基于β辐射伏特效应的同位素微电池理论模型研究

摘要

随着MEMS发展，微能源逐渐成为MEMS应用中的一个非常关键的问题。目前常规能源和现有的微能源在体积、使用寿命、稳定性及对环境的适应能力方面远达不到微系统的需要。基于β辐射伏特效应的同位素微电池所具有的特点，逐渐成为微能源系统研究的一个新方向。为了指导电池的设计和制作，其理论模型的建立是有必要的。 本文用理论分析和数值模拟的方法，探讨了基于β辐射伏特效应的同位素微电池内部作用机制和初始设计参数对电池性能的影响。模型同时考虑了同位素的选取及其衰变能谱的确定、放射粒子能量损失率、半导体特性、载流子的产生与复合、电池的串并联电阻等因素。然后建立一个等效电路，最后分别给出不同初始参数下和不同结构下的模拟结果并与文献作比较、分析与讨论。 本文以同位素63Ni和半导体单晶硅为例进行模拟，模拟结果显示：选择性发射极结构的电池性能优于常规结构的电池性能；扩散层掺杂浓度不应超过1020cm-3，且在此掺杂浓度下电压达到最大；基区掺杂浓度要尽量小；电池整体性能随温度上升而下降；扩散深度的增加可以引起电池的总体性能上升；放射性物质活度的增加也可以引起电池的总体性能上升；粒子在硅中运动的距离约在40μm。 因为模型的建立涉及到一些公式的简化、数值计算中的舍入误差以及电池实际制作中的一些偶然误差，所以模拟结果与实验数据会有偏差。将模拟结果与引用文章中的结果进行比较，发现在相同初始条件下，模拟数值与实验数值基本吻合。该模型对微电池的开发具有一定的指导意义和实用价值。

目录

文摘

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1绪论

1.1引 言

1.2研究目的

1.3同位素材料简介

1.3.1同位素介绍

1.3.2同位素衰变方式

1.3.3同位素在热源、电源的应用

1.3.4同位素的选择

1.4文献综述

1.4.1贝他-伏特效应应用

1.4.2阿尔发-伏特效应应用

2同位素微电池的结构和工作原理

2.1同位素微电池的结构

2.1.1电池基本结构

2.1.2选择性发射极结构

2.2同位素微电池的工作原理

3同位素微电池理论模型的建立

3.1电子空穴对的产生

3.1.1 β粒子作用效果的简化

3.1.2同位素衰变能谱的计算

3.1.3单能电子所经单位路程上的能量损失

3.1.4单位长度路程上产生的离子对数

3.2电子空穴对的复合

3.2.1直接辐射复合

3.2.2俄歇复合

3.2.3单一复合中心的间接复合

3.2.4表面复合

3.3短路电流

3.3.1 N区电流密度的推导

3.3.2 P区电流密度的推导

3.3.3耗尽区电流密度的推导

3.4电池内部电阻

3.4.1串联电阻

3.4.2并联电阻

3.5电池的等效电路

3.6开路电压

3.7输出功率

3.8转化效率

3.9填充因数

3.10模拟计算方法

4数值分析与模拟

4.1表面层的掺杂浓度对电池性能的影响

4.2基区的掺杂浓度对电池性能的影响

4.3 工作温度对电池性能的影响

4.4扩散深度对电池性能的影响

4.5厚度对电池性能的影响

4.6活度对电池性能的影响

4.7电池的常规结构与选择发射极结构的性能比较及试验数值比较

4.7.1池的常规结构与选择发射极结构的性能比较

4.7.2计算数值与实验值的比较

结 论

参考文献

附录A电池内部串联电阻

附录B符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢