Введение к работе
Актуальность темы
Бетавольтаический эффект был открыт в 60-70-х годах прошлого столетия, но в последнее время интерес к нему существенно вырос по причине перспективы внедрения в технологию микроэлектромеханических систем (МЭМС). Для МЭМС и полупроводниковых приборов нового поколения необходимы миниатюрные источники электрического питания, работающие достаточно продолжительное время и обладающие малыми габаритами. Преимущества энергетических источников на основе радиоизотопов являются большой срок работы (свыше 10 лет в зависимости от выбора изотопа), низкий вес, небольшой размер, широкий температурный диапазон и высокая надежность. Именно поэтому создание радиационно-стимулированных источников энергии и, как частная задача, исследование бетавольтаического эффекта представляется актуальной задачей [1-7].
Одним из веских оснований к применению радиоизотопных источников энергии служит ряд преимуществ перед другими источниками энергии. Во-первых, компактность и громадная энергоемкость изотопов, во-вторых, при создании гибридного источника тока с элементами накопления заряда время непрерывной работы будет зависеть только от периода полураспада. При этом периоды полураспада и соответствующая длительность работ таких батарей питания варьируются от нескольких (147Pr) до ста лет (63Ni).
По массовой и объемной энергоемкости распад бета-изотопов уступает лишь делению ядер урана, плутония и др. в 4-50 раз, и превосходит химические источники (аккумуляторы, солевые и щелочные элементы питания, топливные элементы и др.) в десятки и сотни тысяч раз. В этом направлении наиболее перспективным являются исследования в области создания источников тока при прямом преобразовании энергии бета- распада в электрическую энергию в ОПЗ p-n перехода полупроводникового диода. В работах [1,5,7] достигнуты наиболее интересные результаты, получены токи в десятки нА и напряжения в единицы вольт в зависимости от структуры и активности источника.
Другим направлением создания источников питания для МЭМС являются разработки в области генераторов, преобразующих механическую и ультразвуковую энергию среды в электрическую энергию [8]. Наиболее удачным на данный момент прибором в этой области можно считать генератор на основе нанопроводов из оксида цинка, являющимися пьезоэлектриками. Исследователям удалось достичь значений постоянного тока в 0,4-0,5 нА при напряжении 0,5 мВ, однако время непрерывной работы такого генератора не более часа.
Таким образом, создание новых источников питания на основе долгоживущих радионуклидов бета-источников является перспективной задачей, решение которой позволит создать новые коммерческие продукты высокотехнологической отрасли экономики. В связи с вышеизложенным, моделирование и экспериментальное исследование бетавольтаического эффекта с последующей верификацией является актуальной задачей, решение которой позволит создавать эффективные радиационно-стимулированные элементы электрического питания МЭМС.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование и моделирование бетавольтаического эффекта на основе кремниевых pin структур, а также выявление параметров, влияющих на ток генерации с применением бета-источников на основе изотопа 63Ni.
В рамках цели работы решались следующие задачи:
Проведение экспериментальных работ на кремниевых pin структурах по исследованию бетавольтаического эффекта с использованием электронного облучения;
Проведение физического и численного моделирования работы радиационно-стимулированного источника тока для различных структур, определение основных параметров, влияющие на эффективность и КПД источника;
Проведение экспериментального исследования бетавольтаического эффекта с применением радионуклида 63Ni;
Расчет наиболее эффективной структуры радиационно-стимулированного источника электрического питания.
Научная новизна
-
Предложена модель бетавольтаического эффекта, которая описывает экспериментальные данные по облучению pin структур электронами средних энергий и при облучении бета-источниками на основе изотопа 63Ni различной активности.
-
Впервые изучено влияние структурных особенностей pin диода на эффективность радиационно-стимулированной генерации тока на основе 63Ni.
-
Впервые обнаружено влияние накопления заряда на поверхности pin-структуры в процессе длительного бета-облучения на бетавольтаический эффект.
-
Получены новые данные о влиянии активности бета-источника на основе 63Ni в диапазоне от 0 до 40 мКи на ток генерации и ЭДС кремниевой pin-структуры.
Практическая значимость
-
Создан макет бетавольтаического элемента питания с применением изотопа 63Ni.
-
Предложена модель радиационно-стимулированной генерации тока, которая позволяет рассчитать эффективность структуры, исходя из геометрических параметров, ширины области пространственного заряда (ОПЗ), вида и активности источника.
-
Получены численные и экспериментальные данные об эффективности бетавольтаических элементов на основе кремниевых pin-структур и источников 63Ni.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
При моноэнергетическом электронном облучении в диапазоне энергий 5-40 кэВ скорость генерации носителей заряда pin-структур определяется шириной ОПЗ, а также соотношением глубины залегания pn-перехода и глубины проникновения электронов.
-
Спектр тока генерации кремниевой pin-структуры под действием бета-источника на основе 63Ni существенно зависит от глубины залегания p-n-перехода h, при этом минимальная энергия бета-частиц, при которой начинает происходить генерация тока, и максимум спектра сдвигаются в высокоэнергетическую область на 25-30 кэВ с увеличением h от 0 до 8 мкм при одновременном резком уменьшении интенсивности в 6-12 раз в зависимости от ширины ОПЗ.
-
Спектр тока генерации кремниевой pin-структуры под действием бета-источника на основе 63Ni существенно зависит от ширины ОПЗ при ее значениях от 0 до 4 мкм и его интенсивность меняется не более чем на 10% с увеличением ОПЗ в диапазоне от 4 до 10 мкм.
-
Зависимость тока генерации кремниевой pin структуры от интенсивности бета-источника на основе 63Ni носит нелинейный характер и зависит от величины накопленного зарядка на поверхности структуры.
-
При длительном облучении в течение года с использованием изотопа на основе 63Ni активностью 40 мКи pin структур, содержащих тонкий поверхностный оксидный слой, наблюдается эффективная зарядка, которая уменьшает наблюдаемую ЭДС более чем в три раза и носит обратимый характер.
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленных в настоящей работе, обсуждены на следующих научных семинарах, совещаниях и конференция:
XVII Международное совещание «Радиационная физика твердого тела», ГНУ «НИИ ПМТ», Севастополь, 9-14 июля 2007г.
15th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology», Ioffe Institute St Petersburg, Novosibirsk, June 25-29 2007.
Шестая Российская конференция с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе – «Кремний-2009», МИСиС, Новосибирск, 7-10 июля 2009г.
XI международной конференции Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы, УлГУ, Ульяновск, 25-29 мая 2009г.
Труды IX Российской конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, 14-18 сентября 2009г.
XII международной конференции Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы, УлГУ, Ульяновск, 14-16 июня 2010г.
Достоверность полученных результатов обеспечивается проведением исследований по апробированным методикам, на аттестованных исследовательских установках. Подтверждение достоверности разработанной модели является то, что результаты моделирования, полученные на кремниевых структурах с применением бета-источников различной активности и при облучении моноэнергетическим электронным лучом совпадают с экспериментальными данными в пределах погрешности.
Личный вклад автора. С непосредственным участием автора проведены экспериментальные исследования и разработана модель радиационно-стимулированного элемента электрического питания. Личный вклад Пчелинцевой Е.С. в получение основных результатов работы является определяющим.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 работы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 13 материалов всероссийских и международных конференций. Список помещён в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 90 наименований источников отечественных и зарубежных авторов, 1 таблицы, 59 рисунков, а также приложения. Общий объем диссертации составляет 131 страница, приложение составляет 15 страниц.
