本發(fā)明屬于壓電半導(dǎo)體材料，更具體地，涉及一種壓電pn結(jié)的輸出性能調(diào)控方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、壓電材料具有壓電效應(yīng)，受到外力作用產(chǎn)生變形時能夠產(chǎn)生極化電荷或者在外加電場時能夠發(fā)生形變，其中石英晶體、鋯鈦酸鉛等材料已被廣泛應(yīng)用于振蕩器、濾波器、傳感器、換能器中，但由于一般壓電材料具有絕緣性，極大限制了壓電材料在電子電路領(lǐng)域的發(fā)揮。以氧化鋅(zno)和氮化鎵(gan)為代表的第三代半導(dǎo)體材料所具備的壓電性能被不斷發(fā)掘，為壓電材料在電子電路領(lǐng)域的研究開啟了新篇章。通常將這類同時擁有半導(dǎo)體特性和壓電特性的功能材料統(tǒng)一稱為壓電半導(dǎo)體材料，近年來其在半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)成為一個新的研究熱點。

2、壓電半導(dǎo)體材料內(nèi)部存在豐富的載流子，在接入電路后，載流子在外加電場的作用下定向移動，從而導(dǎo)通電路并形成電流。由此可見，壓電半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性與其內(nèi)部載流子的分布情況息息相關(guān)，而載流子的分布亦會隨著其內(nèi)部電場的改變而改變，可以利用外加載荷或變形產(chǎn)生正壓電效應(yīng)或施加外電壓產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)改變電場分布，進一步重建載流子分布，最終實現(xiàn)對其相關(guān)電學(xué)特性的調(diào)控或產(chǎn)生符合預(yù)期的變形。正是憑借獨特的力-電-載流子耦合特性，壓電半導(dǎo)體同時擁有了簡單方便的信號轉(zhuǎn)換機制與靈活高效的人工調(diào)控方法，在許多新型先進電子器件的設(shè)計和研發(fā)中均能占據(jù)一席之地，如壓電場效應(yīng)晶體管、壓電二極管和三極管、納米發(fā)電機、壓電發(fā)光器與激光器、以及應(yīng)變傳感器等都是其應(yīng)用場景。

3、壓電pn結(jié)作為壓電半導(dǎo)體器件的核心組成部分，決定了其導(dǎo)電特性和工作方式。然而，現(xiàn)有技術(shù)中無法對壓電pn結(jié)的傳輸性能進行調(diào)節(jié)，進而限制了壓電pn結(jié)進一步應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種壓電pn結(jié)的輸出性能調(diào)控方法和裝置，其目的在于，解決現(xiàn)有技術(shù)中無法對壓電pn結(jié)的傳輸性能進行調(diào)節(jié)的技術(shù)問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種壓電pn結(jié)的輸出性能調(diào)控方法，包括：

3、s1：將壓電pn結(jié)設(shè)置在絕緣基板的上表面，并與所述上表面的加載區(qū)域二者固定連接；所述壓電pn結(jié)包括：受主摻雜的p型區(qū)域和施主摻雜的n型區(qū)域；

4、s2：在所述壓電pn結(jié)上施加正向偏壓；

5、s3：向所述壓電pn結(jié)模塊中的絕緣基體施加均布力加載的機械載荷，以在所述加載區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生拋物線分布的非均勻應(yīng)變，使得所述加載區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)出表面極化電荷與壓電電荷；

6、s4：通過調(diào)節(jié)所述正向偏壓的大小、所述加載區(qū)域的軸向長度、所述絕緣基板的軸向長度和所述機械載荷的大小中的至少一個實現(xiàn)對所述壓電pn結(jié)的輸出性能的調(diào)控。

7、進一步地，所述s4包括：固定所述正向偏壓v＝0.6v、所述機械載荷并將所述絕緣基體的軸向長度lw設(shè)置為5.5l0至6.5l0，將l/l0設(shè)置2.75時所述壓電pn結(jié)的輸出性能達到最優(yōu)調(diào)節(jié)范圍；其中，2l為加載區(qū)域的軸向長度，2lw為絕緣基體的軸向長度，l0為所述n型區(qū)域的耗盡層寬度。

8、進一步地，所述s4包括：固定所述正向偏壓、所述機械載荷并將所述絕緣基體的軸向長度lw設(shè)置為lw＝5.9l0，將l/l0設(shè)置2.75時所述壓電pn結(jié)的輸出電流達到峰值。

9、進一步地，所述s4還包括：將所述絕緣基體的軸向長度設(shè)置為所述n型區(qū)域的耗盡層寬度l0的預(yù)設(shè)倍數(shù)。

10、進一步地，所述s4包括：固定所述加載區(qū)域的軸向長度、所述絕緣基板的軸向長度；將所述正向偏壓設(shè)置為0.6v且所述機械載荷q設(shè)置為q＝9.5q0時，所述壓電pn結(jié)的輸出電流達到峰值，q0為預(yù)設(shè)均布荷載的參考值。

11、進一步地，所述s4還包括：將所述正向偏壓低于0.6v且所述機械載荷q設(shè)置為q＝10q0時，所述壓電pn結(jié)的輸出電流達到峰值。

12、按照本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供一種壓電pn結(jié)的輸出性能調(diào)控裝置，包括：

13、絕緣基板，壓電pn結(jié)設(shè)置在所述絕緣基板的上表面，并與所述上表面的加載區(qū)域二者固定連接；所述壓電pn結(jié)包括：受主摻雜的p型區(qū)域和施主摻雜的n型區(qū)域；

14、電壓施加模塊，與所述壓電pn結(jié)電連接，用于在所述壓電pn結(jié)上施加正向偏壓；

15、載荷施加模塊，與所述絕緣基體連接，用于向所述絕緣基體施加均布力加載的機械載荷，以在所述加載區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生拋物線分布的非均勻應(yīng)變，使得所述加載區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)出表面極化電荷與壓電電荷；

16、其中，通過調(diào)節(jié)所述正向偏壓的大小、所述加載區(qū)域的軸向長度、所述絕緣基板的軸向長度和所述機械載荷的大小中的至少一個實現(xiàn)對所述壓電pn結(jié)的輸出性能的調(diào)控。

17、按照本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供一種壓電pn結(jié)的輸出性能調(diào)控系統(tǒng)，包括：

18、所述的壓電pn結(jié)的輸出性能調(diào)控裝置；

19、控制裝置，與所述壓電pn結(jié)的輸出性能調(diào)控裝置連接，用于調(diào)節(jié)所述正向偏壓的大小、所述加載區(qū)域的軸向長度、所述絕緣基板的軸向長度和所述機械載荷的大小中的至少一個實現(xiàn)對所述壓電pn結(jié)的輸出性能的調(diào)控。

20、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

21、(1)本發(fā)明提供了一種壓電pn結(jié)的輸出性能調(diào)控方法，向絕緣基體施加機械載荷引發(fā)壓電pn結(jié)加載區(qū)域內(nèi)的變形。機械載荷的具體形式為均布力加載，通過調(diào)節(jié)所述正向偏壓的大小、所述加載區(qū)域的軸向長度、所述絕緣基板的軸向長度和所述機械載荷的大小中的至少一個，可以調(diào)節(jié)加載區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生拋物線分布的非均勻應(yīng)變量的大小，進而使得非均勻應(yīng)變在加載區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)出表面極化電荷與空間壓電電荷，進一步地使界面處負向內(nèi)建電場得以重構(gòu)，促進了兩側(cè)多子與少子的跨界面復(fù)合，最終使壓電pn結(jié)的輸出性能更優(yōu)。本發(fā)明提供了一種能有效提高壓電pn結(jié)電子器件靈敏度的機械加載的調(diào)控方法。通過調(diào)節(jié)加載區(qū)域變形可使衡量結(jié)構(gòu)對變形的感知靈敏度的gauge因子突破104量級，并有效擴寬了器件的傳感感知范圍及應(yīng)用領(lǐng)域，極大提高了壓電pn結(jié)傳感器件的工作性能。

22、(2)本方案中給出了在固定所述正向偏壓v＝0.6v、所述機械載荷并將所述絕緣基體的軸向長度lw設(shè)置為5.5l0至6.5l0，將l/l0設(shè)置2.75時所述壓電pn結(jié)的輸出性能達到最優(yōu)調(diào)節(jié)范圍；需要說明的是，將lw/l0設(shè)置5.9時所述壓電pn結(jié)的輸出電流達到峰值。上述方案通過方便靈活地進行尺寸優(yōu)化，有利于調(diào)控壓電pn結(jié)電學(xué)特性。

23、(3)本方案所述絕緣基體的軸向長度以及加載區(qū)域長度為所述n型區(qū)域的耗盡層寬度l0的預(yù)設(shè)倍數(shù)，如此設(shè)計，可以更加方便靈活地進行尺寸優(yōu)化，更有利于調(diào)控壓電pn結(jié)輸出特性；其中，可以更加有效地調(diào)控壓電pn結(jié)界面處的勢壘構(gòu)型，有利于掌握界面位置的載流子輸運過程與多子與少子電流的轉(zhuǎn)化規(guī)律。

24、(4)本方案固定所述加載區(qū)域的軸向長度、所述絕緣基板的軸向長度；將所述正向偏壓設(shè)置為0.6v且所述機械載荷q設(shè)置為q＝9.5q0時，所述壓電pn結(jié)的輸出電流達到峰值，q0為預(yù)設(shè)均布荷載的參考值；本方案中通過單獨調(diào)節(jié)機械載荷的大小，實現(xiàn)壓電pn結(jié)輸出特性的調(diào)控，操作簡單，調(diào)控效果明顯。

25、(5)本方案固定所述加載區(qū)域的軸向長度、所述絕緣基板的軸向長度；將所述正向偏壓低于0.6v且所述機械載荷q設(shè)置為q＝10q0時，所述壓電pn結(jié)的輸出電流達到峰值；本方案中通過同時調(diào)節(jié)機械載荷的大小和正向偏壓的大小，實現(xiàn)高效快捷地對壓電pn結(jié)輸出特性進行調(diào)控。