基于宽禁带半导体的β辐射伏特效应放射性同位素微电池理论研究

摘要

目前常规微能源在很多方面还远不能满足微系统的需求，β辐射伏特效应放射性同位素微电池(β-RVRIMB)具有寿命长、体积小、能量密度大、工作稳定性好等特点，是微系统领域理想的能量源，逐渐成为微能源领域研究的一个热门方向。如何提高辐射伏特效应放射性同位素微电池(RVRIMB)的能量转换效率成为了关键。
　　本文首先介绍RVRIMB的优势、国内外发展现状及发展趋势；同时对其基本结构及工作原理进行了简单介绍。其次，通过MCNPX模拟和数值计算等方法，对RVRIMB相关参数进行优化设计，包括半导体材料与放射源的选取、电极与能量转换单元参数（掺杂方式、掺杂浓度、基层厚度、耗尽区宽度、结深、少子寿命和少子扩散长度、体电阻）的优化设计。结果表明，采用63Ni作为源，GaN作为换能单元材料的β-RVRIMB最佳耗尽区宽度为6μm，对应的掺杂浓度为NA=3×1019cm-3,Np=9.2×1015cm-3；结深和基层厚度分别设计为0.2?m和6.2μm。电极选用铝或铝钛合金比较合适，且栅电极厚度应该大于1?m。建立了β-RVRIMB的电学模型，通过等效电路分析，推导出微电池的短路电流、开路电压、输出功率、能量转换转换效率的理论计算公式，并对相关影响因素进行分析与探讨。最后，建立β-RVRIMB堆叠几何模型及MCNPX模拟计算模型。用数值计算和MCNPX模拟两种方法研究63 Ni源的自吸收影响；同时对能量沉积功率与63 Ni源层及GaN换能单元厚度之间的关系进行研究。结果显示，当63 Ni源层和GaN换能单元厚度分别达到3μm和6μm时，63 Ni源在换能单元中的能量沉积功率达到饱和，这说明63 Ni源层和GaN换能单元厚度分别选为3μm和6μm左右比较合适。通过对长方体模型和圆柱型模型微电池的模拟计算，表明增加放射源和换能单元的接触面积可以提高微电池的电输出性能。选择GaN换能单元厚度为6.4μm，选择不同的源厚度对1cm×1cm长方体堆叠模型的电输出特性进行 MCNPX模拟分析，结果表明，微电池的能量转换效率?受源自吸收影响，即与源效率 s?有关，且能量转换效率与源效率s均随着源厚度的增加而递减。通过数值计算方法及MCNPX模拟分析，得到源效率随源厚度呈现指数递减趋势，源厚度越小，源效率越高，相应的微电池能量转换效率也就越高，但微电池的短路电流及输出功率越小。因此，在实际中，应该根据具体需求对源厚度进行优选。

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第一章 绪论

1.1 半导体基础知识

1.2 辐射伏特效应放射性同位素微电池的优势及应用

1.3 PN结辐射伏特效应放射性同位素微电池的发展现状及趋势

1.4 本研究的目的及内容

第二章 辐射伏特效应放射性同位素微电池的基本结构和工作原理

2.1基本结构

2.2工作原理

第三章 PN结辐射伏特效应放射性同位素微电池参数优化选取

3.1半导体换能材料选取

3.2放射性同位素源的选取

3.3电极的优化设计

3.4 PN结微电池能量转换单元参数的优化设计

第四章 β辐射伏特效应放射性同位素微电池电学模型分析

4.1 简化原理分析

4.2 微电池等效电路分析

4.3 微电池电输出性能分析

第五章 基于GaN和 63Ni的β辐射伏特效应放射性同位素微电池建模分析

5.1 微电池几何结构优选

5.2 源的自吸收影响

5.3 源及半导体换能材料厚度优化

5.4 微电池电输出特性计算分析

第六章 总结

参考文献

附录 研究生期间发表的论文

致谢