基于NPN結(jié)的β輻射福特效應(yīng)核電池理論研究.pdf

1、自20世紀(jì)中期以來，微型核電池作為一種理想的微能源逐漸被人們所重視。β輻射伏特效應(yīng)核電池具有壽命長、體積小、工作穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能夠作為微電路與微機(jī)電系統(tǒng)理想的能量源。因此，如何提高β輻射伏特效應(yīng)核電池的能量轉(zhuǎn)換效率是目前針對β輻射伏特效應(yīng)核電池研究的關(guān)鍵所在。
　　本文基于輻射伏特效應(yīng)核電池的理論模型和能量轉(zhuǎn)換原理，對高通量熱中子反應(yīng)堆生產(chǎn)63Ni放射源進(jìn)行了研究，我們認(rèn)為影響β輻射伏特效應(yīng)核電池能量轉(zhuǎn)換效率的兩個主要因素分別為

2、放射源的效率和換能芯片的轉(zhuǎn)換效率。本文針對這兩個主要因素進(jìn)行了優(yōu)化，模擬計算結(jié)果表明，本文設(shè)計的NPN結(jié)型換能結(jié)構(gòu)對β輻射伏特效應(yīng)核電池能量轉(zhuǎn)換效率約為2.61％。
　　研究期間主要做了以下工作：
　　（1）制備63Ni放射源：將高純鎳放入高通量反應(yīng)堆中進(jìn)行輻照后獲得其同位素63Ni。其比活度約為121mCi/g，能夠滿足β輻射伏特效應(yīng)核電池的研究的要求；
　?。?）換能芯片的設(shè)計：根據(jù)半導(dǎo)體材料β射線伏特效應(yīng)原理，設(shè)

3、計了一種新型的半導(dǎo)體雙面換能芯片。對NPN結(jié)型換能芯片N區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s并與金屬形成良好的歐姆接觸；P區(qū)設(shè)計為P-P+P-結(jié)構(gòu)，對P-區(qū)進(jìn)行輕摻雜以增大耗盡區(qū)寬度；對P+區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s從而改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，減小換能芯片體電阻；
　　（3）MCNP4C數(shù)值仿真計算：應(yīng)用MCNP4C程序模擬并分析了β粒子在半導(dǎo)體雙面換能芯片中的輸運(yùn)規(guī)律，獲得了與雙面換能芯片能量轉(zhuǎn)換相匹配的摻雜方式、摻雜濃度、基層厚度、耗盡層寬度、結(jié)深、少子壽命和少子擴(kuò)

4、散長度等參數(shù)。模擬結(jié)果表明，以63Ni為放射源的硅基NPN結(jié)型β輻射伏特效應(yīng)核電池的最佳耗盡區(qū)寬度為2μm，對應(yīng)的摻雜濃度為ND=2×1020cm-3，NA=3×1016cm-3，結(jié)深和P-區(qū)厚度分別取為0.2μm和20μm；根據(jù)模擬得到參數(shù)進(jìn)行計算得到β輻射伏特效應(yīng)核電池的短路電流、開路電壓和理想轉(zhuǎn)換效率分別為594nA、0.233V、2.61%。
　　（4）NPN結(jié)型換能芯片的制備：制備的換能芯片參數(shù)為：結(jié)區(qū)直徑為6cm，以厚