[发明专利]一种基于氚源的条状PIN结型β辐射伏特效应同位素电池

说明书

本发明提供一种基于氚源的条状PIN结型β辐射伏特效应同位素电池，涉及同位素电池技术领域，两个单元模块的半导体对置，通过阴极金属电极进行连接和支撑，半导体本征层及P+层为条状，在侧面间隙处镀有氚基放射源。本发明中氚基放射源的产生额β粒子入射到半导体内后绝大部分将落入耗尽层中，产生的电子空穴对可大概率被收集，可避免传统方案中氚基放射源由于穿透深度低而落在P+层导致收集效率低的问题，此外，氚基放射源双面发射的电子均可被半导体捕获，可以实现基于氚源的高效辐射伏特效应同位素电池。

技术领域

本发明涉及同位素电池技术领域，尤其涉及一种基于氚源的条状PIN结型β辐射伏特效应同位素电池。

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：(2)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。(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)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。(4)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。(5)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。研究表明：和传统的微型电池相比，β辐射伏特效应同位素电池具有质量轻、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辐射伏特效应同位素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射线同位素电池，这种同位素电池的原理是将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，同位素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辐射伏特效应同位素电池诞生：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辐射伏特效应同位素电池。从20世纪60、70年代，β辐射伏特效应同位素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辐射伏特效应同位素电池的研究得到迅速的发展。

氚半衰期12年，为β衰变，其射线能量温和，不易造成半导体损伤，成本相对不高，是同位素电池领域优选放射源。但是，氚的β穿透能力较弱，传统方式一般将氚源布置接近P层或N层，β射线进入半导体后很快沉积能量，但此时并未进入半导体的耗尽层，其产生的电子空穴收集率大大降低，由于没有内建电场的分离作用，产生的电子空穴对很容易复合，导致使用氚源时同位素电池的电流难以提升，发电效率损失较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对基于氚源β辐射伏特效应同位素电池时，解决β射线入射半导体后在耗尽区之外产生较难收集电子空穴对的问题，以提高同位素电池的电流，提高能量利用效率。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：