基于寬禁帶半導體的β輻射伏特效應放射性同位素微電池理論研究.pdf

1、目前常規(guī)微能源在很多方面還遠不能滿足微系統(tǒng)的需求，β輻射伏特效應放射性同位素微電池(β-RVRIMB)具有壽命長、體積小、能量密度大、工作穩(wěn)定性好等特點，是微系統(tǒng)領域理想的能量源，逐漸成為微能源領域研究的一個熱門方向。如何提高輻射伏特效應放射性同位素微電池(RVRIMB)的能量轉(zhuǎn)換效率成為了關鍵。
　　本文首先介紹RVRIMB的優(yōu)勢、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；同時對其基本結(jié)構及工作原理進行了簡單介紹。其次，通過MCNPX模擬和數(shù)值

2、計算等方法，對RVRIMB相關參數(shù)進行優(yōu)化設計，包括半導體材料與放射源的選取、電極與能量轉(zhuǎn)換單元參數(shù)（摻雜方式、摻雜濃度、基層厚度、耗盡區(qū)寬度、結(jié)深、少子壽命和少子擴散長度、體電阻）的優(yōu)化設計。結(jié)果表明，采用63Ni作為源，GaN作為換能單元材料的β-RVRIMB最佳耗盡區(qū)寬度為6μm，對應的摻雜濃度為NA=3×1019cm-3,Np=9.2×1015cm-3；結(jié)深和基層厚度分別設計為0.2?m和6.2μm。電極選用鋁或鋁鈦合金比較合適

3、，且柵電極厚度應該大于1?m。建立了β-RVRIMB的電學模型，通過等效電路分析，推導出微電池的短路電流、開路電壓、輸出功率、能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換效率的理論計算公式，并對相關影響因素進行分析與探討。最后，建立β-RVRIMB堆疊幾何模型及MCNPX模擬計算模型。用數(shù)值計算和MCNPX模擬兩種方法研究63 Ni源的自吸收影響；同時對能量沉積功率與63 Ni源層及GaN換能單元厚度之間的關系進行研究。結(jié)果顯示，當63 Ni源層和GaN換能單元厚度分

4、別達到3μm和6μm時，63 Ni源在換能單元中的能量沉積功率達到飽和，這說明63 Ni源層和GaN換能單元厚度分別選為3μm和6μm左右比較合適。通過對長方體模型和圓柱型模型微電池的模擬計算，表明增加放射源和換能單元的接觸面積可以提高微電池的電輸出性能。選擇GaN換能單元厚度為6.4μm，選擇不同的源厚度對1cm×1cm長方體堆疊模型的電輸出特性進行 MCNPX模擬分析，結(jié)果表明，微電池的能量轉(zhuǎn)換效率?受源自吸收影響，即與源效率 s?