层状压电半导体结构的多场耦合力学行为分析

发布时间：2020-10-11 18:27

　　 压电半导体兼具压电性与半导体特性双重物理属性,是未来构建新型功能化、智能化元器件的理想材料,在信息、能源、生物、医疗和航空航天等领域具有巨大应用价值。层状结构是压电半导体器件中一种常用的结构形式。从理论上研究层状压电半导体结构的变形-极化-载流子多场耦合力学行为,对半导体器件的设计与开发至关重要。本文基于连续介质力学理论与半导体物理学基础,针对N层压电半导体复合板结构,采用Mindlin型级数展开技术,从结构的三维方程出发,并考虑在小扰动载流子增量的情况下对载流子的非线性漂移电流项进行线性化处理,把位移、电势和增量载流子浓度展开为厚度坐标的幂级数形式,导出了压电半导体层合板结构二维简化理论的基本方程。采用所建立的二维简化理论,以具体由银/n型氧化锌/铝/PET基底组成的层状压电半导体复合结构为对象,考虑电学开路条件,分别研究了其在受恒定荷载作用下的柱面静力弯曲和受周期荷载作用下的柱面稳态弯曲响应问题,导出了结构内位移、电势、电场、电位移和电子浓度分布等物理量的解析表达式。数值结果表明:外力大小、激励频率以及初始载流子浓度对结构的多场耦合力学行为有显著的调控作用。本文的研究结果为分析压电半导体器件提供了理论依据,具有重要的工程指导价值。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN303;O342
【部分图文】：

?第丨章绪论??如图１．２所示：当ＺｎＯ纳米线外接电路时，在外载荷的作用下由于压电效应而产生电流，这是??纳米发电机等器件的基本工作原理［２３］。常见的压电半导体包括：元素晶体硒（Ｓｅ）和碲（Ｔｅ）；??特定类型的三元化合物，如淡红银矿（Ａｇ３ＡｓＳ３）等；ＩＩＩ－Ｖ族化合物：如氮化镓（ＧａＮ）、砷化??镓（ＧａＡｓ）、氮化铟（ＩｎＮ）等；ＩＩ－ＶＩ族化合物：如氧化锌（ＺｎＯ）、硫化锌（ＺｎＳ）、硫化镉（ＣｄＳ）??等；掺杂的钬酸钡（ＢａＴｉ０３）以及特定类型的铅系压电陶瓷１２４］。??（０００１?）－Ｚｎ?ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ?ｐｏｌａｒ?ｐｌａｎｅ??ｆ?Ｑ?＾??（００〇ｉ＂）－０?ｔｅｒｍｉｎａｉｅｄ?ｐｏｌａｒ?ｐｌａｎｅ?个?Ｆ??（ａ）?（ｂ）??图１．１氧化锌的晶体结构与其压电机理［２２１。???？???Ｐｉｅ２〇ｐｏｔｅｎｔ？ａｌ??（ｔｅｎｓｉｌｅ?ｓｔｒａｉｎ）???■?￣ｍ?ｍ——ｉｉ??Ｍｅｔａｌ?ＺｎＯ?Ｍｅｔａｌ???？???Ｐｉｅｚｏｐｏｔｅｎｔｉａｌ??（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ?ｓｔｒａｉｎ）??ｉｓ?ｗ?ｍｚｚｉｚｉ??图１．２压电势驱动外接电路中的电子形成电流ｌ２３］。??１．３压电电子学的物理机制??压电电子学效应是佐治亚理工学院王中林教授课題组在下面两个探究性实验中发现的??【２５＞２６］。第一个是压电场效应晶体管（ＰＥ－ＦＥＴ）受弯曲时的电传输实验。第二个是压电二极管??（ＰＥ－Ｄｉｏｄｅ）的电传输实验。他们在第一个实验中观测到：隨着弯曲程度的增加，晶体管内氧??化梓纳米线的导电性急剧下降

的基本工作原理［２３］。常见的压电半导体包括：元素晶体硒合物，如淡红银矿（Ａｇ３ＡｓＳ３）等；ＩＩＩ－Ｖ族化合物：如氮化（ＩｎＮ）等；ＩＩ－ＶＩ族化合物：如氧化锌（ＺｎＯ）、硫化锌（ＺｎＳ）（ＢａＴｉ０３）以及特定类型的铅系压电陶瓷１２４］。??ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ?ｐｏｌａｒ?ｐｌａｎｅ??ｆ?Ｑ?ｒｍｉｎａｉｅｄ?ｐｏｌａｒ?ｐｌａｎｅ（ａ）?（ｂ）??图１．１氧化锌的晶体结构与其压电机理［２２１。??????

并把这种由应力产生的压电势调控载流子传输性质的现象称为压电电子学效应。??此外，王中林教授还基于压电半导体中的压电性、半导体属性和光激发现象及其耦合作用，??描绘了压电半导体材料的潜在应用蓝图，如图１．３｜２２］所示。????Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?Ｙ?Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ????Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｉｒｎａ？ｉｎ８?ｓｅｎｓｏｒｓ?ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ???ｓｅｎｓｏｒｓ??Ａ??ｄｅｖｉｃｅｓ」??Ｆｏｒｃｅ?Ｌ?＿，一?－?一、■??丨?ｓｅｎｆｒｓ?］?Ｐｉｅｚｏ－ｐｈｏｔｏｔｒｏｎｉｃｓ?Ｍ，ｃｒｏｆｌｕｉｄ，ｃｓ??Ａｃｔｉｖｅ?ＦｓＦｌ??ｆｌｅｘｉｂｌｅ?、、?Ｎａｎｏ＊??ｅｌｅｃｔｒｏ－ｉｃｓ?／?＇?ｒｏｂｏｔｉｃｓ??￣ｒ?（?＼?Ｓ－Ｊ??ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ?＆?ｆ?＿?■?ｇｙｌ?、?Ｐｈｏｔｏｎ??ｔｒａ－ｉ?－ｄｕ－－．
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本文编号：2836958