СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2015 Me Me 50–80 мкм 147 Pm Me n + n + p + i – p – i – n – (2ДЭГ) 2 Me 147 Pm Me Me Al 2 O 3 (20 нм) AlGaAs (<1/8 эВ) (5–10 нм) n + p + p + i – р – i – n – Me Me 50–80 мкм h ν световые фотоны 147 Pm Me Me p + p + n + n + i – n – i – р – рования электронов и дырок, то есть нужно, чтобы пролётное время было гораздо ниже типовых значений вре- мени жизни в высокоомном кремнии, достигающих нескольких микросекунд. Проблема пролётного времени связа- на с начальной характеристикой под- вижности электронов и дырок на гра- фике насыщения V = f(E), которые име- ют в слабых полях на порядки меньшие значения, чем в зоне насыщения. Таким образом, на КПД генерации очень сильно влияет ряд факторов: ширина ОПЗ, время жизни генериру- емых носителей заряда, которое может быть сверхкоротким (ионизированные «лёгкие» электроны с глубоких атомно- орбитальных уровней), а также глуби- на p + -областей p–i–n-переходов, нано- кластеры и другое. Но (!) необходи- мо подчеркнуть, что вышеописанная модель генерации электронно-дыроч- ных пар основана на свойствах зонной энергетики полупроводника с тради- ционными классическими понятия- ми переноса зарядовой частицы (элек- трон/дырка) в объёме полупроводника в пределах их времён жизни в неравно- весном состоянии. Но физика высоких энергий высокоэнергетичных частиц (десятки, сотни кэВ) резко отличает- ся от физики слабоэнергетичной элек- троники (ширина запрещённой зоны полупроводника, используемая в прак- тических целях, всего 0,18–5,5 эВ), поэтому и динамика дивергенции заря- дов несколько иная (см. раздел статьи «Динамические свойства бета-источ- ников питания»). Ширина физических p–i–n-пере- ходов при собственном потенциале у 500-омного кремния и LPE p-i-n GaAs может отличаться на порядок (12 мкм и 100 мкм соответственно), а это зна- чит, что для бета-источников на LPE i-GaAs более предпочтительны изото- пы с более высокой энергией излучения электронов, например, 147 Pm (макси- мальная энергия электронов в процес- се распада достигает 220 кэВ), который неприемлем для кремния. В этом случае теоретическая эффективность приме- нения структур LPE p-i-n GaAs для бета- вольтаики, по сравнению с кремни- ем (Si), возрастает более чем на порядок. Что касается GaN и политипов 4H-, 6H-SiC, то несколько факторов исклю- чают возможность их применения для производства бета-источников, а именно: сверхмалые области ОПЗ (в несколько раз ниже, чем в Si и, тем более, в LPE i-GaAs), высокая дефект- ность структур, малые времена жизни носителей заряда, низкая радиацион- ная стойкость по электронному дефек- тообразованию из-за наличия лёгких атомов азота и углерода. Да и стои- мость, к примеру, слабодефектного SiC площадью в 1 см 2 будет в пределах более чем $1000 за чип. Радиационная стойкость твёрдого углерода – алма- за – к высокоэнергетичным электро- нам показана на рисунке 1. На рисунках 2, 3, 4 и 5 показаны раз- личные модификации конструктив- ного исполнения бета-источников на LPE i-GaAs, в том числе гибридный с оптико-инфракрасным широкопо- лосным квантовым приёмом в диапа- зоне эффективной энергии солнеч- ной радиации 0,4–5,0 микрометров (на эффекте «расщепления» уровня Ферми в запрещённой зоне LPE i-GaAs). Не сто- ит также удивляться и тому, что широ- козонный SiC (4H-, 3C – дилатационные политипы) сможет усваивать энергию h ν на длинах волн ≈ 1,0 мкм, что в клас- сической физике возможно только на полупроводниках с шириной запре- щённой зоны 1,14 эВ (немного больше, чем у кремния), что в три раза меньше, чем у политипов 4H-, 6H-SiC. В опреде- лённых научных кругах это уже извест- ный факт. Р АСЧЁТНАЯ СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ БЕТА - ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ СИСТЕМ 63 N I /S I И 147 P M /G A A S На рисунках 2, 3, 4 и 5 показаны простейшие первичные варианты конструкций бета-источников пита- ния, выполненных на основе системы 147 Pm/i-GaAs (LPE i-GaAs). Один излу- чаемый изотопом 147 Pm электрон со средней энергией 67 кэВ, проникая в монокристалл LPE i-GaAs на глуби- ну более чем 50 мкм, генерирует свы- ше N 147 Pm = 17 000 электронно-дыроч- ных пар. Один электрон изотопа 63 Ni со средней энергией 17,3 кэВ, проникая в кремний на глубину порядка 12 мкм, генерирует не более 4000 электронно- дырочных пар. Предположим, что мы имеем дело с «концентрированными» изотопа- ми 147 Pm и 63 Ni, то есть большинство атомов в кристаллических решётках 147 Pm и 63 Ni ионизированы (в ускори- тельных циклотронах или в реакто- рах), тогда при «паритетной» концен- трации радиоактивных атомов в 147 Pm и 63 Ni интенсивность излучения (флю- Рис. 2. Односторонняя GaAs p–i–n бета- структура (W – до 20 мкВт/см 2 × с) Рис. 3. Двухсторонняя GaAs p–i–n бета- структура (W до 30 мкВт/см 2 × с) Рис. 4. Комбинированный (конденсаторный) бета- источник на основе комбинации p–i–n-перехода и МОП-конденсатора (W до 20 мкВт/см 2 × с) Рис. 5. Комбинированный бета–фото-источник для «MAV-пчёл» (день – полет – сенсорика; ночь – сенсорика) W ≈ 30 – 40 мВт/см 2 × с (фото) + до 20 мкВт/см 2 × с (бета) Me Me 50–80 мкм 147 Pm 147 Pm Me Me n + n + p + p + i – p – i – n – © СТА-ПРЕСС