[发明专利]π电子轨域半导体型量子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种量子电池，且特别涉及一种π电子轨域半导体型量子电池。

背景技术

核电池，又叫同位素电池，放射性同位素在蜕变过程中，原子核内一个中子会转变为一个质子，同时释放一个电子，这个会不断以热能或射线的形式，向外放出比一般化学反应大的能量，且蜕变时放出的能量大小、反应速度，不受外界环境中的温度、压力、电磁场的影响，故核电池以抗干扰性强、工作准确、寿命长而著称。

核电池可分为两大类：热转换型与非热转换型。热转换型核电池是采用如钸-238、锔-244、或锔-242等能释放大量热能的放射性同位素进行热电效应或光电效应来转换成电能；非热转换型核电池则直接利用放射性同位素衰变过程中所释放出载能粒子α、β和γ粒子射线的能量，藉由高能电子束穿过电子通道后进入捕获层，此时半导体材料内部电子将被粒子激发到激发态，从而形成电子空穴，最后形成宏观电压，在拥有电子回路后，即能产生了电流。由于这个机制类似于光伏效应(Photovoltaic)，所以用衰变作为能量源的核电池也被称为贝塔伏特电池(Betavoltaic)。碍于现今科技对核电池的研究仍有无法突破之处，导致这两大类之核电池的核能转电能效率偏低(热转换型核电池约0.1至5％，非热转换型核电池约6至8％)。

中国大陆发明专利公开号CN201310516945.4A揭示一种碳化硅肖特基结型核电池，其自下而上依次包括N型欧姆接触电极、N型SiC衬底、N型SiC外延层、SiO₂钝化层、肖特基金属接触层、肖特基接触电极、键合层和放射性同位素源层，其中，N型SiC衬底的掺杂浓度为1×10¹⁸～7×10¹⁸cm^-3，N型SiC外延层通过注入能量为2000KeV～2500KeV，剂量为5×10¹³～1×10¹⁵cm^-2的铌离子形成掺杂浓度1×10¹³～5×10¹⁴cm^-3。

上述专利所使用的传统半导体电性会随着掺杂(doping)微量的不纯物质而产生改变。按照材料本身的电子特性，半导体材料可以分为半质半导体(intrinsic semiconductor)和非半质半导体(extrinsic semicondouctors)，半质半导体是不含外来杂质的材料，因此本身的任何电性，皆来自于本身的性质，如硅(Si,Silicon)和锗(Ge,germanium)；而非半质半导体本身则含有数量可观的外来杂质，所以它的电性，并不完全反应自其本身的纯态。

硅和锗都是周期表上第四族的元素，这些半导体材料是以共价键的形式来进行键结的，因此材料里的价电子(valence electrons)，将占满位于价带(valence band)的能阶，价电子必须吸收超过其能隙(energy gap)的能量才能跃升至导带(conducting band)的能阶。这样的特性除了可以使自由电子数目增加，造成导电性增加，此外也使得原来价电子所在的价带上留下一个电洞(electron holes)，这个电动会带正电荷，可以帮助导电，所以半导体材料所具备的导电度将是导带电子与价带电洞所产生的总和。

传统半导体材料借由掺质可以调整半导体材料原先所具有的电性。如果在周期表第四族的半导体材料中掺杂了一些第五族的元素，可以造成材料中的负电子增加，此类非半质半导体称为N型半导体；如果在周期表第四族的半导体材料中掺杂一些第三族的元素，可以造成材料中正电子数目增加，此种非半质半导体称为P型半导体。

传统半导体块材例如金属费米能阶附近的电子能量是连续的。当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能阶附近的电子能量由连续状态变为离散的不连续能阶。另外，在半导体的纳米颗粒，它的填满电子之最高被占据分子轨域(Highest Occupied Molecular Orbltal，简称HOMO)和没有电子的最低未占据分子轨域(Lowest Unoccupied MoIecula Orbital，简称LUMO)是不连续的，此种能阶变宽，变成不连续的现象，均称为量子尺寸效应。对传统半导体块材而言，它有无限个原子，导电的电子数N亦可视为无限大，则其能阶间距6E趋近于零。