多个局部温度载荷下压电半导体纤维杆的压电电子学行为分析

发布时间：2024-02-18 04:15

　　温度改变产生的极化电势可对压电半导体结构内的物理量进行有效调控,这在穿戴电子器件及与温度相关的半导体电子器件中有重要工程应用价值.本文针对在多个局部均匀温度变化作用下的压电半导体杆结构,采用一维热压电半导体多场耦合方程,基于线性化的漂移-扩散(drift-diffusion)电流模型导出了问题的解析解.以两个局部温度载荷情况为例,数值分析了局部温度改变对压电半导体内位移、电势、电位移、极化强度、载流子分布等物理场的影响.对于温度改变较大的情况,在COMSOL软件的PDE模块中,采用非线性电流模型,进行数值模拟.研究结果表明:由于两个局部区域的温度改变,在半导体杆内形成了局部势垒和势阱,不同的温度改变量和作用区域会产生不同高度/深度的势垒/势阱,为基于压电半导体的热压电电子学器件结构设计提供了理论指导.

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【部分图文】：

图1压电半导体纤维杆示意图(6mm)

在此前的工作[30-32]中导出的热压电半导体纤维杆的一维方程仍然适用,其详细推导过程在这里不再赘述,仅列出与本文相关的方程.考虑如图1所示的一根均匀掺杂的具有6mm对称性的压电半导体细长杆,其极化方向沿着轴向x3.在初始参考温度Θ0下,压电半导体内部的施主和受主密度分别为ND....

图2压电半导体杆受局部温度载荷作用示意图

下面以如图2(b)所示的2个局部温度载荷作用的情况为例,这时共有5个求解区域(x<-l1,-l1<x<-b,|x|<b,b<x<l2和l2<x,其中l1=b+a1l2=b+a2),边界条件和界面连续条件是此外,我们选择无穷远处作为零位移和零电势的参考点,即

图3温度改变下各机电场(a)电势φ;(b)电位移D3;(c)电极化P3;(d)有效极化电荷密度ρP;(e)电子密度增量?n;(f)总电荷密度

当温度变化量较大时,上述线性化的解不再适用.这里使用本构方程(4)中的非线性电流模型,在COMSOL的PDE模块中对其进行数值模拟计算实际建模过程要求结构是有限长度的,这里取杆长2L=8.4μm.初始载流子密度取为n0=1020m-3,温度改变量θ=θ1=-θ2=1,5,10K....

图3温度改变下各机电场(a)电势φ;(b)电位移D3;(c)电极化P3;(d)有效极化电荷密度ρP;(e)电子密度增量?n;(f)总电荷密度(续)

图3温度改变下各机电场(a)电势φ;(b)电位移D3;(c)电极化P3;(d)有效极化电荷密度ρP;(e)电子密度增量?n;(f)总电荷密度图4较大温度变化下压电半导体内电势φ分布

本文编号：3901882