[发明专利]一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池

说明书

本发明公开了一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池，其基本结构包括：纯β放射源、碳化硅PN结器件和电池外壳。利用微波等离子体化学气相沉积技术和离子注入技术制备碳化硅PN结结构，采用半导体微加工工艺和电子束蒸发镀膜技术生成欧姆接触电极，再将纯β放射源耦合加载到碳化硅PN结器件表面构成一种将纯β放射源的衰变能转化为电能的装置。本发明提供的技术方案简单，有利于实现具有能量转化效率高、输出性能稳定、工作时间长、抗辐照性能强的薄膜型β辐射伏特效应核电池，这种类型的核电池具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及利用半导体器件将放射性核素的衰变能转化为电能的装置，属于核能利用技术领域。

背景技术

近年来，微机电系统中微机电设备得到了快速的发展，但是微机电系统的进一步发展却受到了缺乏微型电源的限制。微机电系统对微型电源的要求一般包括：可微型化、可集成化、工作时间长、环境适应性强等。传统的微型电池主要包括微型燃料电池、微型化学电池、微型太阳能电池、微型内燃机等。研究表明：和传统的微型电池相比，β辐射伏特效应核电池具有质量轻、可微型化、可集成化、使用寿命长、能量密度高、输出性能稳定、维护服务频率低以及它不需要外界太阳光等特点。因此，β辐射伏特效应核电池得到了研究者的重视并逐渐成为微型电源的研究热点。β辐射伏特效应核电池中，β粒子与半导体材料相互作用的过程中会产生大量的电子-空穴对。半导体器件耗尽层内的辐生电子-空穴对在其内建电场的作用下会被全部扫出该区域，耗尽层区域之外的辐生电子-空穴对只有扩散到耗尽层内才能被其内建电场分离后再被分别收集。因此，半导体PN结内部的耗尽层区域和距离耗尽层边缘一个少子扩散长度的区域统称为半导体PN结器件内部有效的能量吸收区。

通常，实际生产中半导体PN结器件的耗尽层宽度只有几个微米。但是，常见的β放射源在器件中的电离作用范围从几个微米到几个厘米不等。类比太阳能电池的工作原理和结构设计原则，基于半导体PN结器件的β辐射伏特效应核电池中吸收放射源辐射能的方式主要有两种：一是利用半导体PN结器件的无场强区作为有效的辐射能吸收区，辐生电子-空穴对在器件表面附近的电场区被分离。这种吸收辐射能的方式主要用于放射源释放的载能粒子在换能器件中的作用范围远远大于其内部的耗尽层宽度。由于β放射源在器件中的能量沉积率随着载能β粒子入射深度的增加而近指数减小，也就是说，β放射源在器件中的主要能量沉积区靠近换能器件的表面。同时，在相同载流子浓度的条件下，电子的扩散长度、迁移率等特性远远优于空穴。因此，β辐射伏特效应核电池中通常将P型低掺杂区作为发射层及无场强区有效的辐射能吸收区，这种设计方案有助于提高换能器件中无场强区的电荷收集效率，提高放射源辐射能的能量利用率。一般地，这种器件制作工艺难度小，无场强的扩散区几近完美，但是它不利于提高少数载流子的扩散长度，电荷收集效率低；二是利用半导体PN结器件的耗尽层区作为有效的辐射能吸收区，再利用该区域的内建电场分离辐生电子-空穴对。这种辐射能的吸收方式主要用于放射源释放的载能粒子在换能器件中的作用范围小于或等于其内部的耗尽层宽度。由于半导体换能器件的内建电场对辐生电子-空穴对的分离能力很强，这大大提高了电荷收集效率、放射源衰变能的利用率及核电池的能量转化效率。一般地，这种器件制作工艺难度较小，它主要适用于衰变能较小的β放射源对应的薄膜型核电池。近年来，碳化硅材料因具有禁带宽度大、热稳定性强、热导率高、载流子饱和速率大、抗辐照性能优越等特性而成为β辐射伏特效应核电池的主要换能材料。研究表明：基于碳化硅的PN结型β辐射伏特效应核电池因具有能量密度大、能量转化效率高、抗辐照性能强等特点而成为微机电系统理想的微型电源。这种类型的核电池具有重要的应用价值。

发明内容

本发明提供了一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池，其工作原理是将β放射源释放的载能粒子在半导体器件中的作用范围与其内部的耗尽层区相匹配，利用半导体PN结器件的内建电场分离辐生电子-空穴对后再分别收集，最后将β放射源的衰变能转化为电能。