Ядерная батарейка

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию частиц, испускаемых изотопами, в электрический ток, и может быть использовано в качестве элемента питания в различных электронных устройствах, потребляющих небольшой ток, но вынужденных работать без замены источников питания в течение десятка лет. Сущность изобретения заключается в том, что ядерная батарейка содержит корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, при этом детектор выполнен в виде чередующихся слоев n⁺, i (либо ν, либо π) и p⁺-типов проводимостей в такой последовательности n⁺-i-p⁺-i-…-n⁺-i-p⁺, причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев; к слоям n+-типа созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p⁺-типа, которые тоже соединены. Технический результат - упрощение технологии изготовления полупроводникового детектора, преобразующего энергию бета-частиц в электрический ток. 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию частиц, испускаемых изотопами, в электрический ток, и может быть использовано в качестве элемента питания в различных электронных устройствах, потребляющих небольшой ток, но вынужденных работать без замены источников питания в течение десятка лет, например в кардиостимуляторах, или в глубоководных датчиках, или в приборах, запущенных в космос, либо в приборах, установленных в труднодоступных местах.

Известны ядерные батарейки, принцип действия которых основан на конверсии энергии частиц, возникающих при радиоактивном распаде изотопов, в электрический ток при прохождении через полупроводниковый детектор, работающий в бета- или фотовольтаическом режиме. Известные батарейки используют газообразные, жидкие и твердотельные изотопы, испускающие альфа-, бета-частицы, а также гаммакванты [1, 2, 3].

Известно устройство [1], которое содержит корпус, в котором помещен полупроводниковый детектор из аморфного кремния, представляющий p-i-n-структуру, а внутренность корпуса наполнена тритием (³H), который испускает электроны. Время полураспада трития примерно 12 лет. В рабочем режиме каждая бета-частица, достигшая поверхности детектора, влетает в детектор и создает в нем более одной тысячи электронно-дырочных пар. Возникшие дырки и электроны разделяются внутренним полем p-i-n-структуры, что приводит к формированию напряжения на контактах детектора и появлению электрического тока при подключении нагрузки. Недостатком такой батарейки являются малые значения тока, пропорциональные площади только одной поверхности плоского детектора.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является батарейка на изотопах, предложенная в американском патенте (Patent US 6774531) [3]. В прототипе существенно увеличена эффективность детектора за счет специальной конструкции 3D-кремниевого детектора.

Известная батарейка содержит корпус, наполненный газообразным тритием, куда помещен бетавольтаический детектор из кремния n-типа. В объеме детектора созданы колодцы для трития, на стенках которых сформирован слой p⁺-типа проводимости, причем все размеры колодцев не превышают длину свободного пробега электронов в тритии.

Недостатком известного устройства является то, что реализация детектора, содержащего в объеме полупроводника глубокие колодцы, на стенках которых сформирован p-n-переход, является очень сложной технической задачей, решенной пока только для кремния. Для других полупроводников, имеющих более высокую плотность, чем у кремния, известная конструкция детектора вообще малоэффективна. Действительно, при средней энергии электронов Е=6 кэВ, испускаемых тритием, электрон сможет проникнуть в детектор только на глубину 0.1-0.2 мкм, а при наличии слоя p-типа на стенках колодцев значительная часть заряда, порожденная электронами, рекомбинирует в нем, не достигнув p-n-перехода.

Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанных недостатков.

Этот результат достигается тем, что ядерная батарейка на радиоактивных изотопах, содержащая корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, отличается тем, что в объеме детектора созданы чередующиеся слои n⁺, i (либо ν, либо π) и p⁺-типов проводимостей в такой последовательности: n⁺-i-p⁺-i-…-n⁺-i-р⁺, причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев, к слоям n+-типа созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p⁺-типа и тоже соединены.

В предлагаемом устройстве конструкция детектора исключает необходимость формирования на стенках колодцев p-n-переходов. Поэтому детектор может быть изготовлен не только из кремния, но и из других полупроводников, например из арсенида галлия.

На фиг.1 схематично представлено сечение одной из возможных конструкций предлагаемой батарейки. Батарейка содержит корпус 1 с электродами 2 и 3. Корпус наполнен материалом радиоактивного изотопа 4. В корпус помещены два детектора 5 и 6 из арсенида галлия. Детекторы выполнены из эпитаксиального материала, содержащего последовательность слоев n⁺ 7, i 8, p⁺ 9, высоколегированным слоям n⁺ 7, p⁺ 9 созданы омические контакты соответственно 10 и 11, соединенные проволочками с электродами 2 и 3 корпуса. Перпендикулярно плоскостям, в которых выращены слои n⁺, i, p⁺ в объеме детектора сформированы колодцы 12.

Пример практического исполнения. В герметичный металлический корпус 1, имеющий электроды 2 и 3, электрически развязанные с корпусом за счет диэлектрических вставок, были установлены два идентичных детектора 5 и 6. При этом внутренность корпуса была заполнена радиоактивным тритием, испускающим бета-частицы. Детекторы изготавливались из арсенида галлия, выращенного с помощью газофазовой эпитаксии. На проводящей подложке n⁺-типа последовательно были выращены слои: n⁺-слой 7 толщиной 10 мкм, i-слой 8, компенсированный хромом в процессе эпитаксии, толщиной 30 мкм, p⁺-слой 9 толщиной 10 мкм, затем i-слой 8 толщиной 30 мкм, n⁺-слой 7 толщиной 10 мкм и затем снова i-слой 8 толщиной 30 мкм, p⁺-слой 9 толщиной 10 мкм. С использованием стандартных методов фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления формировались омические контакты 10 и 11 к высоколегированным слоям. С использованием реактивно-ионного травления и кратковременного химического травления в детекторах формировались колодцы 12 с диаметром верхнего отверстия 80 мкм и шагом 100 мкм. В результате была получена ядерная батарейка новой конструкции.

В рабочем режиме при размерах детекторов 5×5 см² общий объем колодцев, заполненных тритием, составляет 0.25 см³. При этом радиоактивность указанного объема с тритием равна 10¹⁰ Бк. Поскольку 70% электронов, испущенных в результате радиоактивного распада трития, попадают в активные области детектора т.е. в полуизолирующие области 8 (часть попадает в высоколегированные слои) и каждый электрон порождает примерно 1700 электронно-дырочных пар, то максимальная величина тока от данной батарейки составит 2.5 мкА.

Таким образом, предложена ядерная батарейка с новой конструкцией бетавольтаического детектора. Реализация детектора не требует создания p-n-переходов на стенках колодцев, сформированных в объеме детектора, поэтому для создания полупроводникового детектора можно использовать не только кремниевые структуры.

Источники информации

1. Kherani N.P., Shmayda W.T., Zukotynski S. /Nuclear batteries/ Patent US 5606213, 1997.

2. Chu F.Y., Mannik L., Peralta S.B., Ruda H.E. /Radioisotope-powered semiconductor battery/ Patent US 5859484, 1999.

3. Gadeken L. /Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of radioactive material/ Patent US 6774531, 2004.

Ядерная батарейка, содержащая корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, отличающаяся тем, что детектор выполнен в виде чередующихся слоев n⁺, i (либо ν либо π) и p⁺-типов проводимостей в такой последовательности n⁺-i-p⁺-i-…-n⁺-i-p⁺, причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев; к слоям n⁺-типа, созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p⁺-типа, которые тоже соединены.