一种压电PN结的输出性能调控方法和装置

本发明属于压电半导体材料，更具体地，涉及一种压电pn结的输出性能调控方法和装置。

背景技术：

1、压电材料具有压电效应，受到外力作用产生变形时能够产生极化电荷或者在外加电场时能够发生形变，其中石英晶体、锆钛酸铅等材料已被广泛应用于振荡器、滤波器、传感器、换能器中，但由于一般压电材料具有绝缘性，极大限制了压电材料在电子电路领域的发挥。以氧化锌(zno)和氮化镓(gan)为代表的第三代半导体材料所具备的压电性能被不断发掘，为压电材料在电子电路领域的研究开启了新篇章。通常将这类同时拥有半导体特性和压电特性的功能材料统一称为压电半导体材料，近年来其在半导体领域内成为一个新的研究热点。

2、压电半导体材料内部存在丰富的载流子，在接入电路后，载流子在外加电场的作用下定向移动，从而导通电路并形成电流。由此可见，压电半导体材料的电学特性与其内部载流子的分布情况息息相关，而载流子的分布亦会随着其内部电场的改变而改变，可以利用外加载荷或变形产生正压电效应或施加外电压产生逆压电效应改变电场分布，进一步重建载流子分布，最终实现对其相关电学特性的调控或产生符合预期的变形。正是凭借独特的力-电-载流子耦合特性，压电半导体同时拥有了简单方便的信号转换机制与灵活高效的人工调控方法，在许多新型先进电子器件的设计和研发中均能占据一席之地，如压电场效应晶体管、压电二极管和三极管、纳米发电机、压电发光器与激光器、以及应变传感器等都是其应用场景。

3、压电pn结作为压电半导体器件的核心组成部分，决定了其导电特性和工作方式。然而，现有技术中无法对压电pn结的传输性能进行调节，进而限制了压电pn结进一步应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种压电pn结的输出性能调控方法和装置，其目的在于，解决现有技术中无法对压电pn结的传输性能进行调节的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种压电pn结的输出性能调控方法，包括：

3、s1：将压电pn结设置在绝缘基板的上表面，并与所述上表面的加载区域二者固定连接；所述压电pn结包括：受主掺杂的p型区域和施主掺杂的n型区域；

4、s2：在所述压电pn结上施加正向偏压；

5、s3：向所述压电pn结模块中的绝缘基体施加均布力加载的机械载荷，以在所述加载区域内部产生抛物线分布的非均匀应变，使得所述加载区域内诱导出表面极化电荷与压电电荷；

6、s4：通过调节所述正向偏压的大小、所述加载区域的轴向长度、所述绝缘基板的轴向长度和所述机械载荷的大小中的至少一个实现对所述压电pn结的输出性能的调控。

7、进一步地，所述s4包括：固定所述正向偏压v＝0.6v、所述机械载荷并将所述绝缘基体的轴向长度lw设置为5.5l0至6.5l0，将l/l0设置2.75时所述压电pn结的输出性能达到最优调节范围；其中，2l为加载区域的轴向长度，2lw为绝缘基体的轴向长度，l0为所述n型区域的耗尽层宽度。

8、进一步地，所述s4包括：固定所述正向偏压、所述机械载荷并将所述绝缘基体的轴向长度lw设置为lw＝5.9l0，将l/l0设置2.75时所述压电pn结的输出电流达到峰值。

9、进一步地，所述s4还包括：将所述绝缘基体的轴向长度设置为所述n型区域的耗尽层宽度l0的预设倍数。

10、进一步地，所述s4包括：固定所述加载区域的轴向长度、所述绝缘基板的轴向长度；将所述正向偏压设置为0.6v且所述机械载荷q设置为q＝9.5q0时，所述压电pn结的输出电流达到峰值，q0为预设均布荷载的参考值。

11、进一步地，所述s4还包括：将所述正向偏压低于0.6v且所述机械载荷q设置为q＝10q0时，所述压电pn结的输出电流达到峰值。

12、按照本发明的另一个方面，本发明还提供一种压电pn结的输出性能调控装置，包括：

13、绝缘基板，压电pn结设置在所述绝缘基板的上表面，并与所述上表面的加载区域二者固定连接；所述压电pn结包括：受主掺杂的p型区域和施主掺杂的n型区域；

14、电压施加模块，与所述压电pn结电连接，用于在所述压电pn结上施加正向偏压；

15、载荷施加模块，与所述绝缘基体连接，用于向所述绝缘基体施加均布力加载的机械载荷，以在所述加载区域内部产生抛物线分布的非均匀应变，使得所述加载区域内诱导出表面极化电荷与压电电荷；

16、其中，通过调节所述正向偏压的大小、所述加载区域的轴向长度、所述绝缘基板的轴向长度和所述机械载荷的大小中的至少一个实现对所述压电pn结的输出性能的调控。

17、按照本发明的另一个方面，本发明还提供一种压电pn结的输出性能调控系统，包括：

18、所述的压电pn结的输出性能调控装置；

19、控制装置，与所述压电pn结的输出性能调控装置连接，用于调节所述正向偏压的大小、所述加载区域的轴向长度、所述绝缘基板的轴向长度和所述机械载荷的大小中的至少一个实现对所述压电pn结的输出性能的调控。

20、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

21、(1)本发明提供了一种压电pn结的输出性能调控方法，向绝缘基体施加机械载荷引发压电pn结加载区域内的变形。机械载荷的具体形式为均布力加载，通过调节所述正向偏压的大小、所述加载区域的轴向长度、所述绝缘基板的轴向长度和所述机械载荷的大小中的至少一个，可以调节加载区内部产生抛物线分布的非均匀应变量的大小，进而使得非均匀应变在加载区域内诱导出表面极化电荷与空间压电电荷，进一步地使界面处负向内建电场得以重构，促进了两侧多子与少子的跨界面复合，最终使压电pn结的输出性能更优。本发明提供了一种能有效提高压电pn结电子器件灵敏度的机械加载的调控方法。通过调节加载区域变形可使衡量结构对变形的感知灵敏度的gauge因子突破104量级，并有效扩宽了器件的传感感知范围及应用领域，极大提高了压电pn结传感器件的工作性能。

22、(2)本方案中给出了在固定所述正向偏压v＝0.6v、所述机械载荷并将所述绝缘基体的轴向长度lw设置为5.5l0至6.5l0，将l/l0设置2.75时所述压电pn结的输出性能达到最优调节范围；需要说明的是，将lw/l0设置5.9时所述压电pn结的输出电流达到峰值。上述方案通过方便灵活地进行尺寸优化，有利于调控压电pn结电学特性。

23、(3)本方案所述绝缘基体的轴向长度以及加载区域长度为所述n型区域的耗尽层宽度l0的预设倍数，如此设计，可以更加方便灵活地进行尺寸优化，更有利于调控压电pn结输出特性；其中，可以更加有效地调控压电pn结界面处的势垒构型，有利于掌握界面位置的载流子输运过程与多子与少子电流的转化规律。

24、(4)本方案固定所述加载区域的轴向长度、所述绝缘基板的轴向长度；将所述正向偏压设置为0.6v且所述机械载荷q设置为q＝9.5q0时，所述压电pn结的输出电流达到峰值，q0为预设均布荷载的参考值；本方案中通过单独调节机械载荷的大小，实现压电pn结输出特性的调控，操作简单，调控效果明显。

25、(5)本方案固定所述加载区域的轴向长度、所述绝缘基板的轴向长度；将所述正向偏压低于0.6v且所述机械载荷q设置为q＝10q0时，所述压电pn结的输出电流达到峰值；本方案中通过同时调节机械载荷的大小和正向偏压的大小，实现高效快捷地对压电pn结输出特性进行调控。