[go: up one dir, main page]

RU2796548C2 - Nuclear micro-battery - Google Patents

Nuclear micro-battery Download PDF

Info

Publication number
RU2796548C2
RU2796548C2 RU2020107899A RU2020107899A RU2796548C2 RU 2796548 C2 RU2796548 C2 RU 2796548C2 RU 2020107899 A RU2020107899 A RU 2020107899A RU 2020107899 A RU2020107899 A RU 2020107899A RU 2796548 C2 RU2796548 C2 RU 2796548C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microbattery
mbq
radioactive material
diode
particles
Prior art date
Application number
RU2020107899A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020107899A3 (en
RU2020107899A (en
Inventor
Анна Меган БАРНЕТТ
Сильвия БУТЕРА
Грамматики ЛИОЛИОУ
Original Assignee
Дзе Юниверсити Оф Сассекс
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from GBGB1711783.9A external-priority patent/GB201711783D0/en
Application filed by Дзе Юниверсити Оф Сассекс filed Critical Дзе Юниверсити Оф Сассекс
Publication of RU2020107899A publication Critical patent/RU2020107899A/en
Publication of RU2020107899A3 publication Critical patent/RU2020107899A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2796548C2 publication Critical patent/RU2796548C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: invention relates to a nuclear micro-battery, which can be used to generate small amount of energy for a long period of time. The battery contains radioactive material that emits photons or particles; and at least one diode that contains semiconductor material placed with the possibility of receiving and absorbing photons or other particles emitted by radioactive material and generating electric charge carriers in response to these reception and absorption. Moreover, the mentioned semiconductor material has a structure of a crystal lattice including aluminum, indium and phosphorus. At least one diode contains a PIN junction or a p-n junction created by the mentioned crystal lattice structure. Semiconductor material is made with the possibility of receiving and absorbing the mentioned other types of photons or other particles and generating electric charge carriers in response to these reception and absorption.
EFFECT: possibility of growing a crystal compound with high crystal quality on traditional substrate (for example, GaAs) to a large thickness, thereby increasing the absorption of particles emitted by radioactive material by the crystal.
25 cl, 21 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Настоящее изобретение в целом относится к ядерной микробатарее, которая содержит радиоизотоп и один или несколько диодов и в которой радиоизотоп распадается с образованием фотонов или частиц, принимаемых указанными одним или несколькими диодами для выработки тока.The present invention generally relates to a nuclear microbattery which contains a radioisotope and one or more diodes and in which the radioisotope decays to form photons or particles which are received by said one or more diodes to generate current.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Способность обеспечивать небольшие количества энергии в течение длительного периода времени становится все более значимой во многих областях применения, таких как технологии создания приборов на основе микроэлектромеханических систем, биомедицина и аэрокосмическая промышленность. Для этого могут быть использованы ядерные микробатареи, преобразующие ядерную энергию в электрическую. В ядерной микробатарее радиоактивный источник совмещен с конверсионным материалом, который поглощает частицы высокой энергии, испускаемые радиоактивным источником, и вырабатывает электрический ток. В отличие от традиционных источников питания, таких как химические батареи, ядерные микробатареи обладают важными характеристиками, такими как высокая плотность энергии, стабильность, устойчивость к повреждениям, и длительный срок службы Например, ядерные микробатареи в течение многих десятилетий могут обеспечивать небольшие количества энергии (напр. от ~пВт до ~мкВт).The ability to provide small amounts of power over an extended period of time is becoming increasingly important in many applications such as MEMS device technology, biomedicine, and aerospace. For this, nuclear microbatteries can be used, which convert nuclear energy into electrical energy. In a nuclear microbattery, the radioactive source is combined with a conversion material that absorbs the high-energy particles emitted by the radioactive source and generates an electrical current. Unlike traditional power sources such as chemical batteries, micronuclear batteries have important characteristics such as high energy density, stability, resistance to damage, and long service life. For example, micronuclear batteries can provide small amounts of energy for many decades (ex. from ~pW to ~µW).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Настоящее изобретение представляет собой ядерную микробатарею, которая содержит:The present invention is a nuclear microbattery which contains:

радиоактивный материал, который испускает фотоны или частицы; иradioactive material that emits photons or particles; And

по меньшей мере один диод, который содержит полупроводниковый материал размещенный с возможностью приема и поглощения фотонов или частиц и выработки носителей электрического заряда в ответ на эти прием и поглощение, причем, упомянутый полупроводниковый материал представляет собой структуру кристаллической решетки, содержащую алюминий, индий и фосфор.at least one diode, which contains a semiconductor material placed with the possibility of receiving and absorbing photons or particles and generating electric charge carriers in response to these reception and absorption, moreover, said semiconductor material is a crystal lattice structure containing aluminum, indium and phosphorus.

Было обнаружено, что использование этого типа полупроводникового материала в микробатарее обеспечивает микробатарее исключительно хорошие электрические характеристики. Это в особенности характерно для таких вариантов исполнения микробатареи, в которых радиоактивный источник испускает рентгеновское излучение, гамма-излучение или бета-частицы, а полупроводниковый материал преобразует это рентгеновское излучение, гамма-излучение или бета-частицы в носители электрического заряда.It has been found that the use of this type of semiconductor material in a microbattery provides the microbattery with exceptionally good electrical performance. This is especially true for microbattery embodiments in which the radioactive source emits x-rays, gamma rays, or beta particles, and the semiconductor material converts these x-rays, gamma rays, or beta particles into electrical charge carriers.

Возможность использования полупроводникового материала для создания улучшенной микробатареи не была выявлена, хотя известно использование полупроводникового материала в фотодиодах для других целей, таких как спектроскопия. Радиоактивный материал содержит радиоизотоп в концентрации достаточной, чтобы доставить вышеупомянутые фотоны или частицы к диоду таким образом, что микробатарея вырабатывает электрическую энергию.The possibility of using semiconductor material to create an improved microbattery has not been identified, although the use of semiconductor material in photodiodes for other purposes, such as spectroscopy, is known. The radioactive material contains a radioisotope in a concentration sufficient to deliver the aforementioned photons or particles to the diode so that the microbattery generates electrical energy.

Поглощение фотонов или частиц полупроводниковым материалом приводит к образованию электронно-дырочных пар.The absorption of photons or particles by a semiconductor material leads to the formation of electron-hole pairs.

Структура кристаллической решетки может представлять собой AlInP. Это вещество может иметь решетку, согласованную по параметрам с обычной полупроводниковой подложкой GaAs, и поэтому может быть выращено на ней с высоким качеством кристалла. Качество согласованной по параметру кристаллической решетки AlInP, может быть очень высоким по сравнению с качеством нитридов III-V группы и соединений II-VI группы с аналогичной шириной запрещенной зоны. Контролировать легирование AlInP также легче, чем для некоторых полупроводников в других II-VI группах.The crystal lattice structure may be AlInP. This substance can have a lattice matched with a conventional GaAs semiconductor substrate, and therefore can be grown on it with a high crystal quality. The quality of the lattice matched AlInP can be very high compared to the quality of group III-V nitrides and group II-VI compounds with a similar band gap. AlInP doping is also easier to control than for some semiconductors in other II-VI groups.

Структура решетки может иметь состав Al0,52In0,48Р или Al0,53In0,47P. Такие композиции AlInP обеспечивают в значительной степени согласованность по параметрам материала с решеткой и позволяют вырастить материал на традиционных, таких как GaAs, подложках. Также эти соотношения позволяют выращивать AlInP с высоким качеством кристалличности и/или до относительно большой толщины. Это особенно ценно, поскольку, для увеличения вероятности поглощения какого-либо фотона или частицы из радиоактивного материала, может потребоваться относительно толстый слой AlInP. Однако предполагается, что материал AlInP может представлять собой кристаллическую структуру, с составом решетки AlxIn1-xP, причем х имеет значение, отличное от 0,5.The lattice structure can have a composition of Al 0.52 In 0.48 P or Al 0.53 In 0.47 P. Such AlInP compositions provide a significant degree of consistency in material parameters with the lattice and make it possible to grow the material on traditional, such as GaAs, substrates. . Also, these ratios make it possible to grow AlInP with a high quality of crystallinity and/or to a relatively large thickness. This is especially valuable because a relatively thick layer of AlInP may be required to increase the probability of absorbing any photon or particle from the radioactive material. However, it is contemplated that the AlInP material may be a crystal structure with a lattice composition of Al x In 1-x P, where x has a value other than 0.5.

AlInP может быть создан на подложке, предпочтительно на полупроводниковой, такой, как GaAs.AlInP can be created on a substrate, preferably a semiconductor such as GaAs.

Микробатарея может содержать электроды для снятия электрического тока, вырабатываемого по меньшей мере одним упомянутым диодом путем выработки носителей электрического заряда.The microbattery may contain electrodes for removing the electric current generated by at least one said diode by generating electric charge carriers.

По меньшей мере один диод может содержать множество диодов, соединенных параллельно или последовательно. Микробатарея может содержать ≥2, ≥3, ≥4, ≥5, ≥10, ≥15, ≥20, ≥30, ≥40, ≥50, ≥100, ≥150, или ≥200 диодов.The at least one diode may comprise a plurality of diodes connected in parallel or in series. The microbattery may contain ≥2, ≥3, ≥4, ≥5, ≥10, ≥15, ≥20, ≥30, ≥40, ≥50, ≥100, ≥150, or ≥200 diodes.

По меньшей мере один диод может содержать множество диодов, причем один или несколько диодов расположены на одной стороне радиоактивного материала, а один или несколько диодов - на второй, противоположной стороне радиоактивного материала.At least one diode may contain a plurality of diodes, with one or more diodes located on one side of the radioactive material, and one or more diodes on the second, opposite side of the radioactive material.

Между упомянутым по меньшей мере одним диодом и радиоактивным материалом может быть создан зазор, который может быть заполнен газом, поддерживаемым под давлением несколько ниже атмосферного. Разрежение в зазоре поддерживается на уровне давления несколько ниже атмосферного (относительно давления воздуха на уровне моря).A gap may be created between said at least one diode and the radioactive material, which may be filled with a gas maintained at a pressure slightly below atmospheric. The vacuum in the gap is maintained at a pressure level slightly below atmospheric (relative to air pressure at sea level).

Между упомянутым по меньшей мере одним диодом и радиоактивным материалом может быть создан зазор, который может быть заполнен инертным газом. Инертным газом может быть, например, гелий.A gap may be created between said at least one diode and the radioactive material, which may be filled with an inert gas. The inert gas can be, for example, helium.

Между упомянутым по меньшей мере одним диодом и радиоактивным материалом может быть создан зазор, который может быть заполнен радиоактивным газом. Таким газом может быть, например, тритий. В таком исполнении упомянутый радиоактивный материал может быть источником бета-частиц, поскольку бета-частицы в тритии имеют относительно большую среднюю величину длины свободного пробега. В вариантах исполнения, в которых диоды расположены на противоположных сторонах радиоактивного материала, зазоры могут быть предусмотрены на любой стороне радиоактивного материала, и один или оба этих зазора могут находиться под давлением ниже атмосферного и/или заполнены инертным газом и/или радиоактивным газом.A gap may be created between said at least one diode and the radioactive material, which may be filled with radioactive gas. Such a gas can be, for example, tritium. In such an embodiment, said radioactive material can be a source of beta particles, since the beta particles in tritium have a relatively large mean free path. In embodiments where the diodes are located on opposite sides of the radioactive material, gaps may be provided on either side of the radioactive material, and one or both of these gaps may be subatmospheric and/or filled with an inert gas and/or radioactive gas.

Радиоактивный материал и по меньшей мере один диод могут быть размещены в общем корпусе, который расположен и выполнен с возможностью по существу предотвращать выход из корпуса фотонов или частиц радиоактивного материала; или микробатарея может содержать экранирующий элемент, который расположен и выполнено возможностью по существу предотвращать прохождение через него фотонов или частиц радиоактивного материала.The radioactive material and at least one diode may be housed in a common housing that is positioned and configured to substantially prevent photons or particles of radioactive material from escaping from the housing; or the microbattery may include a shielding element that is positioned and configured to substantially prevent photons or particles of radioactive material from passing through it.

Корпус или элемент защиты могут быть выполнены из металла, например из листового металла или из металлической фольги. Могут быть использованы такие металлы, как, например, алюминий, сталь (напр. нержавеющая сталь) или вольфрам. Однако допускается возможность применения и других металлов или других материалов при условии, что они препятствуют прохождению через них фотонов или частиц радиоактивного материала. Например, возможно использование керамического корпуса или экрана.The housing or security element may be made of metal, such as sheet metal or metal foil. Metals such as, for example, aluminum, steel (eg stainless steel) or tungsten can be used. However, other metals or other materials may be used, provided that they prevent the passage of photons or particles of radioactive material through them. For example, it is possible to use a ceramic body or screen.

По меньшей мере один диод может содержать PIN переход или р-n переход, образованный упомянутой структурой кристаллической решетки.At least one diode may comprise a PIN junction or a p-n junction formed by said lattice structure.

PIN переход (напр. р+-i-n+) может быть образован нелегированным слоем AlInP, расположенным непосредственно между р-легированным слоем AlInP и n-легированным слоем AlInP.A PIN junction (eg p + -in + ) can be formed by an undoped AlInP layer located directly between a p-doped AlInP layer and an n-doped AlInP layer.

Включение собственного i-слоя (с собственной электропроводностью) в PIN переход может быть использовано для создания относительно широкой обедненной области и, следовательно, относительно большого объема для поглощения фотонов или частиц радиоактивного материала и последующей выработки носителей заряда. Однако также допускается возможность создания слоя AlInP в виде р-n-перехода. р-n-переход может быть образован р-легированным слоем AlInP, контактирующим с п-легированным слоем AlInP. Альтернативно, материал слоя AlInP может быть выполнен с переходом в форме контакта Шоттки.The inclusion of an intrinsic i-layer (with intrinsic electrical conductivity) in a PIN junction can be used to create a relatively wide depletion region and hence a relatively large volume for absorbing photons or radioactive material particles and subsequently generating charge carriers. However, it is also possible to create an AlInP layer in the form of a p-n junction. The p-n junction can be formed by a p-doped AlInP layer in contact with an n-doped AlInP layer. Alternatively, the material of the AlInP layer can be made with a transition in the form of a Schottky contact.

Толщины i-слоя PIN перехода могутиметь значения: ≥5 мкм, ≥10 мкм, ≥15 мкм, ≥20 мкм, ≥25 мкм, ≥30 мкм, ≥35 мкм, ≥40 мкм, ≥45 мкм или ≥50 мкм; и/или толщины i-слоя PIN перехода могутиметь значения: ≤5 Омкм; ≤45 мкм; ≤40 мкм; ≤35 мкм; ≤30 мкм; ≤25 мкм; ≤20 мкм; ≤15 мкм; ≤10 мкм; или ≤5 мкм. Каждый из перечисленных нижних пределов толщины, может быть объединен с любым из перечисленных верхних пределов толщины, при условии, что пределы не являются взаимоисключающими. Рассматриваются такие варианты исполнения, в которых толщины i-слоя имеют значения ≥6 мкм, ≥8 мкм или ≥23 мкм.The i-layer thicknesses of the PIN junction may have the following values: ≥5 µm, ≥10 µm, ≥15 µm, ≥20 µm, ≥25 µm, ≥30 µm, ≥35 µm, ≥40 µm, ≥45 µm, or ≥50 µm; and/or i-layer thicknesses of the PIN junction may have the following values: ≤5 Ωkm; ≤45 µm; ≤40 µm; ≤35 µm; ≤30 µm; ≤25 µm; ≤20 µm; ≤15 µm; ≤10 µm; or ≤5 µm. Each of the listed lower thickness limits may be combined with any of the listed upper thickness limits, provided that the limits are not mutually exclusive. Such embodiments are considered in which the i-layer thicknesses are ≥6 µm, ≥8 µm or ≥23 µm.

Создание такого относительно толстого i-слоя обеспечивает условия для поглощения сравнительно высокой доли падающих фотонов или частиц, в результате чего вырабатывается относительно большое количество носителей заряда, и диод становится сравнительно эффективен при выработке тока от фотонов или частиц. Относительно высокая толщина обеспечивает высокую квантовую эффективность устройства для различных типов радиоактивных источников (напр. источников рентгеновского или бета-излучения).The provision of such a relatively thick i-layer allows a relatively high proportion of incident photons or particles to be absorbed, resulting in a relatively large amount of charge carriers being generated and the diode becoming relatively efficient at generating current from photons or particles. The relatively high thickness provides a high quantum efficiency of the device for various types of radioactive sources (eg sources of x-rays or beta radiation).

Полупроводниковый материал обеспечивает относительно высокий коэффициент затухания для испускаемых радиоактивным источником фотонов или частиц, и особенно для рентгеновского излучения.The semiconductor material provides a relatively high attenuation factor for photons or particles emitted by a radioactive source, and especially for x-rays.

Толщины р-слоя и/или n-слоя PIN-перехода могут иметь значения: ≤0,5 мкм, ≤0,4 мкм, ≤0,3 мкм, ≤0,2 мкм или ≤0,1 мкм.The thicknesses of the p-layer and/or n-layer of the PIN junction may be: ≤0.5 μm, ≤0.4 μm, ≤0.3 μm, ≤0.2 μm, or ≤0.1 μm.

Создание таких относительно тонких слоев ограничивает поглощение этими слоями фотонов или частиц. Например, в случае использования р-слоя (или n-слоя), расположенного на стороне перехода, обращенной к радиоактивному источнику, относительно тонкий р-слой (или n-слой) будет поглощать относительно небольшую долю фотонов или частиц таким образом, что большая часть падающих фотонов или частиц сможет попасть в i-слой PIN-перехода, быть в нем поглощенной и выработать носители заряда (хотя здесь допускается, что часть р-слоя может также активно способствовать выработке полезных носителей заряда).The creation of such relatively thin layers limits the absorption of photons or particles by these layers. For example, in the case of using a p-layer (or n-layer) located on the side of the junction facing the radioactive source, a relatively thin p-layer (or n-layer) will absorb a relatively small fraction of photons or particles in such a way that most incident photons or particles can enter the i-layer of the PIN junction, be absorbed in it and generate charge carriers (although it is assumed here that part of the p-layer can also actively contribute to the production of useful charge carriers).

Микробатарея может содержать электрод на каждой стороне PIN-перехода или р-n-перехода для подачи напряжения на переход и/или для снятия электрического тока, полученного в результате выработки носителей заряда в переходе. Причем по меньшей мере один из электродов частично не покрывает ту сторону перехода, на которой он расположен, так что упомянутые фотоны или частицы могут проходить в переход с указанной стороны, не проходя на упомянутый по меньшей мере один электрод.The microbattery may include an electrode on each side of the PIN or p-n junction to energize the junction and/or to remove electrical current generated by the generation of charge carriers in the junction. Moreover, at least one of the electrodes does not partially cover the side of the transition on which it is located, so that the said photons or particles can pass into the transition from the indicated side without passing to the said at least one electrode.

По меньшей мере один электрод может быть кольцевым, перфорированным, с углублением или встречно-штыревым, для того, чтобы не закрывать полностью упомянутую сторону и дать возможность упомянутым фотонам или частицам проходить в переход, не проходя материал, формирующий электрод. Например, по меньшей мере один электрод может быть расположен только по периметру той стороны перехода, на которой электрод расположен.At least one electrode may be annular, perforated, recessed, or interdigitated so as not to completely cover said side and to allow said photons or particles to pass into the junction without passing through the material forming the electrode. For example, at least one electrode may be located only around the perimeter of the side of the transition on which the electrode is located.

По меньшей мере один электрод может закрывать ≤ х % площади той стороны перехода, на которой электрод расположен, причем значение х выбирается из: 40; 35; 30; 25; 20; 15 и 10.At least one electrode can cover ≤ x % of the area of the side of the transition on which the electrode is located, and the value of x is selected from: 40; 35; thirty; 25; 20; 15 and 10.

Напряжение прямого смещения микробатареи может быть подано на PIN- или р-п-переход, причем это напряжение может иметь значения: ≥0,1 В; ≥0,2 В; ≥0,3 В; ≥0,4 В; ≥0,5 В; ≥0,6 В; ≥0,7 В; ≥0,8 В; ≥0,9 В; ≥1 В; ≥1,1 В; ≥1,2 В; ≥1,3 В; ≥1,4 В; ≥1,5 В; ≥1,6 В; ≥1,7 В; ≥1,8 В; ≥1,9 В; и ≥2 В; и/или ≤0,1 В; ≤0,2 В; ≤0,3 В; ≤0,4 В; ≤0,5 В; ≤0,6 В; ≤0,7 В; ≤0,8 В; ≤0,9 В; ≤1 В; ≤1,1 В; ≤1,2 В; ≤1,3 В; ≤1,4 В; ≤1,5 В; ≤1,6 В; ≤1,7 В; ≤1,8 В; ≤1,9 В; и ≤2 В. Любой из диапазонов, с пределом сверху, может быть объединен с диапазоном, с пределом снизу, при условии, что они не являются взаимоисключающими.The microbattery forward bias voltage can be applied to the PIN or p-n junction, and this voltage can have the following values: ≥0.1 V; ≥0.2V; ≥0.3V; ≥0.4V; ≥0.5V; ≥0.6V; ≥0.7V; ≥0.8V; ≥0.9V; ≥1V; ≥1.1V; ≥1.2V; ≥1.3V; ≥1.4V; ≥1.5V; ≥1.6V; ≥1.7V; ≥1.8V; ≥1.9V; and ≥2 V; and/or ≤0.1 V; ≤0.2V; ≤0.3V; ≤0.4V; ≤0.5V; ≤0.6V; ≤0.7V; ≤0.8V; ≤0.9V; ≤1V; ≤1.1V; ≤1.2V; ≤1.3V; ≤1.4V; ≤1.5V; ≤1.6V; ≤1.7V; ≤1.8V; ≤1.9V; and ≤2 V. Any of the upper limit ranges can be combined with the lower limit range, provided they are not mutually exclusive.

Каждый диод и по меньшей мере один может иметь структуру меза-диода. Альтернативно по меньшей мере один диод может быть создан способом ионного легирования или может представлять собой планарное устройство с контактами Шоттки.Each diode and at least one may have a mesa diode structure. Alternatively, at least one diode may be formed by an ion doping process or may be a planar device with Schottky contacts.

Диод может содержать один или несколько слоев для создания электрического контакта на каждой стороне полупроводникового материала. Например, один из нескольких слоев может содержать по меньшей мере один слой металла и/или по меньшей мере один слой полупроводника. Примеры слоев металла включают такие металлы, как золото и титан. Примеры слоя полупроводника включают в себя GaAs или InGe.The diode may contain one or more layers to create an electrical contact on each side of the semiconductor material. For example, one of the multiple layers may comprise at least one metal layer and/or at least one semiconductor layer. Examples of metal layers include metals such as gold and titanium. Examples of the semiconductor layer include GaAs or InGe.

Между одним и несколькими слоями может быть предусмотрен связующий слой для создания электрического контакта и полупроводникового материала (напр. AlInP), для хорошего соединения электрических контактов с полупроводниковым материалом (напр. AlInP). Связующим слоем может быть металл или полупроводник, такой, как GaAs. Одним из связующих слоев может быть подложка, на которой был создан полупроводниковый материал (напр. AlInP).Between one or more layers, a bonding layer can be provided to create an electrical contact and a semiconductor material (eg AlInP), for a good connection of electrical contacts with a semiconductor material (eg AlInP). The bonding layer may be a metal or a semiconductor such as GaAs. One of the bonding layers can be the substrate on which the semiconductor material was created (eg AlInP).

Поверхность каждого по меньшей мере одного диода, обращенного к радиоактивному материалу, фактически может иметь форму многоугольника.The surface of each of the at least one diodes facing the radioactive material may actually be polygonal in shape.

Поверхность в форме многоугольника может иметь закругленные углы. Это помогает предотвратить электрический пробой на углах.A polygon-shaped surface may have rounded corners. This helps prevent electrical breakdown at corners.

Поверхность в форме многоугольника может иметь по меньшей мере 5 сторон или по меньшей мере 6 сторон. Благодаря этому батарея может содержать несколько близко расположенных диодов, что позволяет оптимизировать соотношение размера и мощности батареи.The polygonal surface may have at least 5 sides or at least 6 sides. Due to this, the battery can contain several closely spaced diodes, which allows to optimize the ratio of battery size and power.

Радиоактивный материал может быть расположен в пределах расстояния X мм от материала полупроводника диода, причем величина X выбирается из значений: ≤5; ≤4; ≤3; ≤2; ≤1; ≤0,8; ≤0,7; ≤0,6; ≤0,5; ≤0,4; ≤0,3; ≤0,2; и ≤0,1.The radioactive material may be located within a distance X mm from the semiconductor material of the diode, and the value of X is selected from the values: ≤5; ≤4; ≤3; ≤2; ≤1; ≤0.8; ≤0.7; ≤0.6; ≤0.5; ≤0.4; ≤0.3; ≤0.2; and ≤0.1.

Радиоактивный материал может являться источником рентгеновского и/или гамма-излучения или источником бета-частиц и/или нейтронов.The radioactive material may be a source of x-rays and/or gamma radiation or a source of beta particles and/or neutrons.

Варианты такого исполнения имеют преимущества перед такими микробатареями, которые преобразуют альфа-частицы и бета-частицы в носители заряда, поскольку альфа-частицы могут вызвать существенные повреждения устройства, а бета-частицы могут создать ионизационный след вдоль траектории движения бета-частицы, который уменьшает сопротивление и понижает напряжение батареи.These designs have advantages over microbatteries that convert alpha particles and beta particles into charge carriers, since alpha particles can cause significant damage to the device, and beta particles can create an ionization trail along the path of the beta particle, which reduces resistance and lower the battery voltage.

Однако, допускается, что радиоактивный источник может быть источником альфа-частиц.However, it is assumed that the radioactive source may be the source of alpha particles.

Диод ядерной микробатареи может с помощью полупроводникового материала преобразовывать испускаемые радиоактивным материалом фотоны или частицы непосредственно в электричество, или может сначала преобразовать испускаемые радиоактивным материалом фотоны или частицы, в другие типы фотонов или частиц. Эти другие фотоны или частицы могут воздействовать на материал полупроводника для выработки носителей заряда.The nuclear microbattery diode can convert the photons or particles emitted by the radioactive material directly into electricity using the semiconductor material, or it can first convert the photons or particles emitted by the radioactive material into other types of photons or particles. These other photons or particles can act on the semiconductor material to generate charge carriers.

Радиоактивный материал фактически может представлять собой планарную массу, величина массовой толщины которой выбирается из: ≤10 мг/см2, ≤9 мг/см2, ≤8 мг/см2, ≤7 мг/см2, ≤6 мг/см2, ≤5 мг/см2, ≤4 мг/см2, ≤3 мг/см2, ≤2 мг/см2 и ≤1 мг/см2. Радиоактивный материал в действительности может представлять собой планарную массу, величина видимой активности которой на единицу площади, выбирается из: ≥1 МБк/мм2; ≥2 МБк/мм2; ≥3 МБк/мм2; ≥4 МБк/мм2; ≥5 МБк/мм2; ≥6 МБк/мм2; ≥7 МБк/мм2; ≥8 МБк/мм2; ≥9 МБк/мм2; ≥10 МБк/мм2; ≥12 МБк/мм2; ≥14 МБк/мм2; ≥16 МБк/мм2; ≥18 МБк/мм2; ≥20 МБк/мм2; ≥25 МБк/мм2; ≥30 МБк/мм2; ≥35 МБк/мм2; и ≥40 МБк/мм2. Следует отметить, что любой из указанных выше пределов массовой толщины может комбинироваться с любым из указанных выше пределов видимой активности.The radioactive material may actually be a planar mass, the mass thickness of which is selected from: ≤10 mg/cm 2 , ≤9 mg/cm 2 , ≤8 mg/cm 2 , ≤7 mg/cm 2 , ≤6 mg/cm 2 , ≤5 mg/cm 2 , ≤4 mg/cm 2 , ≤3 mg/cm 2 , ≤2 mg/cm 2 and ≤1 mg/cm 2 . The radioactive material may actually be a planar mass, the amount of apparent activity of which per unit area is selected from: ≥1 MBq/mm 2 ; ≥2 MBq/mm 2 ; ≥3 MBq/mm 2 ; ≥4 MBq/mm 2 ; ≥5 MBq/mm 2 ; ≥6 MBq/mm 2 ; ≥7 MBq/mm 2 ; ≥8 MBq/mm 2 ; ≥9 MBq/mm 2 ; ≥10 MBq/mm 2 ; ≥12 MBq/mm 2 ; ≥14 MBq/mm 2 ; ≥16 MBq/mm 2 ; ≥18 MBq/mm 2 ; ≥20 MBq/mm 2 ; ≥25 MBq/mm 2 ; ≥30 MBq/mm 2 ; ≥35 MBq/mm 2 ; and ≥40 MBq/mm 2 . It should be noted that any of the above mass thickness limits may be combined with any of the above visible activity limits.

Установлено, что предпочтительным является высокий уровень видимой активности радиоактивного материала, а не фактической активности радиоактивного материала как таковой (вследствие явления самопоглощения в радиоактивном материале), и что постоянное увеличение количества радиоактивного материала не будет постоянно увеличивать видимую активность. Соответственно, утверждается, что величина массовой толщины радиоактивного материала может быть оптимизирована таким образом, чтобы при относительно низком значении массовой толщины радиоактивного материала получить хорошую производительность микробатареи (т.е. относительно высокую видимую активность).It has been found that a high level of visible activity of the radioactive material is preferable, rather than the actual activity of the radioactive material per se (due to the phenomenon of self-absorption in the radioactive material), and that a constant increase in the amount of radioactive material will not permanently increase the visible activity. Accordingly, it is argued that the radioactive material mass thickness value can be optimized such that a good microbattery performance (i.e., relatively high apparent activity) is obtained at a relatively low radioactive material mass thickness.

Микробатарея может содержать преобразователь для поглощения или взаимодействия с фотонами или частицами, испускаемыми радиоактивным материалом, и выработки других типов фотонов или частиц в ответ на эти поглощения и взаимодействия; при этом материал полупроводника выполнен для осуществления захвата и поглощения этих фотонов или частиц другого типа и выработки электрической энергии в ответ на эти захваты и поглощения. Например, в качестве преобразователя может быть использован фосфорный или другой сцинтиллятор для поглощения или взаимодействия с фотонами или частицами, испускаемыми радиоактивным материалом, и выработки в ответ на эти поглощения и взаимодействия других типов фотонов или частиц, которые затем проходят на диод.The microbattery may contain a transducer for absorbing or interacting with photons or particles emitted by the radioactive material and generating other types of photons or particles in response to these absorptions and interactions; wherein the semiconductor material is configured to capture and absorb those photons or other types of particles and generate electrical energy in response to those captures and absorptions. For example, a phosphorus or other scintillator may be used as a transducer to absorb or interact with photons or particles emitted by the radioactive material and generate other types of photons or particles in response to these absorptions and interactions, which then pass to the diode.

Например, преобразователь может принимать нейтроны из радиоактивного материала (напр. от AmBe источника) и вырабатывать в ответ электроны и/или гамма-излучение, которые затем падают на диод для выработки носителей заряда.For example, the converter may receive neutrons from radioactive material (eg, from an AmBe source) and produce electrons and/or gamma rays in response, which are then incident on a diode to generate charge carriers.

Преобразователем может быть металлическая фольга, такая как, например, Гадолиниевая фольга.The transducer may be a metal foil such as, for example, Gadolinium foil.

Преобразователь может быть устроен таким образом, чтобы не подвергать диод прямому воздействию радиоактивного материала, уменьшая тем самым повреждение диода.The converter can be designed so as not to directly expose the diode to radioactive material, thereby reducing damage to the diode.

По меньшей мере один диод может быть не лавинным диодом. Микробатарея может не содержать усилитель тока и не усиливает ток от микробатареи.At least one diode may be a non-avalanche diode. The microbattery may not contain a current amplifier and does not amplify the current from the microbattery.

Микробатарея может содержать внешний корпус, определяющий объем батареи, выбранный из следующих значений: ≤50 см3, ≤40 см3, ≤30 см3, ≤20 см3, ≤10 см3, ≤5 см3, ≤4 см3, ≤3 см3, ≤2 см3, или ≤1 см3.The microbattery may comprise an outer casing defining the volume of the battery, selected from the following values: ≤50 cm3 , ≤40 cm3 , ≤30 cm3 , ≤20 cm3 , ≤10 cm3 , ≤5 cm3 , ≤4 cm3 ≤3 cm 3 , ≤2 cm 3 , or ≤1 cm 3 .

Настоящее изобретение также предлагает устройство, которое содержит микробатарею, как описано далее и электронное устройство, подсоединенное к микробатарее, или с возможностью подсоединения к микробатарее, с целью получения питания от микробатареи для выполнения одного или нескольких действий.The present invention also provides a device that includes a microbattery, as described below, and an electronic device connected to, or capable of being connected to, the microbattery in order to receive power from the microbattery to perform one or more activities.

Устройство может быть выполнено таким образом, что микробатарея подает электрический ток на электронное устройство без усиления тока.The device can be configured such that the microbattery supplies electric current to the electronic device without amplifying the current.

Варианты исполнения настоящего изобретения предлагают надежную, миниатюрную и высокоэффективную радиоизотопную микробатарею для устройств микроэлектроники с низким потреблением мощности. Устройство может использоваться во множестве приложений, где не применима технология химической батареи, например, из-за способа использования, условий окружающей среды или ограничений объема или массы источника питания. Варианты исполнения изобретения используются в электронных устройствах, требующих повышенной надежности в подаче относительно небольшого количества энергии (напр. подача питания в диапазоне мощности от 1 пВт до 1000 нВт) в течение длительных периодов времени (напр. ≥ 10 лет), например, в электронных медицинских имплантатах, устройствах защиты от несанкционированного доступа, встроенной электронике, военных шифровальных устройствах с резервным питанием от батарей, в часах реального времени, устройствах отслеживания активов и локаторах, а также в датчиках, предназначенных для контроля целостности конструкции или загрязнения окружающей среды. Варианты исполнения изобретения применимы в устройствах, которые при использовании подвергаются воздействию экстремальных температур, давления, вибрации или других неблагоприятных условий окружающей среды, например, таких, как высокоточные управляемые боеприпасы или интеллектуальное оружие, точные управляемые системы вооружения и многоцелевые боеприпасы, ключи шифрования в микроэлектронных устройствах, устройства наблюдения за хранением ядерных отходов или за другими экстремальными условиями окружающей среды, такими как вулканическая активность и геологические разрывы.Embodiments of the present invention provide a robust, miniature and high performance radioisotope microbattery for low power consumption microelectronic devices. The device can be used in a variety of applications where chemical battery technology is not applicable, such as due to usage, environmental conditions, or volume or weight limitations of the power supply. Embodiments of the invention are used in electronic devices requiring increased reliability in supplying a relatively small amount of energy (e.g. power supply in the power range from 1 pW to 1000 nW) for long periods of time (e.g. ≥ 10 years), for example, in electronic medical implants, tamper-resistant devices, embedded electronics, battery-backed military encryption devices, real-time clocks, asset tracking devices and locators, and sensors designed to monitor structural integrity or environmental contamination. Embodiments of the invention are applicable in devices that are exposed to extreme temperatures, pressures, vibrations or other adverse environmental conditions during use, such as precision guided munitions or smart weapons, precision guided weapons systems and multi-purpose munitions, encryption keys in microelectronic devices , monitoring devices for nuclear waste storage or other extreme environmental conditions such as volcanic activity and geological faults.

Варианты исполнения изобретения полезны в тех случаях, когда требуются длительные периоды резервного питания, например, для усиления основного источника питания химических батарей.Embodiments of the invention are useful where long backup periods are required, such as to boost the main power supply of chemical batteries.

Заявляемые микробатареи могут быть использованы в таких областях, как технологии создания приборов на основе микроэлектромеханических систем, военная и аэрокосмическая промышленность, биомедицина.The claimed microbatteries can be used in such areas as technologies for creating devices based on microelectromechanical systems, military and aerospace industries, and biomedicine.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи будут описаны различные варианты исполнения настоящего изобретения, приведенной только в качестве примера, на чертежах:Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, various embodiments of the present invention will be described, given by way of example only, in the drawings:

Фиг. 1 показывает зависимость типовых характеристик темнового тока от напряжения прямого смещения при различных температурах для фотодиода в соответствии с вариантом исполнения;Fig. 1 shows typical dark current characteristics versus forward bias voltage at various temperatures for a photodiode according to an embodiment;

Фиг. 2 показывает зависимость между логарифмом тока насыщения и температурой для фотодиода;Fig. 2 shows the relationship between log saturation current and temperature for a photodiode;

Фиг. 3 показывает зависимость типовых характеристик темнового тока и фототока от приложенного напряжения смещения для фотодиода;Fig. 3 shows typical dark current and photocurrent characteristics as a function of applied bias voltage for a photodiode;

Фиг. 4 показывает зависимость типовых характеристик тока от напряжения прямого смещения при различных температурах для фотодиода;Fig. 4 shows typical current characteristics versus forward bias voltage at various temperatures for a photodiode;

Фиг. 5А показывает зависимость напряжения разомкнутой цепи от температуры для фотодиодов, а Фиг. 5В показывает найденную зависимость между напряжением разомкнутой цепи и током насыщения;Fig. 5A shows open circuit voltage versus temperature for photodiodes, and FIG. 5B shows the found relationship between open circuit voltage and saturation current;

Фиг. 6 показывает зависимость тока короткого замыкания от температуры для фотодиодов;Fig. 6 shows short circuit current versus temperature for photodiodes;

Фиг. 7 показывает зависимость выходной мощности фотодиода от приложенного напряжения прямого смещения при различных температурах;Fig. 7 shows photodiode output power as a function of applied forward bias voltage at various temperatures;

Фиг. 8А показывает зависимость величины максимальной измеренной выходной мощности от температуры, а Фиг. 8В показывает зависимость эффективности внутренней конверсии от температуры; иFig. 8A shows the maximum measured output power as a function of temperature, and FIG. 8B shows the internal conversion efficiency as a function of temperature; And

Фиг. 9 схематически показывает геометрическое расположение радиоактивного источника и фотодиодов;Fig. 9 schematically shows the geometric arrangement of the radioactive source and photodiodes;

Фиг. 10 показывает зависимость характеристик темнового тока от напряжения прямого смещения при различных температурах для бета-вольтаического элемента;Fig. 10 shows dark current characteristics versus forward bias voltage at various temperatures for a beta voltaic cell;

Фиг. 11 показывает зависимость измеренного тока насыщения и коэффициента идеальности от температуры;Fig. 11 shows measured saturation current and ideality factor as a function of temperature;

Фиг. 12 показывает зависимость характеристик фототока от напряжения прямого смещения при различных температурах;Fig. 12 shows the dependence of photocurrent characteristics on forward bias voltage at various temperatures;

Фиг. 13 показывает зависимость напряжения разомкнутой цепи от температуры;Fig. 13 shows the dependence of open circuit voltage on temperature;

Фиг. 14 показывает зависимость тока короткого замыкания от температуры;Fig. 14 shows the dependence of the short circuit current on temperature;

Фиг. 15 показывает зависимость выходной мощности бета-вольтаического элемента от приложенного напряжения прямого смещения в диапазоне температур;Fig. 15 shows the output power of a beta-voltaic cell as a function of applied forward bias voltage over a range of temperatures;

Фиг. 16 показывает зависимость максимальной измеренной выходной мощности от температуры и зависимость эффективности внутренней конверсии бета-вольтаического элемента от температуры;Fig. 16 shows the maximum measured power output as a function of temperature and the internal conversion efficiency of the beta-voltaic cell as a function of temperature;

Фиг. 17 показывает зависимость фактической поверхностной активности на единицу площади и измеряемой поверхностной активности на единицу площади радиоактивного материала 6 3Ni от массовой толщины радиоактивного материала;Fig. 17 shows actual surface activity per unit area and measured surface activity per unit area of 6 3 Ni radioactive material as a function of the mass thickness of the radioactive material;

Фиг. 18 показывает зависимость вероятности излучения источника от энергии бета-частицы;Fig. 18 shows the dependence of the source emission probability on the energy of the beta particle;

Фиг. 19 показывает схематическое изображение микробатареи, с расположенными по обе стороны от радиоактивного материала матрицами диодных ячеек;Fig. 19 shows a schematic representation of a microbattery, with arrays of diode cells located on either side of the radioactive material;

Фиг. 20 показывает схематическое изображение ячейки диода в соответствии с вариантом исполнения; иFig. 20 shows a schematic representation of a diode cell according to an embodiment; And

Фиг. 21 показывает схематическое изображение ячейки сверху вниз, с изображением верхнего омического контакта.Fig. 21 shows a schematic view of the cell from top to bottom, showing the top ohmic contact.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION

В вариантах исполнения настоящего изобретения ядерная микробатарея содержит радиоактивный источник для излучения фотонов или частиц и по меньшей мере один диод для приема этих фотонов или частиц и преобразования их энергии в электрическую энергию.In embodiments of the present invention, the nuclear microbattery contains a radioactive source for emitting photons or particles and at least one diode for receiving these photons or particles and converting their energy into electrical energy.

Далее, исключительно в качестве примера, будет описан типовой вариант исполнения ядерной микробатареи для лучшего понимания изобретения. В этом варианте исполнения микробатарея содержит радиоизотоп для излучения рентгеновских лучей и фотодиод для преобразования энергии рентгеновских лучей в электричество. Следует иметь в виду, что изобретение не ограничивается конкретным радиоактивным источником или диодом, содержащим все описанные слои, или конкретным составом различных слоев в данном примере.Next, by way of example only, an exemplary embodiment of a nuclear microbattery will be described for a better understanding of the invention. In this embodiment, the microbattery contains a radioisotope for emitting x-rays and a photodiode for converting x-ray energy into electricity. It should be understood that the invention is not limited to a particular radioactive source or diode containing all of the described layers, or to the specific composition of the various layers in this example.

В соответствии с Таблицей 1, типовой фотодиод содержит указанные слои. Слой пластины Al0,52In0,48Р (слои 3-5 в Таблице 1) был выращен по методу газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (ГФЭ МОС) на n+ -легированной GaAs:Si подложке (слой 6 в Таблице 1) с разориентацией в 10 градусов по отношению к <1 1 1> А, для подавления упорядоченной фазы как у CuPt, для создания p+-i-n+структуры. Слои пластины Al0,52In0,48P были успешно выращены на подложке GaAs для создания легированного кремнием n+слоя Al0,52In0,48P с концентрацией легирования 2 х 1018 см-3 и толщиной 0,1 мкм (слой 6 в Таблице 1), за которым следует внутренний слой Al0,52In0,48P, не имеющий легирования и с толщиной 2 мкм (слой 4 в Таблице 1), за которым следует цинковый р+ - легированный слой Al0,52In0,48P, с концентрацией легирования 5×1017 см-3 и толщину 0,2 мкм (слой 3 в Таблице 1). Сильно легированный цинковый р+ - легированный слой GaAs, с концентрацией легирования 1×1018 см-3 и толщину 0,01 мкм (слой 2 в Таблице 1), был выращен над р+ - легированным слоем Al0,52In0,48P (слой 3 в Таблице 1) для улучшения омического контакта. Затем для изготовления двух круглых меза-фотодиодов с диаметром 400 мкм применялись методы жидкостного химического травления слоев. Для травления круглых меза-фотодиодов был применен раствор Н3РО42О2:H2O, в соотношении 1:1:1, а затем в течение 10 с раствор H2SO42О2:H2O в соотношении 1:8:80.In accordance with Table 1, a typical photodiode contains the indicated layers. The Al 0.52 In 0 .48 P wafer layer (layers 3-5 in Table 1) was grown by metal-organic vapor phase epitaxy (HPE-MOS) on an n+ -doped GaAs:Si substrate (layer 6 in Table 1) with misorientation 10 degrees with respect to <1 1 1> A, to suppress the ordered phase as in CuPt, to create a p + -i-n + structure. Al 0.52 In 0.48 P wafer layers were successfully grown on a GaAs substrate to create a Si-doped n+ Al 0.52 In 0.48 P layer with a doping concentration of 2 x 10 18 cm -3 and a thickness of 0.1 μm ( layer 6 in Table 1) followed by an inner Al 0.52 In 0.48 P layer undoped and 2 µm thick (layer 4 in Table 1) followed by a zinc p+ doped Al 0 layer, 52 In 0.48 P, with a doping concentration of 5×10 17 cm -3 and a thickness of 0.2 μm (layer 3 in Table 1). A heavily doped zinc p+ - doped GaAs layer, with a doping concentration of 1×10 18 cm -3 and a thickness of 0.01 μm (layer 2 in Table 1), was grown over the p + - doped Al 0.52 In 0.48 layer P (layer 3 in Table 1) to improve ohmic contact. Then, for the manufacture of two round mesa-photodiodes with a diameter of 400 μm, methods of liquid chemical etching of the layers were used. To etch round mesa photodiodes, a solution of H 3 PO 4 :H 2 O 2 :H 2 O was used, in a ratio of 1:1:1, and then for 10 s a solution of H 2 SO 4 :H 2 O 2 :H 2 O in the ratio 1:8:80.

Омический верхний контакт был создан на сильно легированном слое GaAs (слой 2 в Таблице 1) путем напыления как слоя золота толщиной 0,2 мкм, так и слоя титана толщиной 0,02 мкм с образованием контакта сплава Au/Ti (элемент 1 в Таблице 1). Верхний Омический контакт покрывал 33% поверхности каждого фотодиода диаметром 400 мкм. Омический тыльный контакт был создан на тыльной поверхности подложки GaAs (слой 6 в Таблице 1) путем напыления слоя InGe толщиной 0,02 мкм (слой 8 в Таблице 1) и слоя золота толщиной 0,2 мкм (слой 8 в Таблице 1).An ohmic top contact was created on a heavily doped GaAs layer (layer 2 in Table 1) by sputtering both a 0.2 µm gold layer and a 0.02 µm titanium layer to form an Au/Ti alloy contact (element 1 in Table 1 ). The top ohmic contact covered 33% of the surface of each 400 µm photodiode. An ohmic back contact was created on the back surface of the GaAs substrate (layer 6 in Table 1) by sputtering a 0.02 µm thick InGe layer (layer 8 in Table 1) and a 0.2 µm gold layer (layer 8 in Table 1).

Figure 00000001
Figure 00000001

Каждый из двух разпассивированных меза фотодиодов диаметром 400 мкм был создан на одной микросхеме и подвержен воздействию 238 МБк от источника рентгеновского излучения 5 6 Fe (Mn Kα=5,9 кэВ, Mn Kβ=6,49 кэВ). Источник рентгеновского излучения был расположен в 5 мм от поверхности фотодиодов.Each of the two depassivated mesa photodiodes with a diameter of 400 µm was created on a single chip and exposed to 238 MBq from a 5 6 Fe X-ray source (Mn Kα=5.9 keV, Mn Kβ=6.49 keV). The X-ray source was located 5 mm from the surface of the photodiodes.

Квантовая эффективность рентгеновского излучения полупроводникового фотодетектора определяется процентным содержанием фотонов рентгеновского излучения, поглощенных фотодетектором. Согласно закону Ламберта-Бэра и, допуская накопление полного заряда в активном р-слое и i-слое, были рассчитаны квантовые эффективности рентгеновского излучения в 20% и 30% для каждого фотодиода для фотонов 5,9 кэВ и 6,49 кэВ соответственно, принимая во внимание мертвую зону GaAs. Значения квантовой эффективности (QE) были рассчитаны согласно равенству (1) ниже, с учетом того, что 33% поверхности каждого фотодиода были покрыты верхним металлическим контактом. Квантовая эффективность представляет собой:The quantum efficiency of X-ray radiation of a semiconductor photodetector is determined by the percentage of X-ray photons absorbed by the photodetector. According to the Lambert-Beer law and, assuming the accumulation of total charge in the active p-layer and i-layer, the quantum efficiencies of X-rays of 20% and 30% were calculated for each photodiode for photons of 5.9 keV and 6.49 keV, respectively, assuming take into account the dead zone of GaAs. The quantum efficiency (QE) values were calculated according to equation (1) below, assuming that 33% of the surface of each photodiode was covered by the top metal contact. Quantum efficiency is:

Figure 00000002
Figure 00000002

Где μTi и dTi - это, соответственно, линейный коэффициент ослабления и толщина Ti, μAu и dAu - это, соответственно, линейный коэффициент ослабления и толщина Au, μGaAs и dGaAs - это, соответственно, линейный коэффициент ослабления и толщина GaAs, μAlInP и dAlInP - это, соответственно, линейный коэффициент ослабления и толщина активной зоны Al0,52In0,48P. Для расчета квантовой эффективности при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ были приняты значения коэффициентов ослабления Al0,52In0,48Р, равные 0,1301 мкм-1 и 0,1004 мкм-1 (при плотности соединения 3,66 г/см3). Для расчета квантовой эффективности при 5,9 кэВ для GaAs, Ti и Au были приняты значения коэффициентов ослабления 0,0837 мкм-1, 0,2081 мкм-1 и 0,8832 мкм-1, соответственно. Для расчета квантовой эффективности при 6,49 кэВ для GaAs, Ti и Au были приняты значения коэффициентов ослабления 0,0645 мкм-1, 0,1684 мкм-1 и 0,718 мкм-1, соответственно.Where μ Ti and d Ti are, respectively, the linear attenuation coefficient and the thickness of Ti, μ Au and d Au are, respectively, the linear attenuation coefficient and the thickness of Au, μ GaAs and d GaAs are, respectively, the linear attenuation coefficient and the thickness GaAs, μ AlInP and d AlInP are, respectively, the linear attenuation coefficient and the thickness of the Al 0.52 In 0.48 P core. To calculate the quantum efficiency at 5.9 keV and 6.49 keV, the attenuation coefficients Al 0 ,52 In 0.48 P, equal to 0.1301 µm -1 and 0.1004 µm -1 (at a compound density of 3.66 g/cm 3 ). To calculate the quantum efficiency at 5.9 keV for GaAs, Ti and Au, the attenuation coefficients were taken to be 0.0837 µm -1 , 0.2081 µm -1 and 0.8832 µm -1 , respectively. To calculate the quantum efficiency at 6.49 keV for GaAs, Ti and Au, the attenuation coefficients were taken to be 0.0645 µm -1 , 0.1684 µm -1 and 0.718 µm -1 , respectively.

Микробатарея была исследована в диапазоне температур от -20°С до 160°С с помощью климатической камеры TAS Micro МТ с атмосферой сухого азота (относительная влажность <5%). При различных значениях температуры, были измерены характеристики темнового тока и фототока каждого p+-i-n+ фотодиода в зависимости от приложенного напряжения смещения. Измерения напряжения прямого смещения от 0 В до 1,6 В выполнялись с промежутком в 0,01 В с помощью пикоамперметра / источника напряжения серии Keithley 6487. Погрешность, связанная со значениями тока, составляла 0,3% от их величины плюс 400 фА, при том, что погрешность, связанная с приложенным напряжением смещения, составляла 0,1% от их значений плюс 1 мВ.The microbattery was examined in the temperature range from -20°C to 160°C using a TAS Micro MT climatic chamber with a dry nitrogen atmosphere (relative humidity <5%). At various temperatures, the characteristics of the dark current and photocurrent of each p + -in + photodiode were measured as a function of the applied bias voltage. Forward bias voltage measurements from 0 V to 1.6 V were made at 0.01 V intervals using a Keithley 6487 series picoammeter/voltage source. The error associated with the current values was 0.3% of their value plus 400 fA, at that the error associated with the applied bias voltage was 0.1% of their values plus 1 mV.

Фиг. 1 показывает зависимость типовых характеристик темнового тока от напряжения прямого смещения при различных температурах для одного из фотодиодов. Можно увидеть, что темновые токи растут в зависимости от приложенного напряжения прямого смещения из-за большей величины электрического поля во внутренней области каждого фотодиода. Величина темнового тока в фотодиоде также увеличивается с температурой из-за наличия более высокой тепловой энергии. Для каждого значения температуры был применен метод наименьших квадратов данных темнового тока в зависимости от приложенного напряжения смещения для экстраполяции тока насыщения (I0) в каждом фотодиоде.Fig. 1 shows typical dark current characteristics versus forward bias voltage at various temperatures for one of the photodiodes. It can be seen that the dark currents increase with the applied forward bias voltage due to the greater magnitude of the electric field in the interior of each photodiode. The amount of dark current in the photodiode also increases with temperature due to the presence of higher thermal energy. For each temperature value, the least squares method of dark current data versus applied bias voltage was applied to extrapolate the saturation current (I 0 ) in each photodiode.

Фиг. 2 показывает измеренную зависимость логарифма тока насыщения (I0) от температуры для одного из фотодиодов. Также Фиг. 2 показывает зависимость тока насыщения (I0) от температуры для одного из фотодиодов. Значение рассматриваемого натурального логарифма тока насыщения уменьшилось при более высоких температурах. В диапазоне температур от -20°С до 160°С значение уменьшилось на 22,19±0,13 для одного фотодиода и на 22,18±0,10 для другого фотодиода. Эти значения прекрасно согласуются с ожидаемой величиной уменьшения на 22,27, рассчитанной на основе предположения, что температурная зависимость тока насыщения пропорциональна ехр(-Eg/2kT),Fig. 2 shows the measured dependence of the logarithm of the saturation current (I 0 ) on temperature for one of the photodiodes. Also Fig. 2 shows saturation current (I 0 ) versus temperature for one of the photodiodes. The value of the considered natural logarithm of the saturation current decreased at higher temperatures. In the temperature range from -20°C to 160°C, the value decreased by 22.19±0.13 for one photodiode and by 22.18±0.10 for the other photodiode. These values are in excellent agreement with the expected reduction of 22.27 calculated on the assumption that the temperature dependence of the saturation current is proportional to exp(-E g /2kT),

Фиг. 3 показывает зависимость типовых характеристик темнового тока (круги с заливкой) и фототока (пустые круги) от приложенного напряжения смещения для одного из фотодиодов при 20°С. Можно увидеть, что с ростом напряжения прямого смещения темновой ток остается относительно стабильным, а затем начинает экспоненциально возрастать в зависимости от приложенного напряжения смещения. Темновой ток возрастает экспоненциально и пропорционально функции exp{qV/nkT}, где n - коэффициент идеальности, k - постоянная Больцмана и T - температура. Применение метода наименьших квадратов данных для каждого диода показывает линейную зависимость значений натурального логарифма темнового тока от приложенного напряжения прямого смещения. Значения градиентов, полученные методом наименьших квадратов, составляют (22,23±0,10) АВ-1 и (22,36±0,07) АВ-1 для двух фотодиодов, соответственно. Для этих диодов, соответственно, были получены такие значения коэффициентов идеальности: 1,775±0,008 и 1,769±0,006. Эти (близкие к 2) значения коэффициентов идеальности показывают, что токи генерации-рекомбинации в устройстве доминировали над токами диффузии. Под воздействием излучения источника рентгеновского излучения радиоизотопа 5 5 Fe измеренное значение величины тока (пустые кружки на Фиг. 3) через каждый фотодиод увеличилось, так как к темновому току добавился фототок. После излучения фотоны рентгеновского излучения были поглощены фотодиодом с созданием электрон-дырочных пар в результате фотоэффекта. Таким образом, электроны и дырки в обедненной области перемещались в области р+ - типа и n+ - типа соответственно, вырабатывая наблюдаемый фототок.Fig. 3 shows typical characteristics of dark current (filled circles) and photocurrent (open circles) versus applied bias voltage for one of the photodiodes at 20°C. It can be seen that as the forward bias voltage increases, the dark current remains relatively stable and then begins to increase exponentially as a function of the applied bias voltage. The dark current increases exponentially and is proportional to the function exp{qV/nkT}, where n is the ideality factor, k is the Boltzmann constant and T is the temperature. Applying the least squares data to each diode shows a linear dependence of the natural logarithm of the dark current on the applied forward bias voltage. The least squares gradient values are (22.23±0.10) AB -1 and (22.36±0.07) AB -1 for the two photodiodes, respectively. For these diodes, respectively, the following ideality coefficients were obtained: 1.775±0.008 and 1.769±0.006. These values (close to 2) of the ideality coefficients show that the generation-recombination currents in the device dominated the diffusion currents. Under the influence of the X-ray source radiation of the 5 5 Fe radioisotope, the measured value of the current (empty circles in Fig. 3) through each photodiode increased, since photocurrent was added to the dark current. After emission, the X-ray photons were absorbed by the photodiode with the creation of electron-hole pairs as a result of the photoelectric effect. Thus, electrons and holes in the depletion region moved to the p+ - type and n+ - type regions, respectively, generating the observed photocurrent.

Фиг. 4 показывает зависимость типовых характеристик тока от напряжения прямого смещения при различных температурах в диапазоне от -20°С до 160°С для одного из фотодиодов, подверженного воздействию рентгеновского излучения источника. Данные, полученные при температуре 160°С, отмечены кругами с заливкой, полученные при 140°С, отмечены пустыми кругами, при 120°С, отмечены квадратами с заливкой, при 100°С, отмечены пустыми квадратами, при 80°С, отмечены ромбами с заливкой, при 60°С, отмечены пустыми ромбами, при 40°С, отмечены крестиками, при 20°С, отмечены треугольниками с заливкой, при 0°С, отмечены пустыми треугольниками и при -20°С, отмечены звездочками. Видно, что при повышенных температурах уменьшается плавность кривой зависимости измеренного тока в фотодиоде от приложенного напряжения прямого смещения. Экспериментальные значения напряжения разомкнутой цепи были получены как точки пересечения кривых с горизонтальной осью на Фиг. 4.Fig. 4 shows typical current characteristics versus forward bias voltage at various temperatures ranging from -20°C to 160°C for one of the photodiodes exposed to X-ray source. Data obtained at 160°C, marked with filled circles, obtained at 140°C, marked with empty circles, at 120°C, marked with filled squares, at 100°C, marked with empty squares, at 80°C, marked with diamonds filled, at 60°C, marked with empty diamonds, at 40°C, marked with crosses, at 20°C, marked with triangles filled, at 0°C, marked with empty triangles and at -20°C, marked with asterisks. It can be seen that at elevated temperatures, the smoothness of the curve of dependence of the measured current in the photodiode on the applied forward bias voltage decreases. The experimental open circuit voltage values were obtained as the points of intersection of the curves with the horizontal axis in FIG. 4.

Фиг. 5А показывает зависимость напряжения разомкнутой цепи от температуры для одного фотодиода. С ростом температуры напряжение разомкнутой цепи уменьшается, так как зависит от тока насыщения. Напряжение разомкнутой цепи (Voc) логарифмически возрастает с уменьшением тока насыщения (I0), в соответствии со следующей формулой:Fig. 5A shows open circuit voltage versus temperature for a single photodiode. As the temperature rises, the open circuit voltage decreases as it depends on the saturation current. The open circuit voltage (V oc ) increases logarithmically with decreasing saturation current (I 0 ), according to the following formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где k - постоянная Больцмана, T - температура, Iph - фототок через устройство и I0 - ток насыщения.where k is the Boltzmann constant, T is the temperature, I ph is the photocurrent through the device, and I 0 is the saturation current.

Наблюдается линейное снижение напряжения разомкнутой цепи с температурой. В диапазоне от -20°С до 160°С, напряжение разомкнутой цепи Vос=- AT+В; где А=(0,00460±0,00003) В°С-1 и В=(0,871±0,002) В для одного фотодиода, и где А=(0,00460±0,00002) В°С-1 и В=(0,866±0,002) В для другого фотодиода. Значения напряжения разомкнутой цепи до 0,97 В наблюдались для фотодиодов при -20°С. Эти значения намного превышают полученные ранее (напр. 0,3 В при использовании микробатареи на основе радиоизотопа GaAs5 5 Fe при такой же температуре). Это происходит благодаря более высокому значению ширины запрещенной зоны Al0,52In0,48P по сравнению с GaAs.There is a linear decrease in open circuit voltage with temperature. In the range from -20°С to 160°С, open circuit voltage V os =- AT+V; where A=(0.00460±0.00003) V°C -1 and B=(0.871±0.002) V for one photodiode, and where A=(0.00460±0.00002) V°C -1 and V =(0.866±0.002) V for another photodiode. Open circuit voltages up to 0.97V have been observed for photodiodes at -20°C. These values are much higher than previously obtained (eg 0.3 V when using a microbattery based on the GaAs 5 5 Fe radioisotope at the same temperature). This is due to the higher band gap of Al 0.52 In 0.48 P compared to GaAs.

Фиг. 5В показывает найденную экспериментальную зависимость между напряжением разомкнутой цепи и током насыщения.Fig. 5B shows the found experimental relationship between open circuit voltage and saturation current.

Фиг. 6 показывает зависимость тока короткого замыкания от температуры фотодиодов. Эти экспериментальные значения тока короткого замыкания были получены как точки пересечения кривых на Фиг. 4 с вертикальной осью. Наблюдалось не достаточно определенное соотношение между током короткого замыкания и температурой из-за относительно высокой погрешности пикоамперметра в измерениях низких токов фотодиодов, расположенных в системе климатической камеры.Fig. 6 shows the dependence of the short circuit current on the temperature of the photodiodes. These experimental values of the short circuit current were obtained as the points of intersection of the curves in FIG. 4 with a vertical axis. There was not a well-defined relationship between short circuit current and temperature due to the relatively high error of the picoammeter in measuring low currents of photodiodes located in the climate chamber system.

Фиг. 7 показывает зависимость выходной мощности одного фотодиода от приложенного напряжения прямого смещения при различных температурах. Данные, полученные при 160°С, отмечены ромбами с заливкой, при 140°С, отмечены пустыми ромбами, при 120°С, отмечены треугольниками с заливкой, при 100°С, отмечены пустыми треугольниками, при 80°С, отмечены черточками, при 60°С, отмечены крестиками, при 40°С, отмечены квадратами с заливкой, при 20°С, отмечены пустыми квадратами, при 0°С, отмечены кругами с заливкой и при -20°С, отмечены пустыми кругами. Выходная мощность каждого фотодиода была рассчитана в результате умножения приложенного напряжения смещения и соответствующего, измеренного устройством, тока. Как показано на Фиг. 7, с ростом напряжения смещения выходная мощность сначала возрастает до максимума и затем снижается.Fig. 7 shows the output power of a single photodiode as a function of the applied forward bias voltage at various temperatures. Data obtained at 160°C, marked with filled diamonds, at 140°C, marked with empty diamonds, at 120°C, marked with filled triangles, at 100°C, marked with empty triangles, at 80°C, marked with dashes, at 60°C, marked with crosses, at 40°C, marked with filled squares, at 20°C, marked with empty squares, at 0°C, marked with filled circles and at -20°C, marked with empty circles. The output power of each photodiode was calculated by multiplying the applied bias voltage and the corresponding device-measured current. As shown in FIG. 7, as the bias voltage increases, the output power first increases to a maximum and then decreases.

Фиг. 8А показывает зависимость величины максимальной измеренной выходной мощности от температуры. С ростом температуры величина максимальной выходной мощности уменьшается в связи с зависимостью от фото-ЭДС. Максимальное значение выходной мощности 0,62 пВт, соответствующее 0,3 мкВт/Ки, наблюдалось на фотодиоде при -20°С. В результате сложения выходных мощностей двух фотодиодов диаметром 400 мкм полная выходная мощность микробатареи составит 1,2 пВт (при -20°С). Можно улучшить значение максимальной выходной мощности фотодиодов с помощью увеличения толщины внутреннего слоя Al0,52In0,48P таким образом, что большая доля фотонов рентгеновского излучения поглощается и преобразуется в электрическую энергию.Fig. 8A shows the maximum measured output power as a function of temperature. With increasing temperature, the value of the maximum output power decreases due to the dependence on photo-emf. The maximum value of the output power of 0.62 pW, corresponding to 0.3 μW/Ci, was observed on the photodiode at -20°C. As a result of adding the output powers of two photodiodes with a diameter of 400 μm, the total output power of the microbattery will be 1.2 pW (at -20°C). It is possible to improve the value of the maximum output power of photodiodes by increasing the thickness of the inner layer of Al 0.52 In 0.48 P so that a large proportion of X-ray photons are absorbed and converted into electrical energy.

Фиг. 8В показывает зависимость эффективности внутренней конверсии от температуры. Эффективность внутренней конверсии была рассчитана путем деления максимальной выходной мощности, измеренной при каждой температуре, на максимальную мощность (Pth) полученную от фотонов рентгеновского излучения обычно поглощаемых фотодиодом, при 100% эффективности конверсии фотодиода. Значение Pth было определено на основании известных значений активности источника, вероятности эмиссии Mn Kα и Mn Kβ рентгеновского излучения от 55Fe (0,245 и 0,0338 соответственно), толщины бериллиевого (Be) окна (0,25 мм) радиоизотопного источника рентгеновского излучения, площади радиоактивного источника 55Fe и слоя Al0,52In0,48P меза диода, квантовой эффективности диода и допускаемой величины энергии создания электронно-дырочных пар в 5,8 эВ (в 2,5 раза больше ширины обедненной зоны). Значение Pth было определено как 2,8 пВт. Как показано на Фиг. 8В величина эффективности внутренней конверсии может достигать 22% при -20°С.Fig. 8B shows the internal conversion efficiency as a function of temperature. The internal conversion efficiency was calculated by dividing the maximum output power measured at each temperature by the maximum power (P th ) obtained from X-ray photons normally absorbed by the photodiode, at 100% photodiode conversion efficiency. The P th value was determined based on the known values of the source activity, the probability of emission of Mn Kα and Mn Kβ X-rays from 55 Fe (0.245 and 0.0338 respectively), the thickness of the beryllium (Be) window (0.25 mm) of the radioisotope X-ray source, the area of the 55 Fe radioactive source and the Al 0.52 In 0.48 P layer of the mesa diode, the quantum efficiency of the diode, and the allowable value of the energy for creating electron-hole pairs of 5.8 eV (2.5 times the depletion zone width). The P th value was determined to be 2.8 pW. As shown in FIG. 8B, the internal conversion efficiency value can reach 22% at -20°C.

В вариантах исполнения, описанных выше, только 0,3% испускаемых фотонов рентгеновского излучения попадали на поверхность фотодиодов и только 0,05% были действительно поглощены фотодиодами. Количество фотонов, испускаемых источником в любом направлении за одну секунду, было определено на основании известных значений активности источника и вероятностей эмиссии Mn Kα и Mn Kβ рентгеновского излучения от 5 5 Fe (0,245 и 0,0338 соответственно). Было установлено, что количество фотонов, испускаемых радиоактивным источником за одну секунду, равно 6,6×107. Примерно половина из них испускаются в направлении фотодиодов и, предположительно половина фотонов теряется потому, что испускаются в направлении противоположном от фотодиодов. Количество фотонов, падающих на фотодиоды за одну секунду, было определено как 1,7×105 в секунду, на основании количества фотонов в секунду, испускаемых источником в направлении фотодиодов (3,3×107 в секунду), толщины (0,25 мм) бериллиевого (Be) окна радиоизотопного источника рентгеновского излучения и расположения источника и фотодиодов. Фиг. 9 схематически показывает расположение источника и детектора. Соотношение площадей поверхности фотодиодов (0,25 мм2) и поверхности радиоактивного источника (28,27 мм2) равно 0,0089. Количество фотонов на детекторе определено умножением числа 0,0089 на количество фотонов, проходящих за 1 секунду через бериллиевое (Be) окно источника рентгеновского излучения (1,9×107 в секунду). Количество фотонов, поглощаемых фотодиодами в секунду, было рассчитано по закону Ламберта - Бэра при условии накопления полного (100%) заряда в активных р- и i-слоях. Количество фотонов в секунду на фотодиодах было умножено на квантовую эффективность устройства, вычисленную по формуле (1) выше, при условии, что 3,4×104 фотонов в секунду поглощается фотодиодами.In the embodiments described above, only 0.3% of the emitted X-ray photons hit the surface of the photodiodes and only 0.05% were actually absorbed by the photodiodes. The number of photons emitted by the source in any direction in one second was determined based on the known values of the source activity and the emission probabilities of Mn Kα and Mn Kβ X-rays from 5 5 Fe (0.245 and 0.0338 respectively). It was found that the number of photons emitted by a radioactive source in one second is 6.6×10 7 . Approximately half of them are emitted in the direction of the photodiodes and, presumably, half of the photons are lost because they are emitted in the opposite direction from the photodiodes. The number of photons incident on the photodiodes in one second was determined to be 1.7×10 5 per second, based on the number of photons per second emitted by the source in the direction of the photodiodes (3.3×10 7 per second), thickness (0.25 mm) beryllium (Be) window of the radioisotope X-ray source and location of the source and photodiodes. Fig. 9 schematically shows the location of the source and detector. The ratio of the surface areas of the photodiodes (0.25 mm 2 ) and the surface of the radioactive source (28.27 mm 2 ) is 0.0089. The number of photons at the detector is determined by multiplying the number 0.0089 by the number of photons passing through the beryllium (Be) window of the X-ray source in 1 second (1.9×10 7 per second). The number of photons absorbed by photodiodes per second was calculated according to the Lambert-Beer law under the condition of accumulation of a full (100%) charge in the active p- and i-layers. The number of photons per second at the photodiodes was multiplied by the quantum efficiency of the device calculated from formula (1) above, assuming that 3.4×10 4 photons per second are absorbed by the photodiodes.

Не смотря на то, что описание настоящего изобретения составлено со ссылкой на предпочтительные варианты исполнения, специалистам в данной области будет понятно, что в форме и деталях возможны различные изменения в пределах объема изобретения, как указано в сопроводительных пунктах.While the description of the present invention has been made with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will appreciate that various changes in form and detail are possible within the scope of the invention as indicated in the accompanying claims.

Различные радиоактивные источники могут быть использованы помимо упомянутых выше. Радиоактивный источник может испускать фотоны отличные от рентгеновского излучения. В качестве альтернативы радиоактивный источник может испускать альфа-частицы, бета-частицы или нейтроны, которые поглощаются диодом и преобразуются в электрическую энергию.Various radioactive sources may be used in addition to those mentioned above. A radioactive source can emit photons other than X-rays. Alternatively, the radioactive source may emit alpha particles, beta particles, or neutrons, which are absorbed by the diode and converted into electrical energy.

Например, радиоактивным источником может быть эмиттер бета-частиц, такой, как 63Ni. Теперь будет описан вариант исполнения, в котором микробатарея содержит радиоактивный источник 63Ni (активность 185 МБк; энергия электрона до 66 кэВ), расположенный на расстоянии 3 мм от диода, как описано выше в соответствии с Таблицей 1.For example, the radioactive source may be a beta particle emitter such as 63 Ni. An embodiment will now be described in which the microbattery contains a 63 Ni radioactive source (activity 185 MBq; electron energy up to 66 keV) located at a distance of 3 mm from the diode, as described above in accordance with Table 1.

Программа компьютерного моделирования CASINO (версия 3.3) Монте Карло была использована для моделирования взаимодействия бета-электронов в диоде. В частности, было изучено количество энергии бета-частиц, поглощенной в i-слое AlInP. Были смоделированы процессы испускания источником 4000 бета-частиц с величиной энергии в промежутке между 1 кэВ и 66 кэВ и попадания частиц на р+ сторону эпитаксиального слоя AlInP. Моделирование показало, что бета-частицы с энергиями ниже 22 кэВ не достигали i-слоя преимущественно из-за ослабления энергии частиц в защитном неактивном Ni поверхностном слое используемого источника бета-частиц. Ослабление в верхнем контакте металла (покрывающем 33% поверхности диода) и в мертвом слое GaAs было вторичным эффектом, так же как и ослабление в р+слое AlInP. Бета-электроны с энергией ≥22 кэВ оставили часть своей энергии в i-слое. В модели предполагалось, что электроны с энергией 39 кэВ оставили наибольшую часть своей энергии в i-слое (17%): бета частицы с энергией <39 кэВ потеряли часть своей энергии выше i-слоя, в то время как бета частицы с энергией >39 кэВ легко преодолели i-слой толщиной 2 мкм, оставив там лишь малую часть своей энергии (напр. только 8% энергии от 66 кэВ было поглощено в i-слое). Таким образом, структура диода в Таблице 1 оптимизирована для поглощения бета-электронов из радиоактивного источника с энергией 39 кэВ.The CASINO computer simulation program (version 3.3) Monte Carlo was used to simulate the interaction of beta electrons in the diode. In particular, the amount of beta-particle energy absorbed in the i-layer of AlInP was studied. The processes of emission of 4000 beta-particles with an energy value between 1 keV and 66 keV and particles falling on the p+ side of the AlInP epitaxial layer were simulated. The simulation showed that beta particles with energies below 22 keV did not reach the i-layer, mainly due to the attenuation of the particle energy in the protective inactive Ni surface layer of the beta particle source used. The attenuation in the top metal contact (covering 33% of the diode surface) and in the dead GaAs layer was a secondary effect, as was the attenuation in the AlInP p+ layer. Beta electrons with energy ≥22 keV left part of their energy in the i-layer. The model assumed that electrons with an energy of 39 keV left the largest part of their energy in the i-layer (17%): beta particles with energies <39 keV lost some of their energy above the i-layer, while beta particles with energies >39 keV easily overcame the i-layer 2 μm thick, leaving only a small part of their energy there (eg, only 8% of the energy from 66 keV was absorbed in the i-layer). Thus, the diode structure in Table 1 is optimized to absorb beta electrons from a 39 keV radioactive source.

Однако в радиоактивном источнике 63Ni наиболее вероятным является испускание электронов с энергией 17 кэВ; относительная вероятность испускания электронов с энергией 39 кэВ относительно 17 кэВ составляет 0,5. По этой причине радиоизотопный 63Ni источник бета-частиц без защитного неактивного поверхностного слоя Ni и/или более толстый i-слой AlInP и/или более тонкий р+-слой могут быть использованы для возможного поглощения электронов в более широком диапазоне энергий. Это позволит оставлять в i-слое больший процент энергии, испускаемой радиоактивным материалом.However, in a 63 Ni radioactive source, the most probable is the emission of electrons with an energy of 17 keV; the relative probability of emitting electrons with an energy of 39 keV relative to 17 keV is 0.5. For this reason, a 63 Ni radioisotope source of beta particles without a protective inactive Ni surface layer and/or a thicker AlInP i-layer and/or a thinner p+ layer can be used for possible electron absorption over a wider energy range. This will allow a larger percentage of the energy emitted by the radioactive material to remain in the i-layer.

Изучение радиоизотопного бета-вольтаического элемента в диапазоне температур от 140°С до -20°С проводилось с помощью климатической камеры TAS Micro для достижения и поддержки температуры исследования. Для контроля влажности атмосферы, в которой проводилось тестирование элемента (относительная влажность <5%) в климатическую камеру непрерывно направлялся поток сухого азота. Исследование эффективности элемента проводилось с использованием пикоамперметра/источника напряжения серии Keithley 6487. Измерения напряжения прямого смещения в условиях затемнения и под воздействием бета-излучения от источника - радиоизотопа 63Ni проводились в диапазоне от 0 В до 1 В с интервалом в 0,01 В. Погрешность, связанная со значениями тока составляла 0,3% от их величины плюс 400 фА, при том, что погрешность, связанная с приложенным напряжением смещения составляла 0,1% от их значений плюс 1 мВ.The study of the radioisotope beta-voltaic element in the temperature range from 140°C to -20°C was carried out using a TAS Micro climate chamber to achieve and maintain the study temperature. To control the humidity of the atmosphere in which the element was tested (relative humidity <5%), a stream of dry nitrogen was continuously directed into the climatic chamber. The cell efficiency study was carried out using a Keithley 6487 series picoammeter/voltage source. Forward bias voltage measurements under dark conditions and under the influence of beta radiation from a 63 Ni radioisotope source were carried out in the range from 0 V to 1 V with an interval of 0.01 V. The error associated with the current values was 0.3% of their value plus 400 fA, while the error associated with the applied bias voltage was 0.1% of their value plus 1 mV.

Фиг. 10 показывает зависимость характеристик темнового тока от напряжения прямого смещения для бета-вольтаического элемента при различных температурах. Исследовались температуры 140°С (круги с заливкой), 120°С (пустые круги), 100°С (квадраты с заливкой), 80°С (пустые квадраты), 60°С (крестики), 40°С (треугольники с заливкой), 20°С (пустые треугольники), 0°С (ромбы с заливкой), и -20°С (пустые ромбы). Очевидно, что при высоких температурах темновой ток через устройство увеличивается за счет наличия большей тепловой энергии. С ростом напряжения прямого смещения к обедненной области диода прикладывается большее электрическое поле, что приводит к увеличению темнового тока при каждой температуреFig. 10 shows dark current characteristics versus forward bias voltage for a beta voltaic cell at various temperatures. The temperatures studied were 140°С (filled circles), 120°С (empty circles), 100°С (filled squares), 80°С (empty squares), 60°С (crosses), 40°С (filled triangles). ), 20°C (empty triangles), 0°C (filled diamonds), and -20°C (empty diamonds). Obviously, at high temperatures, the dark current through the device increases due to the presence of more thermal energy. As the forward bias voltage increases, a larger electric field is applied to the depletion region of the diode, which leads to an increase in the dark current at each temperature.

Темновой ток I и приложенное напряжение смещения для простого р-n диода связаны соотношением:The dark current I and the applied bias voltage for a simple p-n diode are related by:

Figure 00000004
Figure 00000004

где I0 - ток насыщения, q - элементарный заряд электрона, n - коэффициент идеальности, k - постоянная Больцмана, и Т - температура. При каждом значении температуры величины I0 и n диода определялись экспериментально с помощью линейного метода наименьших квадратов натурального логарифма измеренного темнового тока в зависимости от приложенного напряжения прямого смещения. Уравнение выше было представлено в линейном виде: Ln/=А+BV, при А=LnI0 и В=q(nkT)-1, и применен линейный метод наименьших квадратов.where I 0 is the saturation current, q is the elementary charge of the electron, n is the ideality factor, k is the Boltzmann constant, and T is the temperature. At each temperature value, the values of I 0 and n of the diode were determined experimentally using the linear least squares method of the natural logarithm of the measured dark current as a function of the applied forward bias voltage. The equation above was presented in a linear form: Ln/=A+BV, with A=LnI 0 and B=q(nkT) -1 , and a linear least squares method was applied.

Фиг. 11 показывает соответствующие зависимости логарифма измеренного тока насыщения (левая ось, круги с заливкой) и коэффициента идеальности (правая ось, крестики) от температуры. Натуральный логарифм тока насыщения возрастает с уменьшением температуры. Наблюдался рост значений натурального логарифма на 23,13±0,19 (соответствующий увеличению тока насыщения I0 на 0,013 пА) в диапазоне температур между 140°С и -20°С. Что прекрасно согласуется с ожидаемым ростом натурального логарифма на 20,50 (соответствующим увеличению тока насыщения, I0 на 0,008 пА). Расчет ожидаемого роста был выполнен на основании предположения, о том, что температурная зависимость натурального логарифма тока насыщения пропорциональна Eg/2kT. В данном диапазоне температур также наблюдалось изменение коэффициента идеальности. Поскольку значение коэффициента идеальности было >1,5 при каждом значении температуры, то можно заключить, что механизм генерации-рекомбинации являлся доминантным по отношению к механизму диффузии. Меньшее значение коэффициента идеальности, которое наблюдалось при более высокой температуре (1,561±0,003 при 140°С против 1,682±0,011 при -20°С) можно объяснить увеличением вклада диффузионного тока при повышенной температуре.Fig. 11 shows the respective dependences of the logarithm of the measured saturation current (left axis, filled circles) and the ideality factor (right axis, crosses) on temperature. The natural logarithm of the saturation current increases with decreasing temperature. An increase in the natural logarithm values by 23.13±0.19 (corresponding to an increase in the saturation current I 0 by 0.013 pA) was observed in the temperature range between 140°C and -20°C. This is in excellent agreement with the expected increase in the natural logarithm by 20.50 (corresponding to an increase in the saturation current, I 0 by 0.008 pA). The calculation of the expected growth was made based on the assumption that the temperature dependence of the natural logarithm of the saturation current is proportional to Eg/2kT. In this temperature range, a change in the ideality coefficient was also observed. Since the value of the ideality coefficient was >1.5 at each temperature value, it can be concluded that the generation-recombination mechanism was dominant in relation to the diffusion mechanism. The lower value of the ideality coefficient, which was observed at a higher temperature (1.561 ± 0.003 at 140°C versus 1.682 ± 0.011 at -20°C), can be explained by an increase in the contribution of the diffusion current at elevated temperature.

Фиг. 12 показывает зависимость характеристик фототока от напряжения прямого смещения при 5 различных температурах. Исследовались температуры 140°С (круги с заливкой), 120°С (пустые круги), 100°С (квадраты с заливкой), 80°С (пустые квадраты), 60°С (крестики), 40°С (треугольники с заливкой), 20°С (пустые треугольники), 0°С (ромбы с заливкой), и -20°С (пустые ромбы). Напряжение разомкнутой цепи и ток короткого замыкания экстраполировались, соответственно, как точки пересечения кривых с горизонтальной и вертикальной осями. При температурах выше 40°С ток, проходящий через устройство, возрастал с уменьшением температуры. Противоположная тенденция наблюдалась при температурах ниже 40°С. В диапазоне температур между 40°С и -20°С измеренные характеристики тока имели разброс, накладывались одна на другую, указывая тем самым, что эффекты насыщения от проводимости, индуцированной бета-частицами, преобладали над тепловым механизмом (рассеянием), значение которого возрастало при более высоких температурах. Бета-электроны, теряя энергию в структуре AlInP, вырабатывали электронно-дырочные пары вдоль траекторий своего движения, что снижало резистивность в этой зонеFig. 12 shows the dependence of photocurrent characteristics on forward bias voltage at 5 different temperatures. The temperatures studied were 140°С (filled circles), 120°С (empty circles), 100°С (filled squares), 80°С (empty squares), 60°С (crosses), 40°С (filled triangles). ), 20°C (empty triangles), 0°C (filled diamonds), and -20°C (empty diamonds). The open circuit voltage and short circuit current were extrapolated, respectively, as the points of intersection of the curves with the horizontal and vertical axes. At temperatures above 40°C, the current passing through the device increased with decreasing temperature. The opposite trend was observed at temperatures below 40°C. In the temperature range between 40°C and -20°C, the measured current characteristics were scattered, superimposed on one another, thus indicating that the saturation effects from the conduction induced by beta particles prevailed over the thermal mechanism (scattering), the value of which increased at higher temperatures. Beta electrons, losing energy in the AlInP structure, produced electron-hole pairs along their trajectories, which reduced the resistivity in this zone

Фиг. 13 показывает зависимость напряжения разомкнутой цепи от температуры. Напряжение разомкнутой цепи снижается с ростом температуры.Fig. 13 shows the open circuit voltage as a function of temperature. The open circuit voltage decreases with increasing temperature.

Фиг. 14 показывает зависимость тока короткого замыкания от температуры. Фиг. 15 показывает зависимость выходной мощности бета-вольтаического элемента от приложенного напряжения прямого смещения в диапазоне температур. Исследовались температуры 140°С (круги с заливкой), 120°С (пустые круги), 100°С (квадраты с заливкой), 80°С (пустые квадраты), 60°С (крестики), 40°С (треугольники с заливкой), 20°С (пустые треугольники), 0°С (ромбы с заливкой), и -20°С (пустые ромбы). Выходная мощность бета-вольтаического элемента рассчитывалась по формуле: Р=IV. С ростом приложенного напряжения прямого смещения выходная мощность элемента возрастала до максимума (Pm) и затем снижалась. При температурах ниже 40°С характеристики мощности имели разброс и накладывались одна на другую, как следствие результатов для тока, показанных в Фиг. 12.Fig. 14 shows the dependence of the short circuit current on temperature. Fig. 15 shows the output power of a beta-voltaic cell as a function of applied forward bias voltage over a range of temperatures. The temperatures studied were 140°С (filled circles), 120°С (empty circles), 100°С (filled squares), 80°С (empty squares), 60°С (crosses), 40°С (filled triangles). ), 20°C (empty triangles), 0°C (filled diamonds), and -20°C (empty diamonds). The output power of the beta-voltaic element was calculated by the formula: P=IV. With an increase in the applied forward bias voltage, the output power of the element increased to a maximum (Pm) and then decreased. At temperatures below 40°C, the power characteristics were scattered and overlapped as a consequence of the current results shown in FIG. 12.

Фиг. 16 показывает зависимость величины максимальной измеренной выходной мощности от температуры (левая ось, круги с заливкой) и зависимость эффективности внутренней конверсии бета-вольтаического элемента от температуры (правая ось, пустые круги). Эффективность внутренней конверсии бета-вольтаического элемента была подсчитана путем деления максимального экспериментального значения выходной мощности на максимальную мощность (Pth). Значение Pth, было рассчитано по следующей формуле:Fig. 16 shows the maximum measured output power as a function of temperature (left axis, filled circles) and the beta-voltaic cell internal conversion efficiency as a function of temperature (right axis, open circles). The internal conversion efficiency of the beta-voltaic cell was calculated by dividing the maximum experimental power output value by the maximum power (P th ). The P th value was calculated using the following formula:

Figure 00000005
Figure 00000005

где А - активность радиоактивного 63Ni источника (185 МБк), Eтi вероятность эмиссии электрона с энергией i, ANi - площадь радиоактивного источника (49 мм2), AAlInP - площадь детектора AlInP (0,13 мм2), QEi - доля энергии каждого, поглощенного в меза-устройстве, электрона (рассчитанная с помощью программы CASINO), и ωAlInP - это энергия создания электронно-дырочной пары AlInP (5,34 эВ). В выше указанной формуле, активность радиоактивного источника была уменьшена вдвое на основании предположения, что половина электронов теряется, в связи с тем, что выпускается диодом. Величина Pth, была определена и равна 4,3 пВт.where A is the activity of the radioactive 63 Ni source (185 MBq), Eт i is the probability of emission of an electron with energy i, A Ni is the area of the radioactive source (49 mm 2 ), A AlInP is the area of the AlInP detector (0.13 mm 2 ), QEi is the fraction of the energy of each electron absorbed in the mesa device (calculated using the CASINO program), and ω AlInP is the energy of creating an AlInP electron-hole pair (5.34 eV). In the above formula, the activity of the radioactive source has been halved based on the assumption that half of the electrons are lost due to being emitted by the diode. The value of P th was determined to be 4.3 pW.

На Фиг. 16 величина максимальной выходной мощности возрастает с уменьшением температуры, достигая значения насыщения 0,28 пВт, соответствующего 0,11 мкВт/Ки при температурах <40°С. Наблюдаемое поведение можно объяснить, учитывая зависимость максимальной выходной мощности от напряжения разомкнутой цепи. Эффективность ядерной микробатареи зависит, частично, от видимой активности радиоактивного материала, используемого для освещения по меньшей мере одного диода и, частично, от толщины материала полупроводника для поглощения фотонов или частиц испускаемых радиоактивным материалом.On FIG. 16, the maximum output power increases with decreasing temperature, reaching a saturation value of 0.28 pW, corresponding to 0.11 µW/Ci at temperatures <40°C. The observed behavior can be explained by considering the dependence of the maximum output power on the open circuit voltage. The efficiency of a nuclear microbattery depends in part on the apparent activity of the radioactive material used to illuminate at least one diode and in part on the thickness of the semiconductor material to absorb photons or particles emitted by the radioactive material.

Для конкретного радиоактивного материала, возможно, определить фактическую активность и видимую активность. В любой момент времени, активность А, через промежуток времени t лет, связана с исходной активностью А0 (в момент времени t=0), следующим выражением:For a particular radioactive material, it is possible to determine the actual activity and the apparent activity. At any point in time, activity A, after a period of time t years, is associated with the initial activity A 0 (at time t=0), by the following expression:

Figure 00000006
Figure 00000006

где T1/2 - период полураспада радиоактивного материала.where T 1/2 is the half-life of the radioactive material.

Благодаря явлению самопоглощения в самом радиоактивном материале видимая активность на единицу поверхности, А арр, определяется по формуле:Due to the phenomenon of self-absorption in the radioactive material itself, the apparent activity per unit surface, A app, is determined by the formula:

Figure 00000007
Figure 00000007

где С [МБк/мг] - удельная активность источника радиоактивного материала, tm [мг/см2] - массовая толщина радиоактивного материала и μm [см2/мг] - массовый коэффициент ослабления.where C [MBq/mg] is the specific activity of the radioactive material source, t m [mg/cm 2 ] is the mass thickness of the radioactive material and μ m [cm 2 /mg] is the mass attenuation coefficient.

Например, для радиоактивного материала, испускающего бета-частицу, массовый коэффициент ослабления определяется формулой:For example, for a radioactive material emitting a beta particle, the mass attenuation coefficient is given by:

Figure 00000008
Figure 00000008

где Emax [МэВ] является максимальной энергией бета-частицы. Данный бета-радиоизотопный радиоактивный материал имеет удельный массовый коэффициент ослабления (напр. для 63Ni, μm=0,828 см2/мг).where E max [MeV] is the maximum energy of the beta particle. This beta-radioisotope radioactive material has a specific mass attenuation coefficient (eg for 63 Ni, μ m =0.828 cm 2 /mg).

Удельная активность зависит от чистоты радиоактивного материала. Например, величина удельной активности радиоактивного материала 63Ni высокой чистоты может быть равной 2072 МБк/мг, и будет меньше для менее чистого радиоактивного материала 63Ni. Удельная активность типового доступного в промышленном производстве 63Ni радиоактивного материала равна 481 МБк/мг.The specific activity depends on the purity of the radioactive material. For example, the value of the specific activity of high purity radioactive material 63 Ni may be equal to 2072 MBq/mg, and will be less for less pure radioactive material 63 Ni. The specific activity of a typical commercially available 63 Ni radioactive material is 481 MBq/mg.

Фиг. 17 показывает зависимость фактической активности на единицу поверхности (непрерывные линии) и видимой активности на единицу поверхности (прерывистые линии) радиоактивного материала 63Ni от массовой толщины (в мг/см2) радиоактивного материала, для материала с удельной активностью 2072 МБк/мг и материала с удельной активностью 481 МБк/мг. Можно заметить, что фактическая активность на единицу поверхности линейно возрастает с увеличением массовой толщины, при этом видимая активность на единицу поверхности сначала возрастает линейно и затем, с увеличением массовой толщины, переходит в плато к определенному значению. В связи с этим можно выбрать величину массовой толщины радиоактивного материала таким образом, чтобы максимально увеличить видимую активность на единицу поверхности при наиболее низком значении массовой толщины, поскольку большее значение массовой толщины приведет к большему различию между фактической и видимой активностями на единицу поверхности.Fig. 17 shows the actual activity per unit surface (solid lines) and apparent activity per unit surface (broken lines) of 63 Ni radioactive material versus the mass thickness (in mg/cm 2 ) of the radioactive material, for a material with a specific activity of 2072 MBq/mg and a material with a specific activity of 481 MBq/mg. It can be seen that the actual activity per unit surface increases linearly with increasing mass thickness, while the apparent activity per unit surface first increases linearly and then, with increasing mass thickness, passes into a plateau to a certain value. In this regard, it is possible to choose the mass thickness of the radioactive material in such a way as to maximize the apparent activity per unit area at the lowest value of the mass thickness, since a larger value of the mass thickness will lead to a greater difference between the actual and apparent activities per unit surface.

Важно, также, учитывать размеры слоев по меньшей мере одного диода. Например, в случае p-i-n или р-n диода, можно выбрать настолько малую толщину р-слоя, насколько возможно, с тем, чтобы снизить ослабление фотонов или частиц радиоактивного материала. Толщина i-слоя в диоде с p-i-n переходом может быть выбрана достаточно большой, чтобы существенная часть или даже все фотоны или частицы, излученные радиоизотопным материалом (напр. даже частицы/фотоны более высоких энергий) были поглощены (напр. чтобы приблизить 100% квантовой эффективности). Однако не всегда большая толщина i-слоя увеличивает эффективность микробатареи, а может, возможно, и добавить различные проблемы. Например, эффективность сбора заряда может быть снижена, если толщина i-слоя намного больше, чем обедненного слоя. В диоде обедненная область без внешнего напряжения смещения фиксирована диффузионным напряжением диода (которое зависит от концентраций легирующей примеси). Таким образом, наличие обедненного слоя, толщина которого значительно меньше толщины i-слоя может повлиять на эффективность сбора заряда из-за эффектов рекомбинации: вырабатываемые носители заряда имеют высокую вероятность рекомбинации, поскольку им приходится преодолевать большие расстояния через не обедненный материал до достижения электрических контактов. В идеале, толщины обедненного слоя и i-слоя совпадают. Эпитаксиальное наращивание толстой полупроводниковой структуры также затруднено и может повлиять на качество полупроводниковых кристаллов. Таким образом, использование оптимизированной толщины i-слоя позволяет получить системы микробатарей высокой производительности, в которых выделяемая микробатареей электрическая выходная мощность - максимальна. Например, моделирование показало, что для микробатареи 63Ni AlInP с наибольшей энергией электрона, равной 66 кэВ, оптимальная толщина i-слоя составляет 23 мкм.It is also important to consider the dimensions of the layers of at least one diode. For example, in the case of a pin or p-n diode, the p-layer thickness can be chosen to be as thin as possible in order to reduce the attenuation of photons or particles of radioactive material. The thickness of the i-layer in a pin junction diode can be chosen large enough so that a substantial part or even all of the photons or particles emitted by the radioisotope material (e.g. even particles/photons of higher energies) are absorbed (e.g. to approximate 100% quantum efficiency ). However, a large thickness of the i-layer does not always increase the efficiency of the microbattery, and perhaps add various problems. For example, the charge collection efficiency may be reduced if the thickness of the i-layer is much larger than that of the depletion layer. In a diode, the depletion region without external bias voltage is fixed by the diode diffusion voltage (which depends on dopant concentrations). Thus, the presence of a depleted layer that is much thinner than the i-layer can affect the efficiency of charge collection due to recombination effects: the generated charge carriers have a high probability of recombination, since they have to travel long distances through the non-depleted material before reaching electrical contacts. Ideally, the thicknesses of the depletion layer and the i-layer are the same. Epitaxial growth of a thick semiconductor structure is also difficult and can affect the quality of semiconductor crystals. Thus, the use of an optimized i-layer thickness makes it possible to obtain high performance microbattery systems in which the electrical output power generated by the microbattery is maximized. For example, simulation showed that for a 63 Ni AlInP microbattery with the highest electron energy of 66 keV, the optimal i-layer thickness is 23 µm.

Теперь, исключительно в качестве примера, будет описан образец варианта исполнения микробатареи 63Ni AlInP, чтобы помочь в понимании изобретения. Рассматривалась батарея с параметрами напряжения Vm=1,5 В и тока Im=160 нА. В этом варианте исполнения микробатарея содержит матрицу диодов, расположенных на противоположных сторонах радиоактивного материала и соединенных последовательно, так, что от каждой матрицы требуется выработка тока 80 нА. Однако диоды могли бы быть расположены только на одной стороне радиоактивного материала.Now, by way of example only, an exemplary embodiment of a 63 Ni AlInP microbattery will be described to assist in understanding the invention. A battery with parameters of voltage V m =1.5 V and current I m =160 nA was considered. In this embodiment, the microbattery contains an array of diodes located on opposite sides of the radioactive material and connected in series such that each array is required to generate a current of 80 nA. However, the diodes could only be located on one side of the radioactive material.

На основании вышеизложенных требований, можно рассчитать значения напряжения разомкнутой цепи (VOC) и тока короткого замыкания (ISC) для каждой матрицы микробатареи. Требуемое напряжение разомкнутой цепи, рассчитывается по формуле:Based on the above requirements, the open circuit voltage (V OC ) and short circuit current (I SC ) values can be calculated for each microbattery array. Required open circuit voltage, calculated as:

Figure 00000009
Figure 00000009

где β=q/kT. Было установлено, что требуется напряжение разомкнутой цепи величиной 1,67 В.where β=q/kT. An open circuit voltage of 1.67 V was found to be required.

Коэффициент заполнения (т.е. отношение реальной возможной максимальной величины вырабатываемой мощности, к максимальной теоретической мощности), FF, был рассчитан в соответствии с формулой:The duty factor (i.e. the ratio of the actual possible maximum power output to the maximum theoretical power), FF, was calculated according to the formula:

Figure 00000010
,
Figure 00000010
,

где υOC=VOCβ. Величина коэффициента заполнения равна 0,7.where υ OC \u003d V OC β. The fill factor value is 0.7.

Требуемый ток короткого замыкания ISC связан с коэффициентом заполнения и требуемыми величинами Im и Vm и задается формулой:The required short-circuit current I SC is related to the duty cycle and the required values of I m and V m and is given by:

Figure 00000011
Figure 00000011

Было установлено, что для работы матрицы микробатареи с Im=80 нА, требуется ток короткого замыкания 103 нА.It was found that for the operation of the microbattery matrix with I m = 80 nA, a short circuit current of 103 nA is required.

После вычисления всех величин VOC и ISC, количество диодных ячеек на матрицу микробатареи может быть рассчитано на основе активности радиоактивного материала и квантовой эффективности QE каждой диодной ячейки. Каждая диодная ячейка имеет соответственно ток короткого замыкания ISCpp и напряжение разомкнутой цепи VOCpp. Таким образом, матрица микробатареи состоит из ячеек VOC/VOCpp, соединенных параллельно, чтобы получить требуемое значение VOC, и ячеек ISC/ISCpp, соединенных последовательно, что приводит к требуемому значению ISC.After calculating all V OC and I SC , the number of diode cells per microbattery array can be calculated based on the activity of the radioactive material and the quantum efficiency QE of each diode cell. Each diode cell has respectively a short circuit current I SCpp and an open circuit voltage V OCpp. Thus, the microbattery matrix consists of V OC /V OCpp cells connected in parallel to obtain the required V OC value and I SC /I SCpp cells connected in series, resulting in the required I SC value.

В качестве радиоактивного материала может быть взят источник бета-частиц 63Ni с толщиной 3 мкм (хотя допускаются и другие радиоактивные источники, и другие толщины). Зависимость вероятности излучения такого источника от энергии бета-частиц показана на Фиг. 18. Исходная фактическая активность радиоактивного источника 63Ni на единицу площади равная 7,91 МБк/мм2, через 30 лет уменьшится до 6,43 МБк/мм2 (период полураспада равен 100 лет). Более высокая фактическая активность для источника с такими же геометрическими параметрами не отразится на увеличении видимой активности, как видно из Фиг. 17, благодаря самопоглощению в материале источника. Удельная активность, равная 481 МБк/мг, приведет к снижению активности на единицу площади с 6,43 МБк/мм2 (фактической) до 3,88 МБк/мм2 (видимой). Более того, величина полезной видимой активности на единицу площади источника А'app: считается равной половине видимой активности на единицу площади, если только половина излучения направлена на одну матрицу микробатареи. Полезная видимая активность на единицу площади, А'app, задается формулой:A source of 63 Ni beta particles with a thickness of 3 μm can be taken as a radioactive material (although other radioactive sources and other thicknesses are allowed). The dependence of the radiation probability of such a source on the energy of beta particles is shown in Fig. 18. The initial actual activity of the radioactive source 63 Ni per unit area equal to 7.91 MBq/mm 2 will decrease to 6.43 MBq/mm 2 after 30 years (the half-life is 100 years). Higher actual activity for a source with the same geometry will not result in an increase in apparent activity, as seen in FIG. 17 due to self-absorption in the source material. A specific activity of 481 MBq/mg would result in a decrease in activity per unit area from 6.43 MBq/mm 2 (actual) to 3.88 MBq/mm 2 (apparent). Moreover, the amount of useful visible activity per unit area of the source A' app : is considered to be equal to half of the visible activity per unit area, if only half of the radiation is directed to one microbattery array. The useful visible activity per unit area, A' app , is given by:

Figure 00000012
Figure 00000012

В результате, 1,94 МБк/мм2 излучается в сторону одной матрицы микробатареи (другая половина излучается в сторону другой матрицы микробатареи).As a result, 1.94 MBc /mm 2 is radiated towards one microbattery array (the other half is radiated towards the other microbattery array).

Считается, что каждая диодная ячейка микробатареи имеет прямоугольную форму площадью 0,8 мм × 0,8 мм. Активность, попадающая на каждую ячейку, задается формулой:Each diode cell of the microbattery is considered to have a rectangular shape with an area of 0.8 mm × 0.8 mm. The activity that falls on each cell is given by the formula:

Figure 00000013
Figure 00000013

где Sdet - площадь диодной ячейки в мм2.where S det is the area of the diode cell in mm 2 .

Ток короткого замыкания каждой диодной ячейки задается формулой:The short circuit current of each diode cell is given by:

Figure 00000014
Figure 00000014

где Ei - энергия (эВ) i-того электрона, попавшего на поверхность ячейки, QEi - квантовая эффективность ячейки при энергии i-того упавшего электрона и ω - это энергия создания электронно-дырочной пары материала ячейки.where E i is the energy (eV) of the i-th electron hitting the cell surface, QE i is the quantum efficiency of the cell at the energy of the i-th incident electron, and ω is the energy of creating an electron-hole pair of the cell material.

Квантовая эффективность ячейки зависит от энергии электрона и может быть определена с помощью моделирования. Она зависит от мертвых слоев перед активным слоем, толщины активного слоя и какого-либо мертвого слоя после активного слоя. При уменьшении толщины любого из верхних мертвых слоев (например, верхних контактных) и р+ слоя диодной ячейки p+-i-n+, и при оптимальной толщине активного i-слоя, квантовая эффективность может приблизиться к 100%. Конструкция верхних контактов может быть решена таким образом, чтобы открытая к излучению радиоактивного материала поверхность была наибольшей. Для осуществления этого могут быть использованы межпальцевые контакты. Толщина р+-слоя может быть уменьшена до 0,1 мкм, что приводит к минимуму потери бета-частиц, особенно в верхней части графика энергии бета-частиц.The quantum efficiency of the cell depends on the energy of the electron and can be determined using simulations. It depends on the dead layers before the active layer, the thickness of the active layer and any dead layer after the active layer. With a decrease in the thickness of any of the upper dead layers (for example, the upper contact) and the p+ layer of the p+-i-n+ diode cell, and with the optimal thickness of the active i-layer, the quantum efficiency can approach 100%. The design of the top contacts can be solved in such a way that the surface open to the radiation of radioactive material is the largest. To accomplish this, interdigital contacts can be used. The thickness of the p+ layer can be reduced to 0.1 µm, which results in a minimum loss of beta particles, especially in the upper part of the beta particle energy graph.

При квантовой эффективности, принятой для упрощения за 100%, ток короткого замыкания на ячейку составляет 0,96 нА.With quantum efficiency taken as 100% for simplicity, the short circuit current per cell is 0.96 nA.

После расчета тока короткого замыкания ячейки, напряжение разомкнутой цепи ячейки VOCpp, рассчитывается по формуле:After calculating the short circuit current of the cell, the open circuit voltage of the cell, V OCpp , is calculated by the formula:

Figure 00000015
Figure 00000015

где Iph - это фототок, равный ISC при приложенном напряжении смещения равном 0, a ISAT - это ток насыщения. Ток насыщения может быть получен путем измерений тока в зависимости от приложенного напряжения прямого смещения, или может быть рассчитан теоретически:where I ph is the photocurrent equal to I SC with an applied bias voltage of 0, and I SAT is the saturation current. Saturation current can be obtained by measuring the current as a function of the applied forward bias voltage, or can be calculated theoretically:

Figure 00000016
,
Figure 00000016
,

где NC и NV - это эффективные плотности состояния электронов в полосе пропускания и дырок в валентной зоне соответственно, NA и ND - это концентрации акцепторов и доноров соответственно, Dn и Dp - это коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно, tn и tp - это время жизни электронов и дырок соответственно, Eg - это ширина запрещенной зоны материала полупроводника и n - это коэффициент идеальности диодной ячейки. Здесь была использована величина тока насыщения ISAT, равная 2,9×10-17 А (это значение было определено экспериментально AlInP p-i-n диода с толщиной i-слоя, равной 2 мкм). Таким образом, величина напряжения разомкнутой цепи каждой ячейки определена и равна 0,53 В. Общее количество ячеек Ntot, необходимых в каждой матрице, на основании выше изложенных условий, определяется выражением:where N C and N V are the effective densities of state of electrons in the passband and holes in the valence band, respectively, N A and N D are the concentrations of acceptors and donors, respectively, D n and D p are the diffusion coefficients of electrons and holes, respectively, t n and t p are the lifetimes of electrons and holes, respectively, E g is the band gap of the semiconductor material, and n is the ideality factor of the diode cell. Here, the value of the saturation current I SAT was used, equal to 2.9×10 -17 A (this value was determined experimentally AlInP pin diode with an i-layer thickness of 2 μm). Thus, the open circuit voltage value of each cell is determined to be 0.53 V. The total number of cells N tot required in each matrix, based on the above conditions, is given by:

Figure 00000017
Figure 00000017

Каждая матрица может содержать три последовательно соединенных элемента, причем каждый элемент имеет 108 параллельно соединенных диодных ячеек. Таким образом, размер каждой матрицы микробатареи рассчитан как

Figure 00000018
. Поскольку предполагалось, что площадь каждой диодной ячейки равна 0,8 мм × 0,8 мм, то площадь матрицы составляет 14,6 мм × 14,6 мм (расстояние между ячейками составляет всего 15 мкм). Поверхность радиоизотопного источника 63Ni между матрицами может перекрываться. Таким образом, радиоизотопный источник 63Ni может иметь начальную активность 1,7 ГБк и площадь 14,6 мм × 14,6 мм.Each array may contain three series-connected elements, with each element having 108 parallel-connected diode cells. Thus, the size of each microbattery matrix is calculated as
Figure 00000018
. Since the area of each diode cell was assumed to be 0.8 mm × 0.8 mm, the die area is 14.6 mm × 14.6 mm (the distance between cells is only 15 μm). The surface of the 63 Ni radioisotope source between the matrices can overlap. Thus, a 63 Ni radioisotope source can have an initial activity of 1.7 GBq and an area of 14.6 mm × 14.6 mm.

Фиг. 19 показывает схематическое изображение микробатареи с двумя матрицами диодных ячеек, расположенных на каждой стороне радиоактивного материала. Для предотвращения выхода излучения радиоактивного материала микробатарея может иметь внешний корпус. Например, корпус может быть изготовлен из вольфрама. Области между радиоактивным материалом и диодами могут поддерживаться при давлении ниже атмосферного и/или в эти области может быть введен газ, отличный от воздуха (напр. гелий).Fig. 19 shows a schematic representation of a microbattery with two arrays of diode cells located on each side of the radioactive material. To prevent the release of radiation of radioactive material, the microbattery may have an outer casing. For example, the housing may be made of tungsten. The regions between the radioactive material and the diodes may be maintained at subatmospheric pressure and/or a gas other than air (eg helium) may be injected into these regions.

Фиг. 20 показывает схему диодной ячейки в соответствии с вариантом исполнения. Эпитаксиальный AlInP слой ячейки может наращиваться по методу газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (ГФЭ МОС) на промышленной n-летированной (1 0 0) n-GaAs:Si подложке с разориентацией в 10 градусов по отношению к <1 1 1>А, для подавления упорядоченной фазы как у CuPt.Fig. 20 shows a diagram of a diode cell according to an embodiment. The epitaxial AlInP layer of the cell can be grown by metal-organic vapor phase epitaxy (HPE-MOC) on an industrial n-plated (1 0 0) n-GaAs:Si substrate with a misorientation of 10 degrees with respect to <1 1 1>A, to suppress ordered phase as in CuPt.

Концентрации легирования р+ и n+ слоев AlInP могут составлять 5×1017 см-3 и 2×1018 см-3, соответственно. Толщина слоев может составлять 0,1 мкм для р+ - области, 23 мкм для i-области и 0,1 мкм для n+ - области. После наращивания, для формирования квадратной мезаструктуры (со скругленными углами) пластина может быть обработана раствором веществ Н3РО42О2:H2O в соотношении 1:1:1, с последующей обработкой раствором H2SO42О2:H2O, в соотношении веществ 1:8:80 в течение 10 с. Омический тыльный контакт, например, содержащий 20 нм InGe и 200 нм Au, может быть напылен на тыльную сторону подложки, а Омический верхний контакт, содержащий, например, 20 нм Ti и 200 нм Au, может быть напылен на р-стороне меза-устройства. Верхний Омический контакт может лишь частично покрывать поверхность каждой ячейки, (например, на 25%) так, чтобы фотоны или частицы, падающие на ячейку, не ослаблялись контактом.Doping concentrations p + and n + AlInP layers can be 5×10 17 cm -3 and 2×10 18 cm -3 , respectively. The thickness of the layers may be 0.1 μm for the p + - region, 23 μm for the i-region and 0.1 μm for the n + - region. After growing, to form a square mesa structure (with rounded corners), the plate can be treated with a solution of H 3 PO 4 :H 2 O 2 :H 2 O in a ratio of 1:1:1, followed by treatment with a solution of H 2 SO 4 : H 2 О 2 :H 2 O, in the ratio of substances 1:8:80 for 10 s. An ohmic back contact, for example, containing 20 nm InGe and 200 nm Au, can be deposited on the back side of the substrate, and an Ohmic top contact, containing, for example, 20 nm Ti and 200 nm Au, can be deposited on the p-side of the mesa device. . The top ohmic contact may only partially cover the surface of each cell, (eg 25%) so that photons or particles incident on the cell are not weakened by the contact.

Фиг. 21 схематически показывает вид ячейки сверху вниз, показывая, что верхний омический контакт распространяется только по периметру ячейки. Однако, допускаются и другие варианты исполнения с большими открытыми поверхностями, такие, как межпальчиковые контакты. В качестве примера могут быть использованы межпальчиковые контакты с шириной 0,002 мм и межпиксельным расстоянием 0,01 мм, покрывая только 17% поверхности каждой ячейки.Fig. 21 is a schematic top-down view of the cell, showing that the top ohmic contact only extends around the perimeter of the cell. However, other designs with large open surfaces are allowed, such as finger-to-toe contacts. As an example, inter-finger contacts with a width of 0.002 mm and an inter-pixel distance of 0.01 mm can be used, covering only 17% of the surface of each cell.

Хотя, описанный выше, вариант исполнения соответствует определенным требованиям к микробатарее (Vm=1,5 В и ток Im=160 нА), допускается, что микробатарея может иметь другие значения требуемых параметров. Также, величины различных описанных параметров могут быть изменены, чтобы соответствовать этим требованиям. Например, чистота радиоактивного источника может быть увеличена, что позволит уменьшить количество ячеек и размер каждой матрицы.Although the embodiment described above meets certain requirements for a microbattery (V m =1.5 V and current I m =160 nA), it is assumed that the microbattery may have other values for the required parameters. Also, the values of the various parameters described may be changed to meet these requirements. For example, the purity of the radioactive source can be increased to reduce the number of cells and the size of each matrix.

При том, что форма поверхности диодных ячеек была описана как прямоугольная, (может иметь и не иметь скругленные углы), могут быть использованы и ячейки другой формы. Например, с целью предотвратить возможные проблемы краевого пробоя (которые могут присутствовать в углах квадратных ячеек, если углы недостаточно закруглены), и уменьшить общее расстояние, покрываемое любыми двумя соседними ячейками (которое увеличится для круглых ячеек), ячейки могут иметь форму многоугольника с пятью, шестью или более сторонами.While the surface shape of the diode cells has been described as rectangular (may or may not have rounded corners), other cell shapes can be used. For example, in order to prevent possible edge breakdown problems (which may be present at the corners of square cells if the corners are not rounded enough) and to reduce the total distance covered by any two adjacent cells (which will increase for round cells), cells can be polygonal with five, six or more sides.

При том, что были описаны меза-диоды, можно использовать плоские диоды (например, чтобы избежать высокого поверхностного тока утечки). В этих вариантах исполнения используется ионное легирование для создания зон высокого электрического сопротивления, разделяющих диодные ячейки матрицы.While mesa diodes have been described, planar diodes can be used (eg to avoid high surface leakage current). These embodiments use ion doping to create zones of high electrical resistance separating the diode cells of the array.

При том, что были описаны варианты исполнения, в которых радиоактивный материал расположен на р-стороне диода, допускается, что он может быть расположен на n-стороне. В таких вариантах исполнения подложка (например, подложка GaAs) может быть вытравлена из пластины, возможно, так, чтобы оставленный тонкий слой подложки служил для механического соединения диодов, или альтернативно, с использованием эпитаксиального слоя n-типа для механического соединения диодов в каждой матрице (возможно, с эпитаксиальными слоями, либо не полностью вытравленными через n слой, и/или, возможно, с толщиной эпитаксиального слоя n-типа, увеличенной для обеспечения механической поддержки). Затем на этот слой может быть нанесено n-стороннее соединение, и в непосредственной близости с ним может быть расположен радио изотопный источник.While embodiments have been described in which the radioactive material is located on the p-side of the diode, it is contemplated that it may be located on the n-side. In such embodiments, the substrate (e.g., GaAs substrate) can be etched from the wafer, perhaps so that the thin layer of substrate left serves to mechanically connect the diodes, or alternatively, using an n-type epitaxial layer to mechanically connect the diodes in each array ( possibly with the epitaxial layers either not completely etched through the n-layer and/or possibly with the thickness of the n-type epitaxial layer increased to provide mechanical support). An n-sided compound can then be deposited on this layer, and a radioisotope source can be located in close proximity to it.

Claims (26)

1. Ядерная микробатарея, содержащая:1. Nuclear microbattery containing: радиоактивный материал, который испускает фотоны или иные частицы; и по меньшей мере один диод, который содержит полупроводниковый материал, размещенный с возможностью приема и поглощения фотонов или иных частиц и выработки носителей электрического заряда в ответ на эти прием и поглощение, причем упомянутый полупроводниковый материал имеет структуру кристаллической решетки, включающей алюминий, индий и фосфор, при этом структура кристаллической решетки имеет состав решетки Al0,52In0,48P или Al0,53In0,47P, а по меньшей мере один диод содержит PIN-переход или p-n-переход, созданный упомянутой структурой кристаллической решетки, причем ядерная микробатарея либо i) выполнена с возможностью непосредственного преобразования испускаемых радиактивным материалом фотонов или иных частиц в носители электрического заряда, либо ii) содержит преобразователь для поглощения или взаимодействия с испускаемыми радиоактивным материалом фотонами или иными частицами и выработки других типов фотонов или иных частиц в ответ на это поглощение или взаимодействие; причем материал полупроводника выполнен с возможностью приема и поглощения упомянутых других типов фотонов или иных частиц и выработки носителей электрического заряда в ответ на эти прием и поглощение.radioactive material that emits photons or other particles; and at least one diode, which contains a semiconductor material placed with the possibility of receiving and absorbing photons or other particles and generating electric charge carriers in response to these reception and absorption, and said semiconductor material has a crystal lattice structure, including aluminum, indium and phosphorus , wherein the crystal lattice structure has a lattice composition of Al 0.52 In 0.48 P or Al 0.53 In 0.47 P, and at least one diode contains a PIN junction or a pn junction created by said crystal lattice structure, wherein the nuclear microbattery is either i) capable of directly converting photons or other particles emitted by radioactive material into electrical charge carriers, or ii) comprising a converter for absorbing or interacting with photons or other particles emitted by radioactive material and generating other types of photons or other particles in response to this absorption or interaction; moreover, the semiconductor material is configured to receive and absorb said other types of photons or other particles and generate electric charge carriers in response to these reception and absorption. 2. Микробатарея по п. 1, которая содержит электроды для снятия электрического тока, выработанного упомянутым по меньшей мере одним диодом путем выработки носителей электрического заряда.2. A microbattery according to claim 1, which contains electrodes for removing the electric current generated by said at least one diode by generating electric charge carriers. 3. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой упомянутый по меньшей мере один диод содержит множество диодов, соединенных параллельно или последовательно.3. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein said at least one diode comprises a plurality of diodes connected in parallel or in series. 4. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой упомянутый по меньшей мере один диод содержит множество диодов, причем один или несколько диодов расположены на одной стороне радиоактивного материала и один или несколько диодов расположены на второй, противоположной, стороне радиоактивного материала.4. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein said at least one diode comprises a plurality of diodes, wherein one or more diodes are located on one side of the radioactive material and one or more diodes are located on the second opposite side of the radioactive material. 5. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой между упомянутым по меньшей мере одним диодом и радиоактивным материалом образован зазор, который заполнен газом под давлением ниже атмосферного.5. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein a gap is formed between said at least one diode and the radioactive material, which is filled with a gas at subatmospheric pressure. 6. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой между упомянутым по меньшей мере одним диодом и радиоактивным материалом образован зазор, который заполнен инертным газом.6. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein a gap is formed between said at least one diode and the radioactive material, which is filled with an inert gas. 7. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой между упомянутым по меньшей мере одним диодом и радиоактивным материалом образован зазор, который заполнен радиоактивным газом.7. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein a gap is formed between said at least one diode and the radioactive material, which is filled with radioactive gas. 8. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой упомянутый радиоактивный материал и по меньшей мере один диод помещены в общий корпус, который расположен и выполнен с возможностью по существу предотвращать выход из корпуса фотонов или иных частиц радиоактивного материала; или которая содержит экранирующий элемент, расположенный и выполненный с возможностью по существу предотвращать прохождение через него фотонов или иных частиц радиоактивного материала.8. A microbattery according to any one of the preceding claims, in which said radioactive material and at least one diode are placed in a common housing, which is located and configured to substantially prevent photons or other particles of radioactive material from escaping from the housing; or which contains a shielding element located and configured to substantially prevent the passage of photons or other particles of radioactive material through it. 9. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой толщины i-слоя PIN-перехода имеют значения: ≥ 5 мкм, ≥ 10 мкм, ≥ 15 мкм, ≥ 20 мкм, ≥ 25 мкм, ≥30 мкм, ≥ 35 мкм, ≥ 40 мкм, ≥ 45 мкм, или ≥ 50 мкм и/или толщины i-слоя PIN-перехода имеют значения: ≤ 50 мкм; ≤ 45 мкм; ≤ 40 мкм; ≤ 35 мкм; ≤ 25 30 мкм; ≤ 25 мкм; ≤ 20 мкм; ≤ 15 мкм; ≤ 10 мкм; или ≤ 5 мкм.9. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein the thicknesses of the i-layer of the PIN junction are: 40 µm, ≥ 45 µm, or ≥ 50 µm and/or i-layer thicknesses of the PIN junction are: ≤ 50 µm; ≤ 45 µm; ≤ 40 µm; ≤ 35 µm; ≤ 25 30 µm; ≤ 25 µm; ≤ 20 µm; ≤ 15 µm; ≤ 10 µm; or ≤ 5 µm. 10. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой толщина p-слоя и/или n-слоя PIN-перехода имеет значение: ≤ 0,5 мкм, ≤ 0,4 мкм, ≤ 0,3 мкм, ≤ 0,2 мкм или ≤ 0,1 мкм.10. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein the thickness of the p-layer and/or n-layer of the PIN junction is: ≤ 0.5 µm, ≤ 0.4 µm, ≤ 0.3 µm, ≤ 0.2 µm or ≤ 0.1 µm. 11. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, которая содержит электрод на каждой стороне PIN-перехода или p-n-перехода для подачи напряжения на переход и/или снятия электрического тока, образованного носителями электрического заряда, выработанными в переходе, причем по меньшей мере один из электродов не покрывает часть той стороны перехода, на которой он расположен таким образом, что упомянутые фотоны или иные частицы могут проходить в переход через упомянутую сторону без прохождения через упомянутый по меньшей мере один электрод.11. A microbattery according to any one of the preceding claims, which comprises an electrode on each side of the PIN junction or p-n junction for energizing the junction and/or removing electric current generated by electric charge carriers generated in the junction, wherein at least one of the electrodes does not cover a part of that side of the junction on which it is located in such a way that said photons or other particles can pass into the junction through said side without passing through said at least one electrode. 12. Микробатарея по п. 11, в которой упомянутый по меньшей мере один электрод является кольцевым, перфорированным, c углублением или встречно-штыревым для того, чтобы не закрывать полностью всю указанную сторону и дать возможность указанным фотонам или иным частицам проходить в переход, не проходя через материал, формирующий электрод.12. The microbattery of claim 11, wherein said at least one electrode is annular, perforated, recessed, or interdigitated so as not to completely cover said entire side and to allow said photons or other particles to pass into the junction without passing through the material forming the electrode. 13. Микробатарея по п. 11 или 12, в которой по меньшей мере один электрод закрывает ≤ x% площади той стороны перехода, на которой он расположен, причем значение x выбирается из: 40; 35; 30; 25; 20; 15 и 10.13. Microbattery according to claim 11 or 12, in which at least one electrode covers ≤ x% of the area of the side of the transition on which it is located, and the value of x is selected from: 40; 35; thirty; 25; 20; 15 and 10. 14. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой поверхность каждого из по меньшей мере одного диода, обращенная в сторону радиоактивного материала, имеет по существу форму многоугольника.14. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein the surface of each of the at least one diode facing the radioactive material has a substantially polygonal shape. 15. Микробатарея по п. 14, в которой поверхность многоугольника имеет скругленные углы.15. A microbattery according to claim 14, wherein the surface of the polygon has rounded corners. 16. Микробатарея по п. 14 или 15, в которой поверхность многоугольника имеет по меньшей мере 5 сторон или по меньшей мере 6 сторон.16. A microbattery according to claim 14 or 15, wherein the surface of the polygon has at least 5 sides or at least 6 sides. 17. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой радиоактивный материал расположен в пределах X мм от материала полупроводника диода, причем значение X выбирается из: ≤ 5; ≤ 4; ≤ 3; ≤ 2; ≤ 1; ≤ 0,8; ≤ 0,7; ≤ 0,6; ≤ 0,5; ≤ 0,4; ≤ 0,3; ≤ 0,2; и ≤ 0,1.17. Microbattery according to any one of the preceding paragraphs, in which the radioactive material is located within X mm from the semiconductor material of the diode, and the value of X is selected from: ≤ 5; ≤ 4; ≤ 3; ≤ 2; ≤ 1; ≤ 0.8; ≤ 0.7; ≤ 0.6; ≤ 0.5; ≤ 0.4; ≤ 0.3; ≤ 0.2; and ≤ 0.1. 18. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой радиоактивный материал является источником рентгеновского излучения и/или гамма-излучения или источником бета частиц и/или нейтронов.18. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein the radioactive material is a source of x-rays and/or gamma rays or a source of beta particles and/or neutrons. 19. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой радиоактивный материал представляет собой по существу планарную массу с некоторой массовой толщиной, выбранной из: ≤ 10 мг/см2, ≤ 9 мг/см2, ≤ 8 мг/см2, ≤ 7мг/см2, ≤ 6 мг/см2, ≤ 5 мг/см2, ≤ 4 мг/см2, ≤ 3 мг/см2, ≤ 2 мг/см2 и ≤ 1 мг/см2.19. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein the radioactive material is essentially a planar mass with some mass thickness selected from: ≤ 10 mg/cm 2 , ≤ 9 mg/cm 2 , ≤ 8 mg/cm 2 , ≤ 7 mg /cm 2 , ≤ 6 mg/cm 2 , ≤ 5 mg/cm 2 , ≤ 4 mg/cm 2 , ≤ 3 mg/cm 2 , ≤ 2 mg/cm 2 and ≤ 1 mg/cm 2 . 20. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой радиоактивный материал представляет собой по существу планарную массу с некоторой видимой активностью на единицу площади, выбранной из: ≥ 1 МБк/мм2; ≥ 2 МБк/мм2; ≥ 3 МБк/мм2; ≥ 4 МБк/мм2; ≥ 5 МБк/мм2; ≥ 6 МБк/мм2; ≥ 7 МБк/мм2; ≥ 8 МБк/мм2; ≥ 9 МБк/мм2; ≥ 10 МБк/мм2; ≥ 12 МБк/мм2; ≥ 14 МБк/мм2; ≥ 16 МБк/мм2; ≥ 18 МБк/мм2; ≥ 20 МБк/мм2; ≥ 25 МБк/мм2; ≥ 30 МБк/мм2; ≥ 35 МБк/мм2 и ≥ 40 МБк/мм2.20. A microbattery according to any of the preceding claims, wherein the radioactive material is essentially a planar mass with some apparent activity per unit area selected from: ≥ 1 MBq/mm 2 ; ≥ 2 MBq/mm 2 ; ≥ 3 MBq/mm 2 ; ≥ 4 MBq/mm 2 ; ≥ 5 MBq/mm 2 ; ≥ 6 MBq/mm 2 ; ≥ 7 MBq/mm 2 ; ≥ 8 MBq/mm 2 ; ≥ 9 MBq/mm 2 ; ≥ 10 MBq/mm 2 ; ≥ 12 MBq/mm 2 ; ≥ 14 MBq/mm 2 ; ≥ 16 MBq/mm 2 ; ≥ 18 MBq/mm 2 ; ≥ 20 MBq/mm 2 ; ≥ 25 MBq/mm 2 ; ≥ 30 MBq/mm 2 ; ≥ 35 MBq/mm 2 and ≥ 40 MBq/mm 2 . 21. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере один диод является не лавинным.21. A microbattery according to any one of the preceding claims, wherein at least one diode is non-avalanche. 22. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, которая не содержит усилитель тока и не усиливает ток от микробатареи.22. A microbattery according to any one of the preceding claims, which does not include a current amplifier and does not amplify the current from the microbattery. 23. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, которая содержит внешний корпус, определяющий объем батареи, выбранный из следующих значений: ≤50 см3, ≤ 40 см3, ≤ 30 см3, ≤ 20 см3, ≤ 10 см3, ≤ 5 см3, ≤ 4 см3, ≤ 3 см3, ≤ 2 см3, ≤ 1 см3.23. A microbattery according to any one of the preceding claims, which comprises an outer casing defining the volume of the battery, selected from the following values: ≤50 cm3 , ≤40 cm3 , ≤30 cm3 , ≤20 cm3 , ≤10 cm3 , ≤5 cm 3 , ≤ 4 cm 3 , ≤ 3 cm 3 , ≤ 2 cm 3 , ≤ 1 cm 3 . 24. Микробатарея по любому из предшествующих пунктов, которая содержит подложку GaAs, при этом упомянутая структура кристаллической решетки является по существу решеткой, согласованной по параметрам с упомянутой подложкой GaAs.24. A microbattery according to any one of the preceding claims, which comprises a GaAs substrate, wherein said lattice structure is essentially a lattice matched with said GaAs substrate. 25. Электронная система для получения питания от микробатареи, содержащая микробатарею по любому из предшествующих пунктов и электронное устройство, подключенное или выполненное с возможностью подключения к микробатарее для получения питания для выполнения одной или нескольких операций.25. An electronic system for receiving power from a microbattery, comprising a microbattery according to any of the preceding claims and an electronic device connected or configured to be connected to the microbattery to receive power for performing one or more operations.
RU2020107899A 2017-07-21 2018-07-23 Nuclear micro-battery RU2796548C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1711783.9 2017-07-21
GBGB1711783.9A GB201711783D0 (en) 2017-07-21 2017-07-21 Nuclear Microbattery
PCT/GB2018/052069 WO2019016574A1 (en) 2017-07-21 2018-07-23 NUCLEAR MICROBATTERY

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2020107899A RU2020107899A (en) 2021-08-23
RU2020107899A3 RU2020107899A3 (en) 2021-12-20
RU2796548C2 true RU2796548C2 (en) 2023-05-25

Family

ID=

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5260621A (en) * 1991-03-18 1993-11-09 Spire Corporation High energy density nuclide-emitter, voltaic-junction battery
US20100218819A1 (en) * 2007-10-05 2010-09-02 The University Court Of The University Of Glasgow Semiconductor optoelectronic devices and methods for making semiconductor optoelectronic devices
US20120285526A1 (en) * 2011-05-10 2012-11-15 Solar Junction Corporation Window structure for solar cell
US20160013336A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-14 Ricoh Company, Ltd. Compound-semiconductor photovoltaic cell and manufacturing method of compound-semiconductor photovoltaic cell
RU2605758C1 (en) * 2015-09-17 2016-12-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Госкорпорация "Росатом" Electric power supply source
RU2607835C1 (en) * 2015-07-14 2017-01-20 Андрей Александрович Мандругин Beta-voltaic semiconductor electric energy generator and method of making same
RU2610037C2 (en) * 2015-07-14 2017-02-07 Андрей Александрович Мандругин Beta-voltage power generator and method for increasing its efficiency
RU170474U1 (en) * 2016-12-27 2017-04-26 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) RADIO ISOTOPIC DC

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5260621A (en) * 1991-03-18 1993-11-09 Spire Corporation High energy density nuclide-emitter, voltaic-junction battery
US20100218819A1 (en) * 2007-10-05 2010-09-02 The University Court Of The University Of Glasgow Semiconductor optoelectronic devices and methods for making semiconductor optoelectronic devices
US20120285526A1 (en) * 2011-05-10 2012-11-15 Solar Junction Corporation Window structure for solar cell
US20160013336A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-14 Ricoh Company, Ltd. Compound-semiconductor photovoltaic cell and manufacturing method of compound-semiconductor photovoltaic cell
RU2607835C1 (en) * 2015-07-14 2017-01-20 Андрей Александрович Мандругин Beta-voltaic semiconductor electric energy generator and method of making same
RU2610037C2 (en) * 2015-07-14 2017-02-07 Андрей Александрович Мандругин Beta-voltage power generator and method for increasing its efficiency
RU2605758C1 (en) * 2015-09-17 2016-12-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Госкорпорация "Росатом" Electric power supply source
RU170474U1 (en) * 2016-12-27 2017-04-26 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) RADIO ISOTOPIC DC

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111261311B (en) A radioactive voltaic nuclear battery based on perovskite crystals
US11798703B2 (en) Radiation powered devices comprising diamond material and electrical power sources for radiation powered devices
Krasnov et al. Advances in the development of betavoltaic power sources (a review)
US8937360B1 (en) Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope
Liu et al. Optimization and temperature effects on sandwich betavoltaic microbattery
Gao et al. High-performance alpha-voltaic cell based on a 4H-SiC PIN junction diode
US11538601B2 (en) Nuclear microbattery
CN108492905A (en) A kind of diamond PIM Schottky types β radiation volta effect nuclear battery
Liu et al. Experimental and theoretical investigation of temperature effects on an interbedded betavoltaic employing epitaxial Si and bidirectional 63Ni
Rahastama et al. Optimization of surface passivation parameters in [147Pm]-Si planar pn junction betavoltaic based on analytical 1-D minority carrier diffusion equation approaches
RU2796548C2 (en) Nuclear micro-battery
Bailey et al. Photovoltaic development for alpha voltaic batteries
Zhao et al. Alternative power sources for space exploration: 55Fe X-ray-voltaic batteries
Zhao et al. Research Progress on Radiation Volt‐Effect Isotope Cells
Butera et al. Temperature dependence of an AlInP 63Ni betavoltaic cell
RU2461915C1 (en) Nuclear battery
Liu et al. Research Progress of Isotope Battery Devices Based on Radiation Voltaic Effect in Diamond
Wei et al. Preparation and Electrical Performance Analysis of a GaAs‐Based Tritium Battery
Mohamadian et al. Conceptual design of GaN betavoltaic battery using in cardiac pacemaker
US9305674B1 (en) Method and device for secure, high-density tritium bonded with carbon
CN113963835A (en) A diamond Schottky type beta radiation volt effect miniature nuclear battery
US9018721B1 (en) Beta voltaic semiconductor photodiode fabricated from a radioisotope
US11313981B2 (en) X-ray and γ-ray photodiode
Wu et al. Study on betavoltaic battery with suspended 1.5 µm-Si thin film back-junction back-contact PN junction
Achmadullin et al. Photovoltaic x-ray detectors based on epitaxial GaAs structures