一种基于压电半导体复合薄膜的开关元件设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压电半导体复合薄膜的开关元件设计方法，通过利用外部横向载荷对压电半导体复合薄膜中的电流进行调控的器件原理设计一种机械开关，包括：建立压电半导体复合薄膜弯曲变形和剪切变形的物理模型及控制方程；根据控制方程和边界条件，利用数值分析软件分析所述压电半导体复合薄膜在受到不同大小横向载荷时的电流

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电半导体复合薄膜的开关元件设计方法


[0001]本专利技术涉及压电半导体
，尤其是涉及一种基于压电半导体复合薄膜的开关元件设计方法。

技术介绍

[0002]电子工业兴起于二十世纪中叶，并迅速发展为当今世界上最大的工业领域之一，诸如二极管、三极管、场效应管等电子元件作为电子工业的基础得到了迅速的发展。众所周知，晶体管整流、开关、稳压、信号调制等功能的实现均离不开半导体材料特殊的物理性质，这使得半导体材料在电子工业领域扮演着至关重要的角色。
[0003]目前市面上常规的机械开关经常会出现按键卡死或按键行程较小的困扰，反复按压也使得触摸按压的敏感度不高，使用寿命短，机械结构复杂。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于压电半导体复合薄膜的开关元件设计方法，该方法利用横向载荷对压电半导体复合薄膜中的电流进行调控，从而设计出结构简单、耐用性好、可靠、灵敏、精度高且能适应恶劣环境的开关元件。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，一种基于压电半导体复合薄膜的开关元件设计方法，包括下列步骤：S1、建立压电半导体复合薄膜弯曲和剪切变形的物理模型以及压电半导体复合薄膜关于弯曲变形、剪切变形、面内电势和载流子浓度扰动的控制方程；所述的压电半导体复合薄膜弯曲和剪切变形的物理模型为连接有外接电源的压电半导体复合薄膜，所述的连接有外接电源的压电半导体复合薄膜包括中间层、位于中间层上表面的上层以及位于中间层下表面的下层，所述中间层为非压电半导体层，所述上层和下层均为压电电介质层，所述外接电源的正极与所述非压电半导体层的一端连接，所述外接电源的负极与所述非压电半导体层的另一端连接，以所述压电半导体复合薄膜形心为o点建立o
‑
x1x2x3空间坐标系，x1轴和x2轴在所述压电半导体复合薄膜的中性面上，压电半导体复合薄膜沿x1轴方向长为b，压电半导体复合薄膜沿x2轴方向长为a，x3轴在压电半导体复合薄膜厚度方向上，且x1轴、x2轴和x3轴组成右手坐标系，压电电介质层沿x3轴极化，其中所述压电半导体复合薄膜厚度为2h，压电电介质层厚度为2h2，非压电半导体层厚度为2h1；S2、根据建立的所述控制方程以及压电半导体复合薄膜的边界条件，施加不同大小的横向载荷于压电半导体复合薄膜，利用数值分析方法得到压电半导体复合薄膜在受到不同大小横向载荷时的电流
‑
电压关系；S3、根据得到的电流
‑
电压关系，得到压电半导体复合薄膜中电流导通时所对应的横向载荷的大小以及压电半导体复合薄膜中电流截止时所对应的横向载荷的大小，并据此调控压电半导体复合薄膜中电流的导通或截止。
[0006]本专利技术的有益效果是：压电半导体复合薄膜的压电电介质层受到横向载荷作用
时，横向载荷通过压电效应产生电极化，进而显著地影响非压电半导体层中的载流子分布；当电压较低时，空穴的运动被势垒阻挡，此时压电半导体复合薄膜的非压电半导体层内部的电流为零；当电压超过一定范围时，电流可以继续流通；通过横向载荷来调控压电半导体复合薄膜中电流的导通或截止，那么施加有横向载荷的压电半导体复合薄膜就能作为一个开关器件来取代现有技术中存在的机械开关，相比于现有技术中存在的机械开关，施加有横向载荷的压电半导体复合薄膜作为机械开关来说，其结构简单，不会出现按键卡死或按键行程较小的困扰，即耐用性好，可靠性强；也不会出现反复按压而使得触摸按压的敏感度不高的情况，即灵敏度高；并且通过精准地施加横向载荷来调控压电半导体复合薄膜中电流的导通或截止，导致得到的该机械开关的精度高，能够适应很多复杂的环境。
[0007]作为优选，在步骤S1中，所述的压电半导体复合薄膜关于弯曲变形、剪切变形、面内电势和载流子浓度扰动的控制方程为：；其中，用于描述弯曲变形，和用于描述剪切变形，表示电势的分量，Δn表示电子的浓度扰动，Δp表示空穴的浓度扰动，n0表示电子的掺杂浓度，p0表示空穴的掺杂浓度，表示等效弹性常数，p和q的取值范围为1~6，上标n的取值为0或2，表示等效介电常数，表示等效压电常数，和表示等效质量密度，、以及表示面力的合矢量，表示等效电子迁移率，表示等效空穴迁移率，表示等效电子扩散常数，表示等效空穴扩散常数，表示等效电荷密度，下标“,i”表示该变量对x
i
轴方向求偏导数，即，i的取值范围为1~3。
[0008]作为优选，在步骤S2中，所述压电半导体复合薄膜的边界条件为：；其中，为边界上给定的电压。
[0009]作为优选，在步骤S1中，建立压电半导体复合薄膜关于弯曲变形、剪切变形、面内电势和载流子浓度扰动的控制方程的具体过程包括下列步骤：S1.1、当压电半导体复合薄膜受到横向载荷作用时，位移场u
i
、电势φ、电子的浓
度扰动Δn以及空穴的浓度扰动Δp表示为：；S1.2、建立梯度关系为：；其中，S
ij
表示应变张量，j的取值范围为1~3，E
i
表示电场矢量；S1.3、将步骤S1.1中位移场u
i
和电势φ的表达式代入步骤S1.2建立的梯度关系中，得到应变张量的分量和电场矢量的分量为：；S1.4、建立所述压电半导体复合薄膜的二维场方程：；其中，表示应力的合矢量，表示电位移的合矢量，和表示电流密度的合矢量，且满足：；其中，T
ij
表示应力，D
i
表示电位移，和表示电流密度，ρ表示质量密度，q表示元电荷；S1.5、建立所述压电半导体复合薄膜的二维本构关系：；其中，等效材料常数定义为：
；c
pq
和均表示弹性常数，p和q的取值范围为1~6，ε
ij
和均表示介电常数，表示压电常数，和分别表示电子和空穴的迁移率，和分别表示电子和空穴的扩散常数；S1.6、将所述压电半导体复合薄膜的二维本构关系代入所述压电半导体复合薄膜的二维场方程中，得到所述压电半导体复合薄膜关于弯曲变形、剪切变形、面内电势和载流子浓度扰动的控制方程为：。
附图说明
[0010]图1为本专利技术中压电半导体复合薄膜弯曲和剪切变形的物理模型的示意图；图2为本专利技术中施加不同大小横向载荷时压电半导体复合薄膜的无量纲电压和无量纲电流的关系示意图。
具体实施方式
[0011]以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述专利技术，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本专利技术保护范围并不受限于该具体实施方式。
[0012]本领域技术人员应理解的是，在本专利技术的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本专利技术的限制。
[0013]此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电半导体复合薄膜的开关元件设计方法，其特征在于：包括下列步骤：S1、建立压电半导体复合薄膜弯曲和剪切变形的物理模型以及压电半导体复合薄膜关于弯曲变形、剪切变形、面内电势和载流子浓度扰动的控制方程；所述的压电半导体复合薄膜弯曲和剪切变形的物理模型为连接有外接电源的压电半导体复合薄膜，所述的连接有外接电源的压电半导体复合薄膜包括中间层、位于中间层上表面的上层以及位于中间层下表面的下层，所述中间层为非压电半导体层，所述上层和下层均为压电电介质层，所述外接电源的正极与所述非压电半导体层的一端连接，所述外接电源的负极与所述非压电半导体层的另一端连接，以所述压电半导体复合薄膜形心为o点建立o
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x1x2x3空间坐标系，x1轴和x2轴在所述压电半导体复合薄膜的中性面上，压电半导体复合薄膜沿x1轴方向长为b，压电半导体复合薄膜沿x2轴方向长为a，x3轴在压电半导体复合薄膜厚度方向上，且x1轴、x2轴和x3轴组成右手坐标系，压电电介质层沿x3轴极化，其中所述压电半导体复合薄膜厚度为2h，压电电介质层厚度为2h2，非压电半导体层厚度为2h1；S2、根据建立的所述控制方程以及压电半导体复合薄膜的边界条件，施加不同大小的横向载荷于压电半导体复合薄膜，利用数值分析方法得到压电半导体复合薄膜在受到不同大小横向载荷时的电流
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电压关系；S3、根据得到的电流
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电压关系，得到压电半导体复合薄膜中电流导通时所对应的横向载荷的大小以及压电半导体复合薄膜中电流截止时所对应的横向载荷的大小，并据此调控压电半导体复合薄膜中电流的导通或截止。2.根据权利要求1所述的一种基于压电半导体复合薄膜的开关元件设计方法，其特征在于：在步骤S1中，所述的压电半导体复合薄膜关于弯曲变形、剪切变形、面内电势和载流子浓度扰动的控制方程为：；其中，用于描述弯曲变形，和用于描述剪切变形，表示电势的分量，Δn表示电子的浓度扰动，Δp表示空穴的浓度扰动，n0表示电子的掺杂浓度，p0表示空穴的掺杂浓度，表示等效弹性常数，p和q的取值范围为1~6，上标n的取值为0或2，表示等效介电常数，表示等效压...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈毅林，陈晶博，宫蕾，曹勇，曹永辉，潘光，
申请(专利权)人：西北工业大学宁波研究院，
类型：发明
国别省市：