large charges.
Недостатком обычных полупроводниковых преобразователей из уровня техники является то, что заряды, приобретаемые n- и p-областями p-n-переходов вышеописанным образом, вследствие плоскости поверхности преобразователей довольно быстро релаксируют в своих p-n-переходах и взаимокомпенсируются для соседних p-n-переходов. Вследствие этого выходные напряжения источников питания, представленных в уровне техники, обычно не высоки.A disadvantage of conventional semiconductor converters of the prior art is that the charges acquired by the n and p regions of the pn junctions in the manner described above, due to the plane of the surface of the converters, relax quite quickly in their pn junctions and are mutually compensated for neighboring pn junctions. As a result, the output voltages of the power supplies of the prior art are generally not high.
Для того, чтобы повысить выходное напряжение источника питания, полупроводниковый преобразователь в соответствии с настоящим изобретением снабжается поликристаллической структурой, например пленкой, слоем или поверхностью. Полупроводниковый преобразователь может представлять собой диэлектрическую (например, ситалл) или полупроводниковую подложку, на или в которой выполняется поликристаллическая структура. Такая структура может занимать часть полупроводникового преобразователя, например один из слоев или один из участков преобразователя, или же любые другие комбинации. Кроме того, полупроводниковый преобразователь может быть выполнен полностью как поликристаллическая структура.In order to increase the output voltage of the power source, the semiconductor converter according to the present invention is provided with a polycrystalline structure, for example a film, layer or surface. The semiconductor converter may be a dielectric (e.g., glass) or semiconductor substrate on or in which a polycrystalline structure is made. Such a structure may occupy part of a semiconductor converter, for example, one of the layers or one of the sections of the converter, or any other combination. In addition, the semiconductor converter can be made completely as a polycrystalline structure.
В одном из вариантов на полупроводниковом преобразователе в качестве верхнего (наиболее близкого к источнику радиационного излучения) слоя размещается полупроводниковая поликристаллическая пленка. Поликристаллической является вся пленка, однако поликристалличность наиболее очевидна на ее поверхности. Поликристаллическая поверхность представляет собой поверхность, на которой находится или на которую выходит своими гранями множество кристаллических структур малого размера, называемых кристаллитами или микрокристаллитами.In one embodiment, a semiconductor polycrystalline film is placed on the semiconductor converter as the upper (closest to the radiation source) layer. The entire film is polycrystalline, but polycrystallinity is most obvious on its surface. A polycrystalline surface is the surface on which many crystalline structures of small size, called crystallites or microcrystallites, are located or on which they face.
В преимущественном варианте микрокристаллиты имеют размеры порядка одного или нескольких микрон, однако настоящее изобретение также может быть реализовано как при меньших, так и больших размерах микрокристаллитов по сравнению с указанными. Наличие микрокристаллов на поверхности полупроводникового преобразователя может быть определено с помощью микроскопа. В тех случаях, когда микрокристаллы (кристаллиты) находятся в глубине полупроводникового преобразователя, их наличие может быть определено с помощью других способов, например рентгеноскопии или косвенно по эффектам, сопровождающим микрокристаллиты, например генерацией электрического напряжения и/или тока, в частности, повышенной величины.In an advantageous embodiment, microcrystallites have sizes of the order of one or more microns, however, the present invention can also be implemented with both smaller and larger sizes of microcrystallites compared to those indicated. The presence of microcrystals on the surface of a semiconductor converter can be determined using a microscope. In cases where microcrystals (crystallites) are located deep in the semiconductor transducer, their presence can be determined using other methods, for example, fluoroscopy or indirectly by the effects accompanying microcrystallites, for example, by generating an electric voltage and / or current, in particular of an increased magnitude.
Поликристаллический участок полупроводникового преобразователя обеспечивает повышенное выходное напряжение благодаря тому, что в микрокристаллических (поликристаллических) структурах длина свободного пробега носителей зарядов ограничена пределами микрокристаллитов, благодаря чему ограничивается релаксация зарядов в глубине полупроводникового слоя, накапливаемых n- и p-областями p-n-переходов, а также взаимокомпенсация зарядов среди соседних p-n-переходов. В результате чего практически все заряды оказываются на поверхности микрокристаллита, где они не имеют возможности быстро рекомбинировать ввиду отсутствия носителей противоположного заряда и, следовательно, могут быть использованы для подачи в нагрузку или преобразовательное устройство полезного электрического тока/напряжения. Кроме того, развитая поликристаллическая поверхность обеспечивает большую поверхность захвата продуктов радиоактивного распада от радиоактивного изотопа, что также повышает выходное напряжение ввиду большей эффективности взаимодействия продуктов радиоактивного распада с полупроводниковым преобразователем.The polycrystalline portion of the semiconductor converter provides an increased output voltage due to the fact that in microcrystalline (polycrystalline) structures the mean free path of the charge carriers is limited by the limits of microcrystallites, which limits the relaxation of charges in the depth of the semiconductor layer accumulated by the n and p regions of pn junctions, as well as mutual compensation of charges among neighboring pn junctions. As a result, almost all charges are on the surface of the microcrystallite, where they cannot quickly recombine due to the absence of carriers of the opposite charge and, therefore, can be used to supply a useful electric current / voltage to the load or converter. In addition, the developed polycrystalline surface provides a large capture surface of the products of radioactive decay from the radioactive isotope, which also increases the output voltage due to the greater efficiency of the interaction of the products of radioactive decay with a semiconductor converter.
Поликристаллическая структура полупроводникового преобразователя также обеспечивает и достаточную механическую прочность ввиду того, что поликристаллическая поверхность обычно имеет иррегулярную структуру, в которой механические ослабления имеют незначительные величины вследствие относительно небольшой высоты кристаллитов по сравнению с их размерами в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя. Кроме того, указанные ослабления хаотически ориентированы даже в тех случаях, когда кристаллиты имеют преимущественную ориентацию, поскольку сами кристаллиты зачастую состоят из элементов, различно ориентированных в плоскости.The polycrystalline structure of the semiconductor converter also provides sufficient mechanical strength due to the fact that the polycrystalline surface usually has an irregular structure in which mechanical weakenings are insignificant due to the relatively small height of the crystallites compared with their dimensions in the plane of the surface of the semiconductor converter. In addition, these attenuations are randomly oriented even in those cases when the crystallites have a predominant orientation, since the crystallites themselves often consist of elements differently oriented in the plane.
В преимущественном варианте выполнения настоящего изобретения поликристаллическая поверхность обладает анизотропией кристаллитов в плоскости поликристаллической поверхности. Под анизотропией микрокристаллов понимается ориентированность кристаллов в одном или преимущественно в одном направлении, благодаря чему встроенные p-n-переходы кристаллитов выстраиваются последовательно. Это может быть определено путем изучения поверхности полупроводникового преобразователя через микроскоп, при этом выступы микрокристаллитов будут преимущественно направлены в ту или иную, но преимущественно одну сторону в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя. Анизотропия также может быть определена через отражательные свойства поверхности полупроводникового преобразователя: свет в зависимости от направления, с которого он падает на преобразователь, будет отражаться по-разному.In an advantageous embodiment of the present invention, the polycrystalline surface has anisotropy of crystallites in the plane of the polycrystalline surface. Anisotropy of microcrystals is understood as the orientation of crystals in one or mainly in one direction, due to which the built-in pn junctions of crystallites are arranged in series. This can be determined by studying the surface of the semiconductor converter through a microscope, while the protrusions of the microcrystallites will be mainly directed to one or another, but mainly one side, in the plane of the surface of the semiconductor converter. Anisotropy can also be determined through the reflective properties of the surface of a semiconductor converter: light will be reflected differently depending on the direction from which it falls on the converter.
Продукты радиоактивного распада изотопа, размещенного около или внутри полупроводникового преобразователя (или радиоактивного изотопа, содержащегося в полупроводниковом преобразователе), попадают на/в полупроводниковый преобразователь непосредственно в области размещения поликристаллической структуры или около нее. В частном варианте продукты радиоактивного распада изотопа попадают на/в поликристаллическую структуру, обладающую анизотропией в плоскости поверхности полупроводникового преобразователя. Поверхность полупроводникового преобразователя, в плоскости которого предусмотрена анизотропия поликристаллической структуры, преимущественно является той плоскостью, в которой полупроводниковый преобразователь соседствует с радиоактивным изотопом. Например, это поверхность, обращенная к изотопу. В частном случае анизотропия кристаллитов может быть предусмотрена в плоскости поликристаллической поверхности.The products of the radioactive decay of an isotope placed near or inside a semiconductor converter (or a radioactive isotope contained in a semiconductor converter) fall on / in the semiconductor converter directly in or near the area of the polycrystalline structure. In a particular embodiment, the products of the radioactive decay of the isotope fall on / in a polycrystalline structure having anisotropy in the plane of the surface of the semiconductor converter. The surface of the semiconductor converter, in the plane of which the anisotropy of the polycrystalline structure is provided, is mainly the plane in which the semiconductor converter is adjacent to the radioactive isotope. For example, it is a surface facing an isotope. In a particular case, anisotropy of crystallites can be provided in the plane of a polycrystalline surface.
Для продуктов радиоактивного распада анизотропия поликристаллической структуры (например, поверхности) не имеет значения, так как они распространяются преимущественно во всех направлениях и поглощаются в одинаковой степени. Однако для формирования выходного напряжения анизотропия имеет высокое значение, поскольку в поликристаллической поверхности с анизотропной структурой, то есть структурой, в которой микрокристаллиты (кристаллиты) имеют преимущественно одинаковую ориентацию, направленную в какую-либо сторону, p-n-переходы оказываются также ориентированными в одном из направлений, вследствие чего с электрической точки зрения они оказываются последовательно соединены и выходное напряжение полупроводникового преобразователя в целом возрастает.For the products of radioactive decay, the anisotropy of the polycrystalline structure (for example, the surface) does not matter, since they propagate mainly in all directions and are absorbed to the same extent. However, anisotropy is of high importance for the formation of the output voltage, since in a polycrystalline surface with an anisotropic structure, that is, a structure in which microcrystallites (crystallites) have predominantly the same orientation directed in either direction, the pn junctions are also oriented in one of the directions as a result of which, from an electrical point of view, they are connected in series and the output voltage of the semiconductor converter as a whole increases.
Структурированная поликристаллическая поверхность на полупроводниковом преобразователе может быть выполнена различными способами, известными из уровня техники, например травлением, легированием, осаждением, напылением и т.п. В частности, травлению или легированию может подвергаться полупроводниковая подложка. Осаждаться или напыляться могут различные полупроводниковые материалы как на полупроводниковые, так и на изолированные подложки. В соответствии с настоящим изобретением преимущества имеют пленки из полупроводниковых соединений AIIBVI, например пленки CdTe, CdS и другие, поскольку максимальные значения выходного напряжения для них могут составлять 100-1000 В на сантиметр длины пленки. Структурированность пленки задается наличием кристаллитов.The structured polycrystalline surface on the semiconductor converter can be made in various ways known from the prior art, for example, etching, alloying, deposition, sputtering, etc. In particular, a semiconductor substrate may be etched or doped. Various semiconductor materials can be deposited or sprayed on both semiconductor and insulated substrates. In accordance with the present invention, films from semiconductor compounds A II B VI , for example, CdTe, CdS films and others, have advantages, since the maximum output voltage for them can be 100-1000 V per centimeter of film length. The structure of the film is determined by the presence of crystallites.
После создания на полупроводниковом преобразователе поликристаллической поверхности в предпочтительном варианте осуществления осуществляют термообработку полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью. Благодаря такой обработке в поликристаллической поверхности происходит перекристаллизация кристаллитов и они становятся более выраженными и более ориентированными, что приводит к дополнительному повышению выходного напряжения. На фиг. 2 показана фотография поликристаллической поверхности полупроводниковой структуры, подготовленной в соответствии с настоящим изобретением и имеющей ярко выраженную анизотропию.After a polycrystalline surface is created on the semiconductor converter, in a preferred embodiment, a semiconductor converter with a polycrystalline surface is heat treated. Due to this treatment, crystallites recrystallize in the polycrystalline surface and they become more pronounced and more oriented, which leads to an additional increase in the output voltage. In FIG. 2 is a photograph of a polycrystalline surface of a semiconductor structure prepared in accordance with the present invention and having pronounced anisotropy.
После термообработки около полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью размещают радиоактивный изотоп с обеспечением возможности попадания продуктов радиоактивного распада на/в полупроводниковый преобразователь. В частности, радиоактивный изотоп может быть приклеен к полупроводниковому преобразователю или нанесен на полупроводниковый преобразователь путем осаждения, например электрохимического, или напыления, например резистивного. В тех случаях, когда позволяют применяемые материалы, размещение радиоактивного изотопа может быть осуществлено и перед стадией термообработки - в этом случае термообработке совместно с полупроводниковым преобразователем будет подвергаться и радиоизотоп, что может повысить эффективность их взаимодействия и, как следствие, выходное напряжение источника.After heat treatment, a radioactive isotope is placed near a semiconductor converter with a polycrystalline surface, allowing radioactive decay products to fall on / into the semiconductor converter. In particular, a radioactive isotope can be glued to a semiconductor converter or deposited on a semiconductor converter by deposition, for example electrochemical, or by spraying, for example resistive. In cases where the materials used allow, the placement of the radioactive isotope can also be carried out before the heat treatment stage - in this case, the radioisotope will also be subjected to heat treatment together with the semiconductor converter, which can increase the efficiency of their interaction and, as a result, the output voltage of the source.
В ходе осуществления изобретения был получен образец высоковольтного источника электрического питания с длительным сроком службы, реализованного на основе структурированной пленки CdTe размерами 10*10 мм, полученной вакуумно-термическим методом на изолирующей подложке. Зависимость выходного напряжения U, (В) холостого хода источника электрического питания от активности A (Ки) радиоизотопного источника 63Ni приведена на фиг. 3. Данная зависимость получена при исследовании поликристаллической пленки с ориентированными микрокристаллитами со средними размерами 1 мкм. Таким образом, при реализации изобретения при активности источника 20 мКи получены значения выходного напряжения до 100 В, что существенно выше, чем у ближайших аналогов.During the implementation of the invention, a sample of a high-voltage source of electric power with a long service life, obtained on the basis of a structured CdTe film with
При описании настоящего изобретения термины «поликристаллы» или «поликристаллический», «микрокристаллы», «кристаллы», «микрокристаллиты» и «кристаллиты» использованы в качестве синонимов и являются взаимозаменяющими, если не указано обратное. Все они направлены на обозначение поликристаллической структуры всего или части полупроводникового преобразователя.In describing the present invention, the terms “polycrystals” or “polycrystalline”, “microcrystals”, “crystals”, “microcrystallites” and “crystallites” are used synonymously and are used interchangeably unless otherwise indicated. All of them are aimed at designating the polycrystalline structure of all or part of a semiconductor converter.
В целях пояснения принципа действия полупроводникового преобразователя, содержащего в соответствии с настоящим изобретением поликристаллическую структуру, использованы понятия n- и p-областей, а также p-n-перехода. В то же время следует учитывать, что принцип действия поликристаллического полупроводника может быть описан и без привлечения этих терминов, например, на уровне формирования, разделения, переноса и/или накопления носителей зарядов обоих знаков (электронов и дырок). Следовательно, существенным для настоящего изобретения является не наличие n- и p-областей или p-n-перехода, а способность формирования, разделения, переноса и/или накопления указанных носителей зарядов. При наличии механизма формирования, разделения, переноса и/или накопления указанных носителей зарядов указанные n- и p-области или p-n-переход могут быть приписаны тем или иным участкам поликристаллических структур, кристаллитов или микрокристаллов.In order to explain the principle of operation of a semiconductor converter containing a polycrystalline structure in accordance with the present invention, the concepts of n and p regions, as well as a pn junction, are used. At the same time, it should be borne in mind that the principle of operation of a polycrystalline semiconductor can be described without involving these terms, for example, at the level of formation, separation, transfer, and / or accumulation of charge carriers of both signs (electrons and holes). Therefore, it is not essential for the present invention to have the n- and p-regions or the p-n junction, but the ability to form, separate, transfer and / or accumulate said charge carriers. If there is a mechanism for the formation, separation, transfer, and / or accumulation of these charge carriers, the indicated n- and p-regions or p-n junction can be attributed to certain regions of polycrystalline structures, crystallites, or microcrystals.
Источник электрического питания в соответствии с настоящим изобретением может применяться для питания электронного устройства в качестве источника напряжения и/или тока. Для этого электронное устройство электрически соединяется с источником электрического питания по любому из описанных в настоящей заявке вариантов или изготовленным в соответствии с любым из указанных в настоящей заявке способов. Кроме электрического соединения может быть предусмотрено механическое соединение источника электрического питания с электронным устройством.An electric power source in accordance with the present invention can be used to power an electronic device as a voltage and / or current source. To this end, the electronic device is electrically connected to an electric power source according to any of the options described in this application or manufactured in accordance with any of the methods specified in this application. In addition to the electrical connection, a mechanical connection of the electrical power source to the electronic device may be provided.
В одном из вариантов электронное устройство может представлять собой микросхему, снабженную источником электрического питания в соответствии с настоящим изобретением. В частности, источник электрического питания по любому из описанных вариантов или изготовленный по любому из описанных способов может являться неотъемлемой составной частью устройства, изготавливаться, например, в одном (едином) технологическом цикле с электронным устройством и располагаться в едином корпусе устройства. Например, такой источник питания, содержащий поликристаллические полупроводниковые структуры, на/в которые попадают продукты радиоактивного распада радиоизотопа, может быть выполнен на том же кристалле/подложке, на которой выполнена микросхема. Такое устройство может называться электронным устройством с совмещенным питанием.In one embodiment, the electronic device may be a microcircuit provided with an electric power source in accordance with the present invention. In particular, an electric power source according to any of the described options or manufactured according to any of the described methods can be an integral part of the device, manufactured, for example, in one (unified) technological cycle with an electronic device and located in a single device case. For example, such a power source containing polycrystalline semiconductor structures, onto / into which the products of the radioactive decay of the radioisotope fall, can be performed on the same crystal / substrate on which the microcircuit is made. Such a device may be called a shared power electronic device.
В то же время настоящее изобретение распространяется не только на подобные электронные микросхемы, но и на все электронные устройства, снабженные источником питания в соответствии с настоящим изобретением, в том числе и содержащие несколько микросхем со встроенными или внешними источниками питания.At the same time, the present invention extends not only to such electronic microcircuits, but also to all electronic devices equipped with a power source in accordance with the present invention, including those containing several microcircuits with internal or external power sources.
Claims (9)
на полупроводниковом преобразователе создают поликристаллическую поверхность,
осуществляют термообработку полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью,
около полупроводникового преобразователя с поликристаллической поверхностью размещают радиоактивный изотоп с обеспечением возможности попадания продуктов радиоактивного распада на/в полупроводниковый преобразователь.7. A method of manufacturing a source of electrical power according to any one of paragraphs. 1-6, and the method includes the following steps:
a polycrystalline surface is created on the semiconductor converter,
carry out heat treatment of a semiconductor converter with a polycrystalline surface,
A radioactive isotope is placed near a semiconductor transducer with a polycrystalline surface so that the products of radioactive decay can enter the semiconductor transducer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015139622/07A RU2605758C1 (en) | 2015-09-17 | 2015-09-17 | Electric power supply source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015139622/07A RU2605758C1 (en) | 2015-09-17 | 2015-09-17 | Electric power supply source |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2605758C1 true RU2605758C1 (en) | 2016-12-27 |
Family
ID=57793711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015139622/07A RU2605758C1 (en) | 2015-09-17 | 2015-09-17 | Electric power supply source |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2605758C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2715735C1 (en) * | 2019-11-20 | 2020-03-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of semiconductor beta-voltaic cells manufacturing based on nickel-63 radionuclide |
| RU2784366C1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-11-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Method for manufacturing a beta radiation source based on nickel-63 radionuclide |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU90612U1 (en) * | 2009-07-31 | 2010-01-10 | Александров Михаил Тимофеевич | SOURCE OF ELECTRIC CURRENT |
| RU2452060C2 (en) * | 2010-05-27 | 2012-05-27 | Виталий Викторович Заддэ | Beta radiation-to-electrical energy semiconductor converter |
-
2015
- 2015-09-17 RU RU2015139622/07A patent/RU2605758C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU90612U1 (en) * | 2009-07-31 | 2010-01-10 | Александров Михаил Тимофеевич | SOURCE OF ELECTRIC CURRENT |
| RU2452060C2 (en) * | 2010-05-27 | 2012-05-27 | Виталий Викторович Заддэ | Beta radiation-to-electrical energy semiconductor converter |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2796548C2 (en) * | 2017-07-21 | 2023-05-25 | Дзе Юниверсити Оф Сассекс | Nuclear micro-battery |
| RU2715735C1 (en) * | 2019-11-20 | 2020-03-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of semiconductor beta-voltaic cells manufacturing based on nickel-63 radionuclide |
| RU2784366C1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-11-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Method for manufacturing a beta radiation source based on nickel-63 radionuclide |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8866152B2 (en) | Betavoltaic apparatus and method | |
| US8487392B2 (en) | High power density betavoltaic battery | |
| US3714474A (en) | Electron-voltaic effect device | |
| US8492861B1 (en) | Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope | |
| US20130154438A1 (en) | Power-Scalable Betavoltaic Battery | |
| US10699820B2 (en) | Three dimensional radioisotope battery and methods of making the same | |
| RU2704321C2 (en) | Electric generator system | |
| CA2990152C (en) | Voltaic cell | |
| RU2605758C1 (en) | Electric power supply source | |
| US10685758B2 (en) | Radiation tolerant microstructured three dimensional semiconductor structure | |
| KR102134223B1 (en) | Beta battery | |
| KR100935351B1 (en) | A Method for Power Increase in a Nuclear-Cell and A High Efficiency Beta-Cell Using It | |
| RU2461915C1 (en) | Nuclear battery | |
| US20220028571A1 (en) | Semiconductor devices being exposed to radiation | |
| US9018721B1 (en) | Beta voltaic semiconductor photodiode fabricated from a radioisotope | |
| RU2605783C1 (en) | Planar high-voltage photo- and beta-voltaic converter and method of making thereof | |
| RU2641100C1 (en) | COMPACT BETAVOLTAIC POWER SUPPLY OF LONG USE WITH BETA EMITTER ON BASIS OF RADIOISOTOPE 63 Ni AND METHOD OF OBTAINING IT | |
| RU2608058C1 (en) | Beta-voltaic semiconductor electric energy generator | |
| RU2568958C1 (en) | Method to convert energy of ionising radiation into electric energy | |
| RU2599274C1 (en) | Ionizing radiations planar converter and its manufacturing method | |
| JP6473553B1 (en) | Noise reduction body, method for manufacturing the same, and electronic apparatus using the same | |
| RU2605784C1 (en) | Combined accumulating element of photo- and beta-voltaic on microchannel silicon | |
| US9984781B2 (en) | Solid-state nuclear energy conversion system | |
| JP6714706B2 (en) | Photovoltaic amplifier and photovoltaic system | |
| KR20050012519A (en) | Isotope electric cell using pin diode |