超高灵敏度的压电三极管

摘要

随着世界能源危机现象日益严重和人们环境保护的意识愈发增长，人们在现代科技中除了运用各种化学能源、风能、太阳能等宏观意义上的能源，在微纳电子器件我们同样需要能源来持续的能量供给，来实现各种各样复杂的功能。然而在微观电子系统中，电源的尺寸几乎就决定了整个系统的大小。我们迫切需要能够在其所在的环境中能量对系统进行持续供电。科学家发现具有纤锌矿结构半导体材料同时具有压电性与半导体性质，通过二者性能的耦合，实现了在微纳器件中的自供能技术，进而开创了压电电子学这一创新领域。 由于晶体的非中心对称结构造成的离子极化，例如 ZnO、GaN 以及 InN，在外界施加应变的情况下会产生压电电势。利用晶体内部的压电电势来调节或控制金属-半导体或者p-n结界面的载流子传输行为来进行的电子器件制造称为压电电子学。这不同于互补金属氧化物半导体场效应晶体管的基本设计原理，应用于制动力或压力引起和控制的电子设备、传感器、微电子机械系统、人机接口、纳米机器人、触摸板技术。在这里我们研究电子设备中的电荷传输理论，除了展示正式的理论框架之外，同样呈现了在简化的条件下包括金属-半导体接触和p-n结的案例。 压电材料在传感器、制动器、和能量采集方面有着广泛的应用。最被熟知的压电材料是PZT和石英，其绝缘和非半导体的特性限制了在电子和光子器件的应用。近些年来，纤锌矿中族的一类压电半导体材料，例如 ZnO、GaN、InN 以及CdS 被广泛关注。由于兼具压电和半导体性质，压电半导体纳米、微米线已经被作为制造创新性器件的基本构建，例如压电纳米发电机、压电场效应晶体管、压电二极管、压电化学传感器以及压电向光设备。因此，基于压电半导体特性，形成了压电电子学这一新兴的领域，它利用晶体内产生的压电电势影响来控制和调整载流子传输特性进而制造机械电子器件，并且在微机电系统、纳米机器人、人机接口以及传感器方面有着潜在的应用。 本文通过对利用压电电子学理论，分析材料的压电特性，压电电荷对p-n结区的影响，二极管以及双极型晶体管的特性作为理论基础。对GaN压电二极管进行模拟仿真，分析应变条件下的伏安特性曲线、电子空穴浓度曲线以及掺杂浓度对其影响。通过 COMSOL 软件仿真模拟新型电子器件，即纳米压电双极型晶体管，运用n-p-n双极型晶体管具有的直流放大效应，结合外界施加的可以改变p-n结中载流子传输的特性的应变，二者相互结合使得形成纳米尺寸范围内，通过应变大大增加双极型晶体管的电流放大效应，发展具有超高灵敏度的电子器件原理，从而为以后的新型纳米压电器件的创新设计提供了理论基础。

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