Разработка бетавольтаического источника питания на основе планарной кремниевой структуры

Бетавольтаический эффект был открыт в 60-70-х годах прошлого столетия, но в последнее время интерес к нему существенно вырос по причине перспективы внедрения в технологию микроэлектромеханических систем (МЭМС). Для МЭМС и полупроводниковых приборов нового поколения необходимы миниатюрные источники электрического питания, работающие достаточно продолжительное время и обладающие малыми габаритами. Преимуществом источников питания на основе радиоизотопов являются большой срок работы (свыше 10 лет в зависимости от выбора изотопа), малый вес (несколько десятков грамм), небольшой размер (не более 5 см²), широкий температурный диапазон работы (от −50 °C до 150 °C) и высокая надежность.

Эффективность преобразования бетавольтаического источника питания определяется энергией генерации электронно-дырочной пары и шириной запрещенной зоны. Энергия генерации электронно-дырочной пары определяет ток короткого замыкания, а ширина запрещенной зоны определяет напряжение холостого хода. Эффективность преобразования определяется выражением:

\(h=(I*Uxx*FF)/P\)

где I - ток короткого замыкания; Uxx- напряжение холостого хода; FF - форм фактор; P – излучаемая мощность радиоизотопом.

В работе создан бетавольтаический источник питания (рис. 1) на основе кремниевой планарной структуры и радиоизотопа Ni-63. Габаритные размеры бетавольтаического источника питания составили 11 х 11 х 2,5 мм. Значение тока короткого замыкания при облучении составило 41,6 нА/см², а значения напряжения холостого хода составило 0,333 В, максимальная выходная мощность составила 7,3 нВт, коэффициент заполнения составил 51,6 %.

Рис. 1 – Бетавольтаический источник питания на основе планарной структуры (тыльный контакт выполняется из Al)

 

Научный руководитель – к.т.н., доц. Леготин С.А.