Якимов Е.Б.
Перспективы кремния в качестве преобразователя бетавольтаического элемента
Бета-вольтаические элементы на основе радиоактивных изотопов, излучающих бета-частицы, весьма перспективны в качестве долгоживущих источников тока. В таких элемен-тах энергия электронов, которые излучаются при бета-распаде, непосредственно преобразу-ется в электрический ток с помощью полупроводникового преобразователя, который являет-ся важной составляющей бета-вольтаических элементов. Широко распространено мнение, что наиболее эффективными преобразователями являются p-n переходы или барьеры Шотт-ки на основе широкозонных материалов, поскольку их предельная теоретическая эффектив-ность, оцененная из термодинамических соображений, повышается с шириной запрещенной зоны. Однако, как показано в наших работах и в нескольких работах зарубежных авторов, это далеко не так, если учитывать параметры реальных полупроводниковых материалов.
В настоящей работе проведены расчеты параметров бета-вольтаических элементов на основе 20% 63Ni в качестве радиоактивного источника и преобразователей из различных по-лупроводниковых материалов (Si, 4H-SiC, GaN и Ga2O3). Предложен метод предсказания па-раметров бета-вольтаических элементов путем экспериментального исследования преобра-зователей в растровом электронном микроскопе, позволяющий предсказать параметры эле-ментов с точностью не хуже 20-30%. Показано, что в реальных p-i-n диодах на основе крем-ния эффективность собирания неравновесных носителей, генерируемых бета-частицами, может достигать 95-98%. В широкозонных полупроводниках из-за низких значений диффу-зионной длины эффективность собирания значительно ниже, в частности, в GaN и Ga2O3 она примерно в 2 раза ниже, чем в кремнии. Поскольку индуцированный ток в бета-вольтаических элементах очень мал, напряжение холостого хода сильно зависит от тока утечки. Если в кремнии значения тока утечки могут приближаться к теоретическим значениям, то в широкозонных материалах, даже в SiC, они значительно превышают теоретические значения. Таким образом, эффективность преобразователей на основе GaN и Ga2O3 сравнима или даже ниже, чем в кремнии, и только в преобразователях на основе 4H-SiC она может быть несколько выше. Учитывая хорошо развитую кремниевую технологию, можно сделать вывод, что структуры на основе кремния вполне конкурентоспособны по сравнению с широкозонными материалами в качестве преобразователей бета-вольтаических элементов.
К списку докладов