RU168184U1 - Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором - Google Patents
Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором Download PDFInfo
- Publication number
- RU168184U1 RU168184U1 RU2016115849U RU2016115849U RU168184U1 RU 168184 U1 RU168184 U1 RU 168184U1 RU 2016115849 U RU2016115849 U RU 2016115849U RU 2016115849 U RU2016115849 U RU 2016115849U RU 168184 U1 RU168184 U1 RU 168184U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal
- region
- layer
- anode
- dielectric
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 8
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000012857 radioactive material Substances 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- 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
- G21H1/06—Cells wherein radiation is applied to the junction of different semiconductor materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
Полезная модель относится к области преобразователей энергии радиационных излучений в электрическую энергию и может быть использована в электронике и приборостроении. Планарный преобразователь состоит из слаболегированной полупроводниковой пластины n(p) типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях которой размещены сильнолегированные верхняя и нижняя горизонтальные p(n) области соответственно, образующие с пластиной p-n-переходы p-i-n-диода. На верхней и нижней поверхностях горизонтальных p(n) областей расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа металла. На поверхности верхнего слоя радиоактивного изотопа металла и верхней поверхности горизонтальной области p(n) типа расположен слой диэлектрика с отверстием над поверхностью контактной n(p) области. На поверхности диэлектрика расположен слой второго металла, образующий омический контакт к n(p) контактной области, при этом нижний слой радиоактивного изотопа металла образует электрод анода (катода) диода, а второй металл - электрод катода (анода) диода, причем диэлектрик и второй металл образуют накопительный конденсатор. Техническим результатом является создание планарного преобразователя радиационных излучений с двукратным увеличением мощности по сравнению с традиционным p-i-n-диодом и расширение области его применения. 2 ил.
Description
Полезная модель относиться к области преобразователей энергии радиационных излучений в электрическую энергию и может быть использована в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы.
Известны «объемные» конструкций 3D преобразователей, в основном на монокремнии, нацеленных на оптимизацию соотношения веса преобразователя к вырабатываемой энергии [1. Долгий А.Л. Бета-преобразователи энергии на основе макропофигтого кремния // 4-ая Международная научная конференция «Материалы и структуры современной электроники», 23-24 сентября 2010 г., Минск, Беларусь. С. 57-60; 2. Sun W., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. Betavoltaic and photovoltaic energy conversion in three-dimensional macroporous silicon diodes // Physica status solidi (a). 2007. V. 204. N 5. P. 1536-1540; 3. Sun W., Kherani N.P., Hirschman K.D., Gadeken L.L. and Fauchet P.M. A Three-Dimensional Porous Silicon p-n Diode for Betavoltaics and Photovoltaics // Advanced Materials. 2005. V. 17. N 10. P. 1230-1233; 4. Gadeken L.L., Engel P.S., Laverdure K.S. Apparatus for generating electrical current from radioactive material and method of making same. USA Patent. US 20080199736 A1. Pub. date: 21.08.2008; 5. Chandrashekhar M.V.S, Thomas Ch.I., Spencer M.G. Betavoltaic cell. USA Patent. US 7939986 B2. Pub. date: 10.05.2011]. Такие конструкции позволяют получить развитую поверхность щелей или каналов кремниевых пластин с оптимальными размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда p-i-n-диодов, в которых генерируется бета излучением носители заряда. Однако создание бета батареек с такой конструкцией представляет сложную и не решенную технологическую проблему, прежде всего из-за низкого качества p-n-переходов в каналах или щелях кремниевых пластин, что приводит к недопустимо большим токам утечки через них.
Известна планарная 2D конструкция полупроводниковых вольтаических преобразователей радиационных бета излучений в электрическую энергию [6. Guo H., Zhang K., Zhang Yu., Zhang Yu., Han Ch., Shi Ya. I-layer vanadium-doped pin type nuclear battery and the preparation process thereof. USA Patent US 20140225472 A1. Pub. date: 14.08.2014 г.] (фиг. 1), взятая за прототип, содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину n-(p-) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная n+(p+) область на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная p+(n+) область, образующая с полупроводниковой пластиной p-n-переход, на поверхности p+(n+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и.электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом.
Общими недостатками аналогов и прототипа является невозможность достичь наилучших соотношений размеров (веса) преобразователя к выделяемой мощности ЭДС и отсутствие эффективного накопителя энергии, что резко ограничивает области применения маломощного источник ЭДС.
Технической проблемой полезной модели является создание конструкции планарного преобразователя со значительно большей (в два раза) генерируемой электрической энергией, приходящейся на единицу его объема (веса), содержащего функционально-интегрированный конденсаторный накопитель энергии.
Технический результат заключается в создании планарного преобразователя состоящего из слаболегированной полупроводниковой пластины n-(p-) типа проводимости, на верхней и нижней поверхностях размещены сильнолегированные верхняя и нижняя горизонтальные p+(n+) области соответственно, образующие с пластиной p-n-переходы p-i-n-диода. Данные области соединены между собой вертикальными p+(n+) областями, при этом в центре на верхней поверхности пластины расположена n+(p+) контактная область. На верхней и нижней поверхностях горизонтальных p+(n+) областей расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа металла, причем нижний слой изотопа соединен омическим контактом с нижней областью, а на поверхности верхнего слоя радиоактивного изотопа металла и верхней поверхности горизонтальной области p+(n+) расположен слой диэлектрика с отверстием над поверхностью контактной n+(p+) области. На поверхности диэлектрика расположен слой второго металла образующий омический контакт к контактной области n+(p+), при этом нижний слой радиоактивного изотопа металла образует электрод анода (катода) диода, а второй металл - электрод катода (анода) диода, причем диэлектрик и второй металл образуют накопительный конденсатор.
Конструкция преобразователя показана на фиг. 1 - топология (вид сверху), на фиг. 2 - разрез по сечению А-А.
Планарный преобразователь состоит из: 1 - слаболегированная полупроводниковая пластина n-(p-) типа проводимости, 2 и 3 - верхняя и нижняя поверхности сильнолегированной горизонтальной области p+(n+) соответственно, 4 - вертикальная область p+(n+) соединяющая области 2 и 3, 5 - сильнолегированная контактная область n+(p+), 6 - радиоактивный изотоп металла расположенный на верхней p+(n+) области, 7 - радиоактивный изотоп металла расположенный на нижней p+(n+) области, являющимся электропроводящим электродом анода (катода), 8 - изолирующий слой диэлектрика, 9 - второй металл, являющийся электропроводящим электродом катода (анода), 10 - омический контакт катода (анода), 11 - омический контакт анода (катода), в центре слоя диэлектрика размещено отверстие - 12.
Принцип действия преобразователя основан на фотогальванической ЭДС и ионизацией полупроводникового материала. Работает преобразователь следующим образом, бета-электроны изотопа металла (6 и 7) (никеля, стронция, трития, кобальта и т.д.) проникают в полупроводниковую пластину (1) (например, кремния), тем самым выбивают валентные электроны. При этом образуются электронно-дырочные пары разделяются полем p-n-перехода в области пространственного заряда (ОПЗ) (1 и 2, 1 и 3, 1 и 4) и создают разность потенциалов на p+ (2, 3 и 4) и n+ (5) областях преобразователя. Часть электронно-дырочных пар может быть собрана полем p-n-перехода также в квазинейтральной (КНО) области (1 и 5) на расстоянии равном диффузионной длине. При этом важно, что электрическая энергия вырабатываемая маломощным преобразователем ионизирующих излучений накапливается в конденсаторе, который функционально совмещен с p-i-n-диодом и не требует дополнительного пространства.
Пример практической реализации конструкции.
Предлагаемый преобразователь может быть реализован на пластинах кремния КЭФ 5 кОм⋅см с ориентацией (100). При этом в качестве изотопного источника может быть выбран 63Ni, имеющий большой период времени полураспада (101,1 года) испускающий электронное излучение со средней энергией 17 кэВ и максимальной энергией 64 кэВ, практически безопасный для здоровья человека. Такая энергия электронов меньше энергии дефектообразования в кремнии (160 кэВ). При этом глубина поглощения в кремнии электронов со средней энергией 17 кэВ составляет примерно 3,0 мкм, а для 90% поглощения 12 мкм. Данные размеры должны соответствовать глубинам залегания p-n-переходов и величине ОПЗ, что достигается на типовых кремниевых структурах. Следует, отметить, что в качестве радиоактивного изотопа может быть использованы иные материалы, например тритий и т д.
Технические преимущества полезной модели
- конструкция планарного преобразователя ионизирующих излучений с накопительным конденсатором позволяет получить практически в два раза большую мощность, по сравнению с обычным p-i-n-диодом и накапливать энергию в «спящем режиме», создавая значительную мощность в импульсном режиме. Следует отметить, что размеры n+-контактной области много меньше размеров p+-горизонтальных областей и ее вкладом можно пренебречь;
- такой источник ЭДС обеспечит прямую зарядку аккумулятора при отсутствии солнечных батарей при минимальном ее весе и размерах, что важно, например, для применения в беспилотных летательных аппаратах, взрывоопасных помещениях - шахтах, ночных индикаторах, расположенных в труднодоступных местах, электрокардиостимуляторах сердца и т.д.;
- важным обстоятельством является также то, что срок службы такого преобразователя определяется периодом полураспада радиационного материала, который для 63Ni составляет 50 лет, что более чем достаточно в большинстве применений.
Claims (1)
- Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором содержит слаболегированную полупроводниковую пластину n-(p-) типа проводимости, в которой расположенны сильнолегированная контактная область n+(p+) и омический контакт электрода катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная p+(n+) область, образующая с полупроводниковой пластиной p-n-переход p-i-n диода, на поверхности p+(n+) области размещен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом металла, отличающийся тем, что на нижней поверхности слаболегированной полупроводниковой пластины - n-(p-) типа проводимости размещена сильнолегированная нижняя горизонтальная p+(n+) область, причем верхняя и нижняя области соединены между собой вертикальными p+(n+)-областями, нижняя поверхность горизонтальной p+(n+) области соединена посредством омического контакта с нижним слоем радиоактивного изотопа металла, а на поверхности верхнего слоя радиоактивного изотопа металла и верхней поверхности горизонтальной области p+(n+) типа расположен слой диэлектрика с отверстием над поверхностью контактной n+(p+) области, на диэлектрике размещен слой второго металла, при этом нижний слой радиоактивного изотопа металла образует электрод анода (катода) диода, а второй металл образует электрод катода (анода) диода, причем диэлектрик и второй металл образуют накопительный конденсатор.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016115849U RU168184U1 (ru) | 2016-04-22 | 2016-04-22 | Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016115849U RU168184U1 (ru) | 2016-04-22 | 2016-04-22 | Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU168184U1 true RU168184U1 (ru) | 2017-01-23 |
Family
ID=58451178
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016115849U RU168184U1 (ru) | 2016-04-22 | 2016-04-22 | Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU168184U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110494929A (zh) * | 2017-01-31 | 2019-11-22 | 俄罗斯国立科技大学莫斯科钢铁合金研究所 | 具有交联结构的电离辐射转换器及其制造方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101599308A (zh) * | 2009-06-30 | 2009-12-09 | 西北工业大学 | 具有保护环结构的微型核电池及其制作方法 |
| CN102254581A (zh) * | 2011-06-30 | 2011-11-23 | 西安电子科技大学 | 碳化硅环状电极pin型核电池 |
| US20140225472A1 (en) * | 2011-10-19 | 2014-08-14 | Xidian University | I-Layer Vanadium-Doped Pin Type Nuclear Battery and the Preparation Process Thereof |
| RU2013139039A (ru) * | 2013-08-22 | 2015-02-27 | Открытое акционерное общество "Интерсофт Евразия" | Сенсор ионизирующего излучения |
-
2016
- 2016-04-22 RU RU2016115849U patent/RU168184U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101599308A (zh) * | 2009-06-30 | 2009-12-09 | 西北工业大学 | 具有保护环结构的微型核电池及其制作方法 |
| CN102254581A (zh) * | 2011-06-30 | 2011-11-23 | 西安电子科技大学 | 碳化硅环状电极pin型核电池 |
| US20140225472A1 (en) * | 2011-10-19 | 2014-08-14 | Xidian University | I-Layer Vanadium-Doped Pin Type Nuclear Battery and the Preparation Process Thereof |
| RU2013139039A (ru) * | 2013-08-22 | 2015-02-27 | Открытое акционерное общество "Интерсофт Евразия" | Сенсор ионизирующего излучения |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110494929A (zh) * | 2017-01-31 | 2019-11-22 | 俄罗斯国立科技大学莫斯科钢铁合金研究所 | 具有交联结构的电离辐射转换器及其制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6774531B1 (en) | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material | |
| US6949865B2 (en) | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material | |
| US7939986B2 (en) | Betavoltaic cell | |
| US8866152B2 (en) | Betavoltaic apparatus and method | |
| Tang et al. | Optimization design and analysis of Si-63 Ni betavoltaic battery | |
| US3714474A (en) | Electron-voltaic effect device | |
| US8492861B1 (en) | Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope | |
| KR20120071241A (ko) | 베타소스로부터 전류를 생성하는 적층형 베타전지 및 그 제작방법 | |
| RU90612U1 (ru) | Источник электрического тока | |
| RU168184U1 (ru) | Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором | |
| KR102595089B1 (ko) | 가교 구조의 이온화 방사선 변환기 및 이의 제조 방법 | |
| RU2461915C1 (ru) | Ядерная батарейка | |
| JP6720413B2 (ja) | ベータボルタ電池 | |
| RU2608313C2 (ru) | Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления | |
| US9018721B1 (en) | Beta voltaic semiconductor photodiode fabricated from a radioisotope | |
| CN104051043B (zh) | 3D式PIN结构α辐照电池及其制备方法 | |
| RU2605783C1 (ru) | Планарный высоковольтный фото- и бетавольтаический преобразователь и способ его изготовления | |
| RU2608058C1 (ru) | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии | |
| RU2599274C1 (ru) | Планарный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления | |
| RU2608311C2 (ru) | Преобразователь оптических и радиационных излучений и способ его изготовления | |
| Mohamadian et al. | Conceptual design of GaN betavoltaic battery using in cardiac pacemaker | |
| Choi et al. | Ni-63 radioisotope betavoltaic cells based on vertical electrodes and pn junctions | |
| RU2605784C1 (ru) | Комбинированный накопительный элемент фото- и бетавольтаики на микроканальном кремнии | |
| RU124856U1 (ru) | Автономный импульсный источник электрического питания с длительным сроком службы | |
| EA042001B1 (ru) | Преобразователь ионизирующих излучений с сетчатой объемной структурой и способ его изготовления |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20170423 |