辐射伏特效应同位素电池换能单元的初步设计

杨玉青 王关全 胡 睿 高 晖 刘业兵 张华明 罗顺忠

(中国工程物理研究员核物理与化学研究所 绵阳 621900)

微电路及微机电系统(MEMS系统)要求电源体积小、寿命长、可与自身一体化，传统的化学电池、太阳能电池、燃料电池均不能满足上述要求。辐射伏特效应微型同位素电池主要由半导体材料和半导体器件构成[1–3]，易与微电路及MEMS系统制作在同一基片上。同时此类电池对外直流稳态输出，输出电压零点几伏，供电给系统无需变压、整流等中间转换过程。此类电池也可实现高功率密度，相同电功率下电池体积小，尺寸与系统相匹配[4–6]。电池寿命主要由放射性同位素半衰期确定，选用合适的长半衰期同位素，电池可长期使用无需维护。因此，辐射伏特效应同位素电池是未来微电路和 MEMS系统理想的机载电源，但是，我国在这方面的研究仍处于初级阶段。本文从辐射伏特效应基本原理出发，开展以PN结器件为换能单元的初步设计，并进行相应的测试与分析。

1 辐射源选择与换能单元设计

1.1 辐射源选择

选择辐射源应避免在硅器件中引入大量位移损伤缺陷，避免强γ和X射线对附近微电路和微机电系统的不良影响。晶体硅原子位移损伤的阈能为14–21 eV[7–8]，对应的入射电子能量为 155–221 keV，同位素发射的a粒子能量一般在兆电子伏量级，容易造成晶体硅位移损伤[1–2]。在 8.86×105Bq241Am面源作用下，单晶硅PN器件输出急剧退化，开路电压Uoc退化比短路电流Isc更严重(图1)；图2是开路电压和短路电流随辐照时间的变化，输出电性能在2 d后退化变缓，与位移缺陷的自恢复有关[9]。因此，选择发射低能β同位素辐射源；并考虑稳定性和安全性，不用气态或液态辐射源。本文采用固态63Ni源和3H源。

图1 单晶硅PN结换能单元在241Am源下输出I-V特性随辐照时间的变化Fig.1 I-V curves of a PN junction unit irradiated by an 241Am source.

1.2 换能单元设计

设计的关键参数包括同位素发射的含能粒子在单晶硅和空气中的射程，载流子的迁移率、少子寿命、少子扩散长度等半导体材料参数，PN结内建电场电势、电场宽度及其在结两边的分布与结深、电场强度及其分布、载流子在内建电场中的牵引长度等单晶硅PN结的特性参数。由此初步设计加载63Ni和3H的单晶硅PN结型器件的制作参数，包括顶层、基层和背层的掺杂浓度和厚度、正面电极和背电极等。在初始设计基础上改进设计PN结型器件参数。

图2 单晶硅PN结换能单元在241Am源下Isc(a)和Uoc(b)随辐照时间的变化Fig.2 Changes in Isc(a)and Uoc(b) of a PN junction unit irradiated by an 241Am source.

2 输出电特性

在固态63Ni源和3H源辐照下，研究了初步设计的器件和两种改进器件的输出电性能。

2.1 固态63Ni源辐照下的输出电特性

图3是2.96×108Bq固态63Ni源辐照下初设和改进器件的 I-V输出特性曲线，其入射功率为 824 nW。初设器件和改进器件 1与 2的 Uoc分别为0.078、0.132和0.267 V；初设器件的η为0.096%，改进器件2的η为0.56%；填充因子FF持续提高。但两改进器件Isc在28.4 nA上并无改善，改进器件2的Isc甚至下降，由28.4降至24.1 nA。

图3 改进器件与初设器件在63Ni源片作用下的电输出比较Fig.3 I-V curves of different units irradiated by a 63Ni source.

2.2 固态3H源辐照下的输出电特性

在不同3H含量的固态3H源辐照下，初设和改进器件的I-V曲线相似，图4是改进器件2的I-V曲线。一定3H含量下，固态3H的2π发射率达到饱和，器件的短路电流也趋饱和，选择合适的源厚度和氚含量[10]。以 5.09×109Bq的氚钛源辐照，3种器件换能单元的I-V曲线见图5，I-V变化趋势与63Ni源片辐照下的不同，提高器件电流和电压对参数的要求有时矛盾，须在两者间取得最佳平衡。

图4 改进器件2在不同氚含量氚源作用下的电输出性能Fig.4 Isc of the improved Unit 2 irradiated by 3H sources of different activities.

3 数学模型分析

电池可等效为一个恒流源Ira与二极管D并联，但实际上须考虑串联和并联电阻的影响。辐射伏特效应微型同位素电池是直流电源，电容和电感可忽略。辐射伏特效应微型同位素电池的实际等效电路如图6。

图5 改进器件与初设器件在5.09×109 Bq氚钛源作用下的电输出比较Fig.5 I-V curves of the initial design unit and two improved units irradiated by a 3H source of 5.09×109 Bq.

图6 辐射伏特效应同位素电池的等效电路Fig.6 Equivalent circuit of a radiation-voltaic isotope battery.

由图6，电池的输出电流IL为：

当电池短路时，U＝0，ID＝0，短路电流 Isc＝Ira；当电池开路时，电池输出电流IL＝0、输出电压为开路电压 Uoc，二极管两端的电压UD=U+ILRs=Uoc，即辐射生电流 Ira相等二极管两端电压为Uoc时的暗电流ID(Uoc)，则：

由此，电池的开路电压Uoc为：

在规范化电池输出I-V特性曲线上取3个点及Isc、Uoc的测量值，用 Mathcad数值方法求解式(1)中参数，得出一个完整的数学模型。在图3曲线上取两组数据，按电池方程及计算机解析模型求解，所得数据取平均值列于表1。图7是改进器件2由数学解析模型获得的器件I-V特性曲线与实验数据的比较。3种器件的数学解析模型的计算值与实验数据值相差不大，说明模型是正确的。其中初设器件和器件 2的反向饱和电流 I0与理论计算值 I0＝5.39×10–10A 和 3.49×10–13A 很接近。串联电阻 Rs的影响很小，可忽略。改进器件的反向饱和电流低于初设器件，并联电阻大于初设器件，导致了输出开路电压的增大[4]和I-V曲线填充因子FF的提高，这与图3相符。

表1 初设器件和改进器件的数学解析模型求解数据Table 1 Parameters of equivalent circuit functions calculated by the analytical model for different units.

同时，假设氚钛源辐照下输出电特性的短路电流即理想辐射生电流，用数学模型方程(3)对表1数值计算得出初设器件、改进器件1和改进器件2的开路电压分别为 0.084、0.148和 0.272 V，与图 5实验测定值0.092、0.156和0.260 V基本一致，说明数学模型分析有效可靠。

相对器件开路电压的理论值，即PN结内建电场电势值，63Ni源下实验获得的最好开路电压接近理论极限值的 1/3，短路电流值仅达到理论极限的近1/8；3H源下以改进器件2为例，开路电压超过理论极限值的 1/3，短路电流值仅达到理论极限的近1/20。

分析表明，使用优化顶层厚度、降低表面和顶层复合损失、减薄基层厚度等措施可改进设计当前类型器件，提高输出电性能，尤其是短路电流。这些有待实验验证。

图7 改进器件2的I-V特性曲线实验数据(■)与数学解析模型获得的I-V特性曲线(△)的比较Fig.7 I-V curves of the improved Unit 2.■ Measured; △ Calculated with the analytical-model

4 结论

基于单晶硅PN结器件换能单元，根据辐射伏特效应原理和放射性粒子与硅基半导体材料的相互作用，探索研究辐射伏特效应同位素电池换能单元的设计。研究表明单晶硅PN结型换能单元在241Am源作用下输出电性能在2 d内急剧衰退，不适宜作该类换能单元的辐射源；设计3种单晶硅PN结换能单元，在2.96×108Bq的63Ni源辐照下，最大短路电流为28.4 nA，最大开路电压为0.267 V；在约5.09×109Bq的3H源辐照下，最大短路电流为62.8 nA，最大开路电压为0.260 V；当前换能单元仍需改进设计以提高其输出电性能。

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