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。
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.
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.
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。
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.
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.
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
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。
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