輻射伏特效應(yīng)同位素電池?fù)Q能單元的初步設(shè)計

楊玉青 王關(guān)全 胡 睿 高 暉 劉業(yè)兵 張華明 羅順忠

(中國工程物理研究員核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900)

微電路及微機電系統(tǒng)(MEMS系統(tǒng))要求電源體積小、壽命長、可與自身一體化，傳統(tǒng)的化學(xué)電池、太陽能電池、燃料電池均不能滿足上述要求。輻射伏特效應(yīng)微型同位素電池主要由半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體器件構(gòu)成[1–3]，易與微電路及MEMS系統(tǒng)制作在同一基片上。同時此類電池對外直流穩(wěn)態(tài)輸出，輸出電壓零點幾伏，供電給系統(tǒng)無需變壓、整流等中間轉(zhuǎn)換過程。此類電池也可實現(xiàn)高功率密度，相同電功率下電池體積小，尺寸與系統(tǒng)相匹配[4–6]。電池壽命主要由放射性同位素半衰期確定，選用合適的長半衰期同位素，電池可長期使用無需維護。因此，輻射伏特效應(yīng)同位素電池是未來微電路和 MEMS系統(tǒng)理想的機載電源，但是，我國在這方面的研究仍處于初級階段。本文從輻射伏特效應(yīng)基本原理出發(fā)，開展以PN結(jié)器件為換能單元的初步設(shè)計，并進行相應(yīng)的測試與分析。

1 輻射源選擇與換能單元設(shè)計

1.1 輻射源選擇

選擇輻射源應(yīng)避免在硅器件中引入大量位移損傷缺陷，避免強γ和X射線對附近微電路和微機電系統(tǒng)的不良影響。晶體硅原子位移損傷的閾能為14–21 eV[7–8]，對應(yīng)的入射電子能量為 155–221 keV，同位素發(fā)射的a粒子能量一般在兆電子伏量級，容易造成晶體硅位移損傷[1–2]。在 8.86×105Bq241Am面源作用下，單晶硅PN器件輸出急劇退化，開路電壓Uoc退化比短路電流Isc更嚴(yán)重(圖1)；圖2是開路電壓和短路電流隨輻照時間的變化，輸出電性能在2 d后退化變緩，與位移缺陷的自恢復(fù)有關(guān)[9]。因此，選擇發(fā)射低能β同位素輻射源；并考慮穩(wěn)定性和安全性，不用氣態(tài)或液態(tài)輻射源。本文采用固態(tài)63Ni源和3H源。

圖1 單晶硅PN結(jié)換能單元在241Am源下輸出I-V特性隨輻照時間的變化Fig.1 I-V curves of a PN junction unit irradiated by an 241Am source.

1.2 換能單元設(shè)計

設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)包括同位素發(fā)射的含能粒子在單晶硅和空氣中的射程，載流子的遷移率、少子壽命、少子擴散長度等半導(dǎo)體材料參數(shù)，PN結(jié)內(nèi)建電場電勢、電場寬度及其在結(jié)兩邊的分布與結(jié)深、電場強度及其分布、載流子在內(nèi)建電場中的牽引長度等單晶硅PN結(jié)的特性參數(shù)。由此初步設(shè)計加載63Ni和3H的單晶硅PN結(jié)型器件的制作參數(shù)，包括頂層、基層和背層的摻雜濃度和厚度、正面電極和背電極等。在初始設(shè)計基礎(chǔ)上改進設(shè)計PN結(jié)型器件參數(shù)。

圖2 單晶硅PN結(jié)換能單元在241Am源下Isc(a)和Uoc(b)隨輻照時間的變化Fig.2 Changes in Isc(a)and Uoc(b) of a PN junction unit irradiated by an 241Am source.

2 輸出電特性

在固態(tài)63Ni源和3H源輻照下，研究了初步設(shè)計的器件和兩種改進器件的輸出電性能。

2.1 固態(tài)63Ni源輻照下的輸出電特性

圖3是2.96×108Bq固態(tài)63Ni源輻照下初設(shè)和改進器件的 I-V輸出特性曲線，其入射功率為 824 nW。初設(shè)器件和改進器件 1與 2的 Uoc分別為0.078、0.132和0.267 V；初設(shè)器件的η為0.096%，改進器件2的η為0.56%；填充因子FF持續(xù)提高。但兩改進器件Isc在28.4 nA上并無改善，改進器件2的Isc甚至下降，由28.4降至24.1 nA。

圖3 改進器件與初設(shè)器件在63Ni源片作用下的電輸出比較Fig.3 I-V curves of different units irradiated by a 63Ni source.

2.2 固態(tài)3H源輻照下的輸出電特性

在不同3H含量的固態(tài)3H源輻照下，初設(shè)和改進器件的I-V曲線相似，圖4是改進器件2的I-V曲線。一定3H含量下，固態(tài)3H的2π發(fā)射率達到飽和，器件的短路電流也趨飽和，選擇合適的源厚度和氚含量[10]。以 5.09×109Bq的氚鈦源輻照，3種器件換能單元的I-V曲線見圖5，I-V變化趨勢與63Ni源片輻照下的不同，提高器件電流和電壓對參數(shù)的要求有時矛盾，須在兩者間取得最佳平衡。

圖4 改進器件2在不同氚含量氚源作用下的電輸出性能Fig.4 Isc of the improved Unit 2 irradiated by 3H sources of different activities.

3 數(shù)學(xué)模型分析

電池可等效為一個恒流源Ira與二極管D并聯(lián)，但實際上須考慮串聯(lián)和并聯(lián)電阻的影響。輻射伏特效應(yīng)微型同位素電池是直流電源，電容和電感可忽略。輻射伏特效應(yīng)微型同位素電池的實際等效電路如圖6。

圖5 改進器件與初設(shè)器件在5.09×109 Bq氚鈦源作用下的電輸出比較Fig.5 I-V curves of the initial design unit and two improved units irradiated by a 3H source of 5.09×109 Bq.

圖6 輻射伏特效應(yīng)同位素電池的等效電路Fig.6 Equivalent circuit of a radiation-voltaic isotope battery.

由圖6，電池的輸出電流IL為：

當(dāng)電池短路時，U＝0，ID＝0，短路電流 Isc＝Ira；當(dāng)電池開路時，電池輸出電流IL＝0、輸出電壓為開路電壓 Uoc，二極管兩端的電壓UD=U+ILRs=Uoc，即輻射生電流 Ira相等二極管兩端電壓為Uoc時的暗電流ID(Uoc)，則：

由此，電池的開路電壓Uoc為：

在規(guī)范化電池輸出I-V特性曲線上取3個點及Isc、Uoc的測量值，用 Mathcad數(shù)值方法求解式(1)中參數(shù)，得出一個完整的數(shù)學(xué)模型。在圖3曲線上取兩組數(shù)據(jù)，按電池方程及計算機解析模型求解，所得數(shù)據(jù)取平均值列于表1。圖7是改進器件2由數(shù)學(xué)解析模型獲得的器件I-V特性曲線與實驗數(shù)據(jù)的比較。3種器件的數(shù)學(xué)解析模型的計算值與實驗數(shù)據(jù)值相差不大，說明模型是正確的。其中初設(shè)器件和器件 2的反向飽和電流 I0與理論計算值 I0＝5.39×10–10A 和 3.49×10–13A 很接近。串聯(lián)電阻 Rs的影響很小，可忽略。改進器件的反向飽和電流低于初設(shè)器件，并聯(lián)電阻大于初設(shè)器件，導(dǎo)致了輸出開路電壓的增大[4]和I-V曲線填充因子FF的提高，這與圖3相符。

表1 初設(shè)器件和改進器件的數(shù)學(xué)解析模型求解數(shù)據(jù)Table 1 Parameters of equivalent circuit functions calculated by the analytical model for different units.

同時，假設(shè)氚鈦源輻照下輸出電特性的短路電流即理想輻射生電流，用數(shù)學(xué)模型方程(3)對表1數(shù)值計算得出初設(shè)器件、改進器件1和改進器件2的開路電壓分別為 0.084、0.148和 0.272 V，與圖 5實驗測定值0.092、0.156和0.260 V基本一致，說明數(shù)學(xué)模型分析有效可靠。

相對器件開路電壓的理論值，即PN結(jié)內(nèi)建電場電勢值，63Ni源下實驗獲得的最好開路電壓接近理論極限值的 1/3，短路電流值僅達到理論極限的近1/8；3H源下以改進器件2為例，開路電壓超過理論極限值的 1/3，短路電流值僅達到理論極限的近1/20。

分析表明，使用優(yōu)化頂層厚度、降低表面和頂層復(fù)合損失、減薄基層厚度等措施可改進設(shè)計當(dāng)前類型器件，提高輸出電性能，尤其是短路電流。這些有待實驗驗證。

圖7 改進器件2的I-V特性曲線實驗數(shù)據(jù)(■)與數(shù)學(xué)解析模型獲得的I-V特性曲線(△)的比較Fig.7 I-V curves of the improved Unit 2.■ Measured; △ Calculated with the analytical-model

4 結(jié)論

基于單晶硅PN結(jié)器件換能單元，根據(jù)輻射伏特效應(yīng)原理和放射性粒子與硅基半導(dǎo)體材料的相互作用，探索研究輻射伏特效應(yīng)同位素電池?fù)Q能單元的設(shè)計。研究表明單晶硅PN結(jié)型換能單元在241Am源作用下輸出電性能在2 d內(nèi)急劇衰退，不適宜作該類換能單元的輻射源；設(shè)計3種單晶硅PN結(jié)換能單元，在2.96×108Bq的63Ni源輻照下，最大短路電流為28.4 nA，最大開路電壓為0.267 V；在約5.09×109Bq的3H源輻照下，最大短路電流為62.8 nA，最大開路電壓為0.260 V；當(dāng)前換能單元仍需改進設(shè)計以提高其輸出電性能。

1 Flicker H, Loferski J J, Elleman T S. IEEE Trans Electron Devices, 1964, 11(1): 2–8

2 Olsen L C. Proceedings of the XII Space Photovoltaic Research and Technology Conference. 1992. 256–267

3 王鐵山, 張保國, 王柱生, 等. 核技術(shù), 1995, 18(12):740–743 WANG Tieshan, ZHANG Baoguo, WANG Zhusheng, et al. Nucl Tech, 1995, 18(12): 740–743

4 Hang Guo, Amit Lal. the 12thInternational Conference on Solid State Sensors, actuators and Microsystems. Boston,2003. 36–39

5 許書河, 張利峰. 中國核學(xué)會同位素分會論文集. 昆明,2006. 43–48 XU Shuhe, ZHANG Lifeng. Proceedings of Isotope Branch of China Nuclear Society. Kunming, 2006. 43–48

6 孫 磊, 苑偉政, 喬大勇. 微細(xì)加工技術(shù), 2006, 3: 32–35 SUN Lei, YUAN Weizheng, QIAO Dayong. Microfabr Technol, 2006, 3: 32–35

7 謝希德. 半導(dǎo)體器件的核輻射加固(譯文集). 北京: 科學(xué)出版社, 1985. 1–34 XIE Xide. Nuclear-radiation-hardening of semiconductor devices. Beijing: Science Press, 1985. 1–34

8 Little R G. United States Patent 5440187, 1995

9 Srour J R, Marshall C J, Marshall P W. IEEE Trans Nucl Sci, 2003, 50(3): 653–670

10 Bower K E, Barbanel Y A, Shreter Y G, et al. Polymers phosphors and voltaics for radioisotope microbatteries.Boca Raton: CRC Press LLC, 2002