压电半导体三点弯曲模型数值分析

发布时间：2020-10-21 02:27

　　 随着科学技术的发展和世界环境问题的日益严峻,汽车工业正朝着电动化,智能化和轻量化方向发展。新一代半导体材料GaN、ZnO等具有宽禁带、高击穿电场、高迁移率等优点,正逐渐代替传统半导体材料运用到新能源汽车的电力驱动部分。同时,由于这类材料兼具压电性能,还可以制作成各种传感器和触发器应用到汽车的电子控制系统。但对压电半导体力、电耦合性能的研究还相对较少,其使用过程中的可靠性缺乏理论指导。三点弯曲试验是研究材料强度和断裂问题的一种基本方法。为了与相关试验相对应,本文以压电半导体Ga N为研究对象,建立三点弯曲模型,运用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics,并结合半导体和压电材料的相关知识,对压电半导体的强度及其断裂问题进行数值仿真分析,主要工作如下:1.基于压电半导体严格的控制方程、本构方程和边界条件,通过数值仿真得到不同极化方向时介质内应力、电位移和电流密度随外加载荷的变化规律。非线性本构方程与线性化处理的本构方程相应的结果进行对比,分析线性化处理带来的影响。考虑半导体器件在实际应用过程中与金属接触形成的边界问题,研究欧姆接触和肖特基接触两种电边界条件对抗弯强度的影响。2.在本构方程线性化条件下,研究不同极化方向时裂纹尖端应力、电位移和电流强度因子随外加载荷的变化规律,结合数值结果用最小二乘法拟合得到三种强度因子的表达式。对比线性和非线性方程计算结果之间的差异。运用J积分分析非线性断裂问题,给出压电半导体的局部J积分J_l,并研究J_l随外加载荷的变化规律。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U463.6;TN303
【部分图文】：

图 2.2 三点弯曲模型样长度 l 40mm,宽度 b 4mm,高度 w 3mm选取的跨距为 s 3出的三点弯曲模型的弯曲强度计算公式为：2f23bwFs ， f ——弯曲强度，单位兆帕（MPa）， ——夹具的下跨距，单位毫米（mm）， ——外加集中力载荷，单位牛顿（N）；于标准中的测试方法及强度计算公式是针对纯弹性材料的，而压的力学和电学性能，使得纯弹性的理论并不一定能准确的检测出度。因此我们从压电半导体的基本方程出发，计算出材料内部各加载荷之间的关系，并对压电半导体的强度问题进行分析。但是的基本方程有很强的非线性，使得分析求解这类问题变的非常困

其 x 方向自由。对于其它边界均不施加约束。图 2.3 试样加载模型图2.4给出了试样模型的网格划分情况，模型采用映射的四边形网格划分。由于上下表面有较大的载流子变化，对网格的要求比较高。为了使计算结果做够精确并且最大程度的减少计算时间，在上下表面附近划分的网格较密，在远离边界的中间区域网格可以划分的较为稀疏。图 2.4 模型的网格划分2.4 欧姆接触边界条件下数值分析上节我们介绍了金属和半导体之间接触形成的两种电边界条件，在相同加载条件下两种类型的接触会导致半导体的伏安特性，载流子分布和电场分布的电压 Va试样加载力 F金属电极exyo

0,0,0,/2;DJywyyxyyny 肖特基结的存在，数值模型在进行网格划分时必须要考虑特征尺是由于金属和半导体内部的电子及空穴载流子都带有电荷，根据异性相吸的规律，任一带电粒子总是被一些异性粒子包围，所以作用在一定的距离内，超过这个距离，基本上就被周围异性粒子。因此，对于两个带电的粒子只有彼此之间距离小于德拜长度时作用的电力。德拜长度可以用以下关系式表示[63]：,D2BDqNkTL (表示掺杂浓度， 表示半导体的绝对介电常数(2.5)给出了数值模型的网格划分情况，对金属与半导体接触界面密，使其小于德拜长度。由于 y 极化方向时试样上下表面会聚集们也对其进行了加密处理。
【参考文献】

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本文编号：2849502