[实用新型]一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池

说明书

本实用新型公开了一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池，其基本结构包括：纯β放射源提供载能β粒子，慢化体将纯β放射源释放的高能β粒子慢化获得低能β粒子，碳化硅PIN结器件吸收纯β放射源的衰变能并将其转化为电能，电池外壳保护电池内部结构并屏蔽未能利用的载能β粒子和次生γ射线。碳化硅是目前商业化发展成熟的第三代宽禁带半导体材料，它具有禁带宽度大、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。研究表明：基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池是微机电系统理想的微型电源。

技术领域

本实用新型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。结合微机电设备的特点，其对微型电源的要求一般包括以下几个方面：(1)微型化。微机电系统的物理尺寸从开始的毫米量级、微米量级已经发展到纳米量级甚至更小。所以，微机电系统包含的微机电设备和微型电源的物理尺寸也需要达到微米量级、纳米量级甚至更小。(2)集成化。微机电系统的电子器件通常都是集成的。为了实现供能和便于应用，微型电源需要和电子器件集成才能适应微机电系统的物理尺寸和稳定工作的要求。(3)工作时间长。由于微机电设备的物理尺寸和特殊功能，它的加工工艺难度较高。因此，一旦这些设备投入使用，如果电源的使用寿命较短，那么整个系统的工作状态都会受到影响。但是，重新加载微型电源不但会影响原来电子设备的工作状态，而且还会增加生产成本。(4)电源功率小。微机电系统所需要的功率一般在毫瓦、微瓦甚至纳瓦量级，如果微型电源的输出电压和功率过大，它会严重影响微机电设备的正常工作。所以，能量密度高，满足低功率要求的微型电源是微机电系统所必需的。(5)适应性强。微机电系统往往需要与其他的设备同时工作，提高微型电源的环境适应性是微机电系统必需的。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。

1913年，Mosley首次展示了一种β射线核电池，这种核电池的原理是将β射线能量直接转换为电能。 1937年，Becker和Kruppke利用阴极电子射线轰击硒光电元件时观察到了电子-空穴对的产生，这种现象被称为电子的伏特效应。这是首次报道电子辐射伏特效应的研究工作。直到20世纪50、60年代，随着空间技术的发展，核电池的研究也得到了重视和进一步的研究。1953年，第一块真正意义上的β辐射伏特效应核电池诞生：Rappaport等人用β放射源(⁹⁰S/⁹⁰Y)照射硅基PN结半导体器件，在半导体内部产生电子- 空穴对，并用电极收集产生的电子-空穴对，完成了将β放射源的衰变能转换为电能的过程，这种电池就是β辐射伏特效应核电池。从20世纪60、70年代，β辐射伏特效应核电池已经开始在空间探测和医疗领域得到应用与研究。直到20世纪90年，随着微机电系统的飞速发展，β辐射伏特效应核电池的研究得到迅速的发展。近年来，碳化硅是商业化发展成熟的第三代宽禁带半导体材料，它具有禁带宽度大、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，这些特性有助于提高β辐射伏特效应核电池的能量转换效率和输出性能的稳定性。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池。利用成熟的半导体加工工艺和放射源加载技术将纯β放射源、慢化体和碳化硅PIN结器件制备集成为一种将放射源的衰变能转化为电能的装置。这种类型的核电池因其能量转化效率高、抗辐照性能强、输出性能稳定、使用寿命长而成为微机电系统理想的微型电源。

为了实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：

一种基于碳化硅PIN结型β辐射伏特效应核电池(见附图1和附图说明)。