Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения


H01L27/14 - содержащие полупроводниковые компоненты, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, коротковолновому электромагнитному или корпускулярному излучению, и предназначенные для преобразования энергии этих излучений в электрическую энергию или для управления электрической энергией с помощью таких излучений (компоненты, чувствительные к излучению, конструктивно связанные только с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 31/14; соединение световодов с оптоэлектронными элементами G02B 6/42)

Владельцы патента RU 2670710:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") (RU)

Использование: для питания микроэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения заключается в том, что радиоизотопный элемент электрического питания включает источник излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, и по крайней мере один полупроводниковый преобразователь, при этом полупроводниковый преобразователь совмещен с источником излучения, для чего на поверхность содержащей радиоактивный изотоп фольги нанесено полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении. Технический результат - обеспечение возможности: повышения эффективности преобразования энергии. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры.

Известен полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию (патент РФ №2452060, МПК H01L 31/04, G01H 1/00, опубл. 27.05.2012), который содержит пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и слой радиоактивного вещества на текстурированной поверхности. Текстурированная поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества сквозных каналов, а радиоактивное вещество покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности пластины полупроводника.

Недостатками такого преобразователя являются сложная технология изготовления, требующая большого расхода дорогостоящего изотопа, а также бесполезные потери бета-излучения с наружной поверхности слоя радиоактивного вещества.

Так известна бета-вольтаическая батарея высокой удельной мощности, состоящая из набора плоских элементов, каждый из которых состоит из трех тонких пластин из электроизоляционного материала (патент США №8487392, МПК H01L 27/14, опубл. 16.07.2013). Одна из пластин, на поверхность которой нанесен радиоактивный изотоп никель-63, фосфор-33 или прометий-147, является источником бета-излучения, на поверхность другой пластины последовательно нанесены электроды, образующие выпрямляющий и омические контакты тонкопленочного полупроводникового преобразователя, а третья пластина служит для взаимной электроизоляции соседних элементов. Для коммутации элементов в батарею используется металлизация на периферии пластин.

Недостатком элементов, составляющих такую батарею является использование в источнике излучения и полупроводниковом преобразователе изоляционных пластин-подложек, не участвующих в рабочем процессе, изготовленных из хрупкого материала, не обладающего достаточной гибкостью, а также бесполезные потери бета-излучения с одной стороны источника в толще электроизоляционного материала. Это снижает эффективность (коэффициент полезного действия) батареи и ухудшает ее весогабаритных характеристик.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является радиоизотопный элемент электрического питания с источником бета-излучения в виде фольги, содержащей изотоп никель-63, помещенной между двумя полупроводниковыми преобразователями, скоммутированными с помощью металлических контактов. Вся конструкция помещается в корпус и соединяется с внешними электрическими контактами (Е.С. Пчелинцева, С.Г. Новиков, А.Н. Беринцев, Б.М. Костишко, В. В. Светухин, И. С.Федоров. Радиоизотопный элемент электрического питания. Ульяновский государственный университет при поддержке Госкорпорации «Росатом». - http://www.rusnauka.com/21_SEN_2014/Phisica/6_174557.doc.htm).

Недостаток такого радиоизотопного элемента электрического питания заключается в том, что его весогабаритные характеристики в значительной степени определяются толщиной полупроводниковых преобразователей, формируемых на полупроводниковых пластинах, составляющей сотни микрометров.

Задачей изобретения является улучшение весогабаритных характеристик радиоизотопного элемента и повышение эффективности преобразования энергии.

Поставленная задача решается тем, что в радиоизотопном элементе электрического питания, включающем источник излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, и, по крайней мере, один полупроводниковый преобразователь, согласно изобретению полупроводниковый преобразователь по существу совмещен с источником излучения, для чего на поверхность содержащей радиоактивный изотоп фольги нанесено полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении.

В частных случаях осуществления изобретения:

- полупроводниковое покрытие нанесено с одной стороны содержащей радиоактивный изотоп фольги;

- полупроводниковое покрытие нанесено с обеих сторон содержащей радиоактивный изотоп фольги;

- в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется соединение вентильного металла с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов (оксид или халькогенид упомянутого вентильного металла), образующее с металлом фольги барьер Шоттки;

- в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется сложное соединение металла фольги с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов и с вентильным металлом (сложный оксид или халькогенид металла фольги и вентильного металла), в котором содержание вентильного металла увеличивается по мере приближения к наружной поверхности покрытия, с образованием полупроводниковой выпрямляющей гетероструктуры.

- в качестве радиоактивного изотопа использован никель-63, кобальт-60, стронций-90, кадмий-113, прометий-147, плутоний-238, или америций-241.

Сущность изобретения поясняется с помощью фигур графических изображений.

На фиг. 1 показано поперечное сечение элемента электрического питания, имеющего источник излучения, выполненный в виде фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп, на которую нанесено полупроводниковое покрытие 2, пропускающее электрический ток только в одном направлении. Упомянутая фольга также служит положительным контактом элемента, а отрицательный контакт для токосъема с покрытия условно показан стрелкой, указывающей направление тока.

На фиг. 2 показано поперечное сечение элемента электрического питания, в котором с обеих сторон фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп, нанесены полупроводниковые покрытия 2 и 3, пропускающие электрический ток только в одном направлении. Каждое из этих направлений показано стрелками, условно обозначающими отрицательные контакты для съема тока с наружной поверхности покрытий, а положительный контактом элемента служит фольга 1.

При поглощении полупроводниковым покрытием заряженных частиц, излучаемых содержащей радиоактивный изотоп фольгой, в нем возникают термодинамически неравновесные (избыточные) носители противоположного электрического заряда (электронно-дырочные пары). В результате способности покрытия пропускать электрический ток только в одном направлении, эти носители расходятся к его противоположным поверхностям, создавая бетавольтаический эффект и напряжение в цепи между фольгой и наружной поверхностью полупроводникового покрытия.

В качестве источника излучения может использоваться никелевая фольга, содержащая изотоп никель-63, а также фольги, содержащие кобальт-60, стронций-90, кадмий-113, прометий-147, плутоний-238, америций-241.

Полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении, может быть выполнено в виде слоя полупроводникового оксида или халькогенида (соединения с серой, селеном, теллуром) вентильного металла, такого как титан, цирконий, ниобий, ванадий и т.д. Если металл фольги имеет более высокую работу выхода электронов, по сравнению с материалом упомянутого покрытия (например, (например, у никеля эта велиина ~4,96 эВ, а у полупроводниковой двуокиси титана ~4,53 эВ), на их границе образуется барьер Шоттки, обеспечивающий необходимую анизотропию электропроводности покрытия. Токосъем с полупроводникового покрытия обеспечивается омическим (невыпрямляющим) контактом с металлическими электродами. Такие контакты могут быть получены путем легирования приповерхностного слоя покрытия для возникновения туннельного эффекта, либо вырождения полупроводника. В частности, вырожденные полупроводники на основе оксидов и халькогенидов вентильных металлов могут быть получены изменением состава этих соединений в сторону увеличения содержания металла.

В качестве полупроводникового покрытия также может использоваться слой сложного оксида или халькогенида металла, из которого изготовлена радиоактивная фольга, и одного из ранее упомянутых вентильных металлов, при увеличивающимся по мере приближения к наружной поверхности содержании последнего. Содержание вентильного металла целесообразно увеличивать вплоть до значений, обеспечивающих возможность образования омического контакта покрытия с металлами за счет образования вырожденного полупроводника или возникновения туннельного эффекта. Необходимая анизотропия электропроводности в этом случае обеспечивается образованием выпрямляющих гетероструктур, например таких как NixTiyOz, где 0<х<1, 0<y<1, 0<z<3 (Г.П. Стефанович, А.Л. Пергамент, П.П. Борисков и др. Зарядоперенос в выпрямляющих оксидных гетероструктурах и оксидные элементы доступа ReRAM. Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 5, с. 650-656). При этом часть радиоактивного изотопа окажется внутри выпрямляющей гетероструктуры, что способствует более полному использованию его излучения для образования электронно-дырочных пар и их более эффективному разделению электрическим полем, что способствует повышению эффективности преобразования энергии.

Толщина фольги и толщина полупроводникового покрытия определяются длиной пробега частиц используемого излучения в применяемых материалах. Например, при использовании никелевой фольги с высоким содержанием изотопа 63Ni, излучающего β-частицы со средней энергией ~17 кэВ, толщина фольги не должна превышать 2-3 мкм, а толщина полупроводниковых покрытий на основе оксидов никеля и титана, с необходимой анизотропией электропроводности, обеспечиваемой барьером Шоттки или выпрямляющей гетероструктурой, не превышает ~10 мкм (А.А. Давыдов, Е.Н. Федоров и др. Разработка источников излучения на основе 63Ni с преобразователями β-излучения различного типа. Цветные металлы ISSN 0372-2929,2016, №7 (883), с. 71-75).

Использование содержащей радиоактивный радиоизотоп фольги в качестве источника радиоактивного излучения и одновременно в качестве подложки для покрытия, служащего полупроводниковым преобразователем, существенно улучшают весогабаритные характеристики и способствуют повышению эффективности радиоизотопного элемента электрического питания.

Осуществление изобретения.

В радиоизотопном элементе электрического питания в качестве источника излучения использовали никелевую фольгу толщиной ~3 мкм, содержащую изотоп никель-63, а в качестве полупроводникового соединения вентильного металла с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы на поверхность фольги с одной стороны наносилось полупроводниковое покрытие - полупроводниковая двуокись титана, образующая барьер Шоттки с никелем. Содержание в титана в покрытии возрастало по мере приближения к его поверхности, вплоть до 100%, что обеспечивало омический (невыпрямляющий) контакт с металлическими электродами. Толщина покрытия составляла ~15 мкм. Указанное покрытие было получено путем реактивного магнетронного напыления титана в кислородосодержащей среде, при уменьшении парциального давления кислорода в ходе технологического процесса. Толщина полученного в соответствии с настоящим изобретением радиоизотопного элемента с барьером Шоттки не превысила 20 мкм. Таким образом, толщина уменьшилась по сравнению с прототипом, по крайней мере, на толщину подложки, на которой создается выпрямляющий контакт его полупроводникового преобразователя (для кремниевых преобразователей эта величина составляет ~200-300 мкм).

В радиоизотопном элементе электрического питания с выпрямляющей гетероструктурой на поверхность радиоактивной никелевой фольги толщиной ~2 мкм в качестве сложного полупроводникового соединения никеля с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы и с вентильным металлом, с двух сторон наносился сложный окисел состава 63NixTiyOz. Причем с приближением к поверхности покрытия величина х уменьшались от ~1 до 0, величина у возрастала от 0 до 1, а величина z возрастала от 1 до ~3 и затем снижалась почти до 0, что соответствует изменению состава покрытия в пределах NiO-NiTiO3-TiO2-Ti. Такое распределение элементов в покрытии толщиной ~8 мкм было получено сочетанием методов термообработки и реактивного магнетронного напыления в кислородосодержащей среде. Толщина полученного радиоизотопного элемента также не превышала 20 мкм. Использование оксидного материала с высоким содержанием никеля на границе с фольгой и покрытия способствовало их прочному сцеплению и устойчивость к деформациям. Это позволяет сделать рассматриваемый элемент электрического питания гибким, свернуть его рулон, сложить «гармошкой» и т.п. Для такого элемента не требуется корпус, что способствует дополнительному улучшению его весогабаритных характеристик. В результате характеристики радиоизотопного элемента, в котором полупроводниковый преобразователь совмещен с источником излучения, могут быть улучшены еще на порядок. Помимо этого в данном исполнении радиоизотопного элемента часть изотопа находится непосредственно внутри выпрямляющей структуры, что способствует более эффективному разделению образовавшихся под действием радиоактивного излучения электронно-дырочных пар, благодаря чему дополнительно решается и задача по повышению эффективности преобразования энергии.

1. Радиоизотопный элемент электрического питания, включающий источник излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, и по крайней мере один полупроводниковый преобразователь, отличающийся тем, что по существу полупроводниковый преобразователь совмещен с источником излучения, для чего на поверхность содержащей радиоактивный изотоп фольги нанесено полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении.

2. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковое покрытие нанесено с одной стороны содержащей радиоактивный изотоп фольги.

3. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковое покрытие нанесено с обеих сторон содержащей радиоактивный изотоп фольги.

4. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется соединение вентильного металла с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов, образующее с металлом радиоактивной фольги барьер Шоттки.

5. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового покрытия, пропускающего электрический ток только в одном направлении, используется сложное соединение металла радиоактивной фольги с неметаллом главной подгруппы шестой группы периодической системы химических элементов и с вентильным металлом, в котором содержание вентильного металла увеличивается по мере приближения к наружной поверхности покрытия, с образованием полупроводниковой выпрямляющей гетероструктуры.

6. Радиоизотопный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве радиоактивного изотопа использован никель-63, кобальт-60, стронций-90, кадмий-113, прометий-147, плутоний-238 или америций-241.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам формирования изображений, в частности устройству захвата изображения и системе захвата изображения. Устройство захвата изображения согласно варианту осуществления включает в себя подложку, на которой расположено множество схем пикселей, полупроводниковый слой, расположенный на подложке, первый электрод, расположенный на полупроводниковом слое, и второй электрод, расположенный между полупроводниковым слоем и подложкой.

Устройство фотоэлектрического преобразования, содержащее первый участок фотоэлектрического преобразования, являющийся первым фотодиодом и выполненный с возможностью формировать электроны; и второй участок фотоэлектрического преобразования, являющийся вторым фотодиодом и выполненный с возможностью формировать дырки.

Использование: для создания источников питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта. Сущность изобретения заключается в том, что регулятор содержит блоки ключевых и накопительных элементов, блок управления, включающий в себя преобразователь, стабилизатор напряжений, микроконтроллер и датчик температуры, где блок ключевых элементов соединен с контактами комплектов батареи и выполнен с возможностью коммутации комплектов к накопительным элементам, схема соединения ключевых элементов определяется блоком управления, выполненным с обратными связями по одному или нескольким каналам с выходом регулятора, с контактами одного или нескольких комплектов батареи и с датчиком температуры, установленным в стабилизаторе напряжения.

Использование: для преобразования энергии электромагнитных волн солнечного света в электрическую энергию монокристаллами кремния. Сущность изобретения заключается в том, что способ повышения эффективности преобразования энергии поглощенного светового потока электромагнитных волн в электрическую преобразователем, созданным на базе монокристалла кремния без стационарного фоточувствительного слоя в виде p-n или n-p перехода, связанного с образованием в нем сдвиговых высокочастотных ультразвуковых волн путем создания на лицевой его поглощающей поверхности продольных синусоидальных высокочастотных ультразвуковых волн амплитудой от 4.0-10.0 В пьезоэлементом из необата лития, возбуждаемого высокочастотным ультразвуковым генератором синусоидальных сигналов с переменной амплитудой и частотой порядка 29.5 мГц.

Изобретение относится к твердотельному датчику изображений и камере. Твердотельный датчик изображений включает в себя группу микролинз, в которой множество микролинз скомпонованы так, чтобы составлять множество строк и множество колонок.

Изобретение относится к устройству захвата изображения. Устройство захвата изображения содержит: пиксельную область, имеющую множество пикселей, которые размещены двухмерным образом, причем каждый из множества пикселей служит в качестве пикселя захвата изображения и пикселя обнаружения фокуса, каждый из множества пикселей выполнен с возможностью выдавать сигнал для обнаружения фокуса на основе обнаружения разности фаз; множество асимметричных микролинз, причем каждая из множества асимметричных микролинз размещена согласно множеству блоков фотоэлектрического преобразования соответствующих пикселей.

Изобретение относится к устройству захвата изображения. Устройство захвата изображения содержит: пиксельную область, имеющую множество пикселей, которые размещены двухмерным образом, причем каждый из множества пикселей служит в качестве пикселя захвата изображения и пикселя обнаружения фокуса, каждый из множества пикселей выполнен с возможностью выдавать сигнал для обнаружения фокуса на основе обнаружения разности фаз; множество асимметричных микролинз, причем каждая из множества асимметричных микролинз размещена согласно множеству блоков фотоэлектрического преобразования соответствующих пикселей.

Изобретение относится к устройству формирования изображений. Технический результат заключается в обеспечении линии управления для каждой ячейки в модуле формирования изображений.

Устройство относится к области интегральной микроэлектроники, предназначено для обработки оптической информации. Устройство характеризуется многоканальной системой считывания в составе матрицы ячеек считывания.

Настоящее изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и к системе фотоэлектрического преобразования. Устройство фотоэлектрического преобразования, содержащее: элемент фотоэлектрического преобразования; дифференциальную пару, включающую в себя первый транзистор, выполненный с возможностью приема сигнала на основании электрического заряда, генерируемого в элементе фотоэлектрического преобразования, и второй транзистор, выполненный с возможностью приема опорного сигнала; фиксирующую схему, выполненную с возможностью фиксации напряжения на затворе второго транзистора, и выходную схему.

Изобретение относится к способу изготовления сверхтонких полупроводниковых структур с потенциальным барьером, способных генерировать полезную электрическую энергию под действием ионизирующего излучения.

Изобретение относится к области преобразователей энергии ионизирующих излучений изотопных источников в электрическую энергию Э.Д.С. Такие источники отличаются от конденсаторов и аккумуляторов много большей энергией, приходящейся на единицу объема, но малой выделяемой мощностью в единицу времени.

Изобретение относится к технике безотходной ядерной технологии. Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером, представляющий собой сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных или комплектных микроисточников тока, где каждый из микроисточников тока содержит кремнийсодержащую n+ легированную пластинку с р+ эпитаксиальным слоем, и источник бета-частиц в виде содержащего радиоизотоп никеля-63 металлического электропроводного слоя, контактирующего с одной или с двух сторон с полупроводниковым преобразователем, и систему токосъемных электродов для подключения к нагрузке, при этом в качестве полупроводникового преобразователя энергии бета-частиц в электрическую энергию - матрицу монокристаллического р-кремния, а в качестве источника бета-частиц - соразмерную с пластинкой полупроводника токопроводящую металлическую пластинку, в качестве системы токосъемных электродов - комбинацию системы внутренних встроенных с обеих сторон кремниевой пластинки по всей площади поверх слоя нитрида кремния серебряных линейных электродов.

Изобретение относится к источникам питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта. Сущность: бета-вольтаическая батарея содержит корпус, крышку, полупроводниковые преобразователи, изолирующие и радиоизотопные элементы и токопроводящие контакты, конфигурируемые в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно и (или) последовательно до достижения требуемой выходной мощности.

Изобретение относится к средствам прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к созданию компактных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей.

Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63 на этой поверхности.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений - бетаисточников в электрическую энергию. Изобретение обеспечивает создание двухсторонней конструкции комбинированного накопительного элемента фото- и бетавольтаики, состоящей из совмещенных на одной пластине кремния с одной стороны - фотоэлемента и подключенного параллельно к нему планарного плоского конденсатора, с другой стороны - бетавольтаического элемента, бета-источник никель-63 которого помещается в микроканалы для увеличения КПД и тока генерации.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений бета-источников в электрическую энергию. Создание оригинальной планарной конструкции высоковольтного преобразователя реализуется по стандартной микроэлектронной технологии.

Изобретение может быть использовано в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию включает изготовление полупроводникового материала, состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением с одновременным снятием электричества с помощью проводников, при этом в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 1014-1016 атомов на см3 и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество.

Использование: для питания микроэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения заключается в том, что радиоизотопный элемент электрического питания включает источник излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, и по крайней мере один полупроводниковый преобразователь, при этом полупроводниковый преобразователь совмещен с источником излучения, для чего на поверхность содержащей радиоактивный изотоп фольги нанесено полупроводниковое покрытие, пропускающее электрический ток только в одном направлении. Технический результат - обеспечение возможности: повышения эффективности преобразования энергии. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх