СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 15 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2015 Входная энергия электрона (кэВ) Коэффициент умножения электронно-дырочной пары 5 0 1000 2000 3000 10 15 20 25 30 сверхэнергией, обладает сверхмощно- стью. Вот почему стратегически важно не уступать технологиям компании Intel на материалах A III B V , то есть на том же GaAs. Но пока, к счастью, предлагае- мая нами технология получения моно- кристаллов GaAs имеет значительные преимущества. Д ИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТА - ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ Из элементарной физики известно, что электрическая энергия измеряет- ся произведением ватт на секунду (Дж) или, как общепринято, в кВт × час (3,6 × 10 6 Дж) То же самое и в бета-источ- нике питания. В связи с этим очень важ- но знать, а что же «выдаст» бета-источ- ник питания для обеспечения взмаха крыльев MAV–стрекозы с частотой до 100 Гц или для работы бортового пас- сивного микрорадара, допустим, в сере- дине X-диапазона (10 ГГц)? Ещё раз подчеркнём ранее упомя- нутый фактор, а именно: если изотоп 147 Pm с энергией 220 кэВ имеет флю- енс/см 2 10 10 в секунду, то число гене- рируемых электронов в полупрово- днике будет порядка 1,7 × 10 14 (в луч- шем случае) за 1,0 с. Следовательно, на частоте 10 ГГц электронов будет все- го 10 000, то есть меньше, чем от воз- действия одного высокоэнергетично- го электрона. Другими словами, при работе микро-P-HEMT надо надеять- ся, что хотя бы один электрон изото- па попадёт в кристалл. Вот и все расчё- ты. Для количественной оценки умест- но привести хотя бы приблизительную формулу расчёта динамической энер- гии Δ E i : , где τ – время обработки сигнала (допу- стим, 10 -10 × с), n – концентрация гене- рируемых электронов, η – КПД гене- рации бета-ЭДС. Отсюда вытекает, что если мы используем «слабые» по флюенсу изотопы, хотя и с хорошей энергией, то мы ничего серьёзного не получим, как например, в случае давно известного технеция ( 99 Te) при энергии электронов 292 кэВ, в принципе, такая оценка применима и для 63 Ni. Для полупроводниковой бета-воль- таики нужны мощные, сверхради- оактивные изотопы с энергиями, близкими к 220–250 кэВ и с пери- одом полураспада хотя бы год или два. Фактически, нужен аналог 147 Pm с флюенсом выше чем 10 12 –10 13 см -2 × с. В таком случае можно выстраивать бета-источники, приближающиеся к фотовольтаике на уровне единиц процентов. Но и это не всё. На дина- мику бета-источника питания исклю- чительное влияние имеет… динамиче- ская нагрузка, то есть скорость отбора генерируемого заряда в твёрдотельном вакууме (в данном случае из кристал- лической решётки GaAs) – объёмная масса частиц атома полупроводника, включающая в себя ядро: протоны/ нейтроны и орбитальные электроны, допустим, в таких тяжёлых полупрово- дниках, как Ge или GaAs, – не более 10% общего объёма (для сравнения, в ато- ме водорода всего 2,0%), а остальное пространство – это электромагнит- ная масса, из которой можно получить в будущем мегаэффективные генера- торы). В системе 147 Pm/GaAs в твердо- тельный вакуум вбрасывается реля- тивистский электрон со значитель- ной энергией, допустим, ≈ 100 кэВ при флюенсе/см 2 10 10 и, следовательно, за τ = 10 -10 × с мы имеем «удар» одной эле- ментарной частицы, имеющей началь- ную скорость V = ½ С (1,6 × 10 10 см/с), которая затем, в конце концов, в глу- бине кристалла гасится до «зонной», то есть в i-объёме до уровня ≈ 10 6 см/с при E ∼ 100 В/см (критическая элек- тропрочность в GaAs ≈ 4–6 × 10 5 В/см). В процессе гашения пролётной ско- рости электрона от релятивистской до зонной мы имеем фактически преоб- разование энергии изотопного элек- трона с длиной волны де Бройля от 100 кэВ до ширины запрещённой зоны – 1,43 эВ (проводящее состояние). Вопрос в том, какова динамика преоб- разования? Физическое, очень глубо- кое понимание процесса бета-преоб- разования в «зону» изложено в работе «Электронная микроскопия и ионная спектроскопия» [1]. Механизм рассе- яния энергии высокоэнергетичного электрона путём упругих, неупругих взаимодействий изотопного электро- на с орбитальными (оболочными) элек- тронами приводит к «дроблению» энер- гии электрона изотопа в генерацион- ную коллективную энергию зонных электронов (см. рис. 6). Но на рисунке 6 не показаны другие виды генерации энергий электронов в процессе рассе- яния электрон/электрон и электрон/ ядро, а также необходимо сюда при- плюсовать и энергию γ -квантов тормоз- ной энергии электрона в кулоновском поле ядра с длиной волны λ = 1,24/Е, где [ λ ] = нм, [E] = кэВ. Другими словами, речь идёт о том, что в решётке GaAs генерируются элек- троны с промежуточной длиной вол- ны де Бройля гораздо большей началь- ной, и с промежуточными скоростями генерируемых электронов в диапазо- не от 1,6 × 10 10 см/с до 10 6 см/с. В свя- зи с этим и возникает вопрос: а сколь- ко времени «живёт» эта промежуточная энергия, пока кристалл не «успокоит- ся», то есть не придёт к своему обычно- му «зонному состоянию»? И сможет ли «сверхбыстрая» неравновесная энергия генерации достичь контактов? Попро- буем обосновать, что это, в принципе, возможно. Прежде всего, необходимо отметить, что при пробеге электро- на в кристаллической решётке GaAs, конечно, будет присутствовать угол рас- сеяния электронов, который характе- ризуется начальным и конечным сече- нием процесса σ . Из работы «Электронная микроско- пия и ионная спектроскопия» [1] извест- но, что начальное сечение процесса σ взаимодействия электрона с решёт- кой твёрдого тела, зависящее от плот- ности атомов решётки, атомного веса на глубинах в десятки нанометров от поверхности, составляет σ ≈ 10 -25 м 2 при энергии электрона E = 100 кэВ. Исходя из того, что в GaAs допу- стима энергия облучения вплоть до 225 кэВ (см. таб. 1), угол рассеяния элек- тронов в GaAs будет очень мал. Сдела- ем грубые допущения, что радиацион- ный (плазменный) канал имеет фор- му конуса от поверхности облучения с верхним сечением ≈ 10 -25 м 2 до нижне- го основания на глубине 50 мкм с ради- усом r = 5 нм (то есть площадью сече- ния π r 2 → 10 -16 м 2 или в миллиард раз большей, чем верхнее сечение). В таком случае в объёме конуса V = 1/3 π r 2 × h будет сосредоточено ≈ 19 × 10 8 атомов, что при конечной генерации электрона Рис. 6. Зависимость генерации электронов от энергии изотопного электрона [8] © СТА-ПРЕСС