溫度改變產(chǎn)生的極化電勢可對壓電半導體結(jié)構(gòu)內(nèi)的物理量進行有效調(diào)控,這在穿戴電子器件及與溫度相關的半導體電子器件中有重要工程應用價值.本文針對在多個局部均勻溫度變化作用下的壓電半導體桿結(jié)構(gòu),采用一維熱壓電半導體多場耦合方程,基于線性化的漂移-擴散(drift-diffusion)電流模型導出了問題的解析解.以兩個局部溫度載荷情況為例,數(shù)值分析了局部溫度改變對壓電半導體內(nèi)位移、電勢、電位移、極化強度、載流子分布等物理場的影響.對于溫度改變較大的情況,在COMSOL軟件的PDE模塊中,采用非線性電流模型,進行數(shù)值模擬.研究結(jié)果表明:由于兩個局部區(qū)域的溫度改變,在半導體桿內(nèi)形成了局部勢壘和勢阱,不同的溫度改變量和作用區(qū)域會產(chǎn)生不同高度/深度的勢壘/勢阱,為基于壓電半導體的熱壓電電子學器件結(jié)構(gòu)設計提供了理論指導.

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【部分圖文】：

圖1壓電半導體纖維桿示意圖(6mm)

在此前的工作[30-32]中導出的熱壓電半導體纖維桿的一維方程仍然適用,其詳細推導過程在這里不再贅述,僅列出與本文相關的方程.考慮如圖1所示的一根均勻摻雜的具有6mm對稱性的壓電半導體細長桿,其極化方向沿著軸向x3.在初始參考溫度Θ0下,壓電半導體內(nèi)部的施主和受主密度分別為ND....

圖2壓電半導體桿受局部溫度載荷作用示意圖

下面以如圖2(b)所示的2個局部溫度載荷作用的情況為例,這時共有5個求解區(qū)域(x<-l1,-l1<x<-b,|x|<b,b<x<l2和l2<x,其中l(wèi)1=b+a1l2=b+a2),邊界條件和界面連續(xù)條件是此外,我們選擇無窮遠處作為零位移和零電勢的參考點,即

圖3溫度改變下各機電場(a)電勢φ;(b)電位移D3;(c)電極化P3;(d)有效極化電荷密度ρP;(e)電子密度增量?n;(f)總電荷密度

當溫度變化量較大時,上述線性化的解不再適用.這里使用本構(gòu)方程(4)中的非線性電流模型,在COMSOL的PDE模塊中對其進行數(shù)值模擬計算實際建模過程要求結(jié)構(gòu)是有限長度的,這里取桿長2L=8.4μm.初始載流子密度取為n0=1020m-3,溫度改變量θ=θ1=-θ2=1,5,10K....

圖3溫度改變下各機電場(a)電勢φ;(b)電位移D3;(c)電極化P3;(d)有效極化電荷密度ρP;(e)電子密度增量?n;(f)總電荷密度(續(xù))

圖3溫度改變下各機電場(a)電勢φ;(b)電位移D3;(c)電極化P3;(d)有效極化電荷密度ρP;(e)電子密度增量?n;(f)總電荷密度圖4較大溫度變化下壓電半導體內(nèi)電勢φ分布

本文編號：3901882