单场限环结构的表面电场分布及环间距的优化

基于横向扩散与纵向扩散构成的冶金结边界为椭圆形这一特点,讨论单场限环结构表面电场强度的分布,给出表面电场强度、主结及环结分担电压的解析表达式。在纵向结深和掺杂浓度一定的条件下,根据临界电场击穿理论,讨论环间距的优化设计方法。单场限环结构主结环结间表面电场强度的绝对值曲线近似呈抛物线,最大电场位于主结处。随着环间距的增大,最大电场变大;随着横向扩散深度的增大,最大电场变小。环右侧最大电场也出现在结处,随着环间距和横向扩散深度的增加,最大电场均减小。在场限环结构中,当主结和环结在表面处的最大电场强度均等于临界电场强度时,击穿电压达到最大值,此时所对应的环间距为最佳环间距。     

电极表面形态对真空击穿特性的影响

真空击穿是影响许多电子器件性能的一个重要因素,引起真空击穿的原因很多,其中电极的表面形态在真空击穿的起始阶段发挥着重要的作用。采用有限元法分析了不同电极表面形态对电极间电场的影响,研究表明当电极表面有凹凸缺陷时易引起击穿的发生,其中凸缺陷将导致电场强度几十倍增加,且圆锥形凸起引起的最大电场强度和尖端角度成线性关系;并进一步模拟研究了老炼对真空击穿特性的改进,结果表明老炼可将峰值电场强度降低70%以上。     

准垂直肖特基二极管电极间距对耐压的影响

研究了不同电极间距对准垂直肖特基势垒二极管（SBD）正反向I-V特性，尤其是击穿电压和漏电的影响。通过制备不同电极间距的准垂直GaN SBD，测量不同电极间距器件的击穿电压和反向漏电变化。测量发现当电极间距小于器件台面刻蚀深度时，器件的击穿电压随着电极间距的增大而增大；当电极间距大于台面刻蚀深度时，器件的击穿电压随着电极间距的增大而几乎不发生变化。利用Silvaco软件进行了一系列的仿真研究，发现SBD的峰值电场强度不仅取决于电极间距，同时还受限于台面高度。研究表明在准垂直SBD研制中，为得到高击穿电压，电极间距应匹配器件台面的高度。     

电极对薄膜体声波谐振器性能的影响

采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics仿真了三维结构的谐振器,探讨了不同的顶电极形状对谐振器性能的影响。有效机电耦合系数(k2teff)随电极-压电层厚度比增大而减小,其中电极形状为三角形的谐振器在厚度比为0.05时获得最大k2teff(5.73%)。品质因数Q值变化趋势与k2teff相反,由三角形电极在厚度比为0.25时,获得最大Q值为1 314。不同电极形状的谐振器的优值随电极-压电厚度比先增大后减小,最大值为65.4,由正方形电极在比值为0.15时获得。     

静电放电参数对电极速度的相关性与机理分析

同步测量了带电人体手握金属小棒电极放电电流的参数和电极运动速度.金属小棒电极与靶电极相撞时的速度对放电电流参数(放电电流峰值、放电电流时间变化率的峰值、火花放电的弧长)的影响,用统计软件SPSS进行了考察,获得了在不同人体电压情况下小棒电极运动速度与放电参数的相关系数.结果表明:充电电压为0.3kV时,放电参数与电极运动速度无关.充电电压为0.5kV及其以上电压时,电极运动速度与放电电流峰值、电流最大上升斜率有极强的正相关性;与放电火花弧长有极强的负相关性.电极向靶的快速接近改变放电间隙的空气压强,改变间隙两端的电场强度,从而引起放电参数的显著变化.     

基于行波介电泳的细菌分离电极的设计与操控北大核心

基于行波介电泳原理,分析了电场强度和Clausius-Mossoti(C-M)因子的虚部对行波介电泳力的影响。对4种不同形状电极的电场强度分布进行了仿真建模,结果表明半圆形电极阵列有较好的传输特性,并建立了半圆形电极阵列在行波作用下的电场模型。以行波介电泳力的复数表达式为基础,得出了C-M因子虚部随频率的变化曲线。设计加工了基于半圆形电极阵列的细胞分离微流体芯片,基于行波介电泳原理,对金黄色葡萄球菌细菌进行了分离实验。通过对比分析,实验结果与仿真结果具有较好的一致性。因此,利用行波介电泳力,半圆形电极阵列能够有效地对细菌进行传输分离。     

电极非对称对压电材料驱动性能的影响

采用有限元法分析了外加电压分别作用于交叉指型电极(IDE)压电纯陶瓷材料和压电纤维复合材料时的静电场分布,研究了IDE非对称及非对称的程度对某一厚度压电材料驱动性能的影响,讨论和比较了非对称程度由小变大对不同厚度压电材料驱动性能的影响,以及其变化对压电材料电场集中和应力集中的影响。研究结果表明,对于压电纯陶瓷材料,在厚度较小时,电极非对称对驱动性能的影响不明显。随着厚度的增加,电极非对称程度越大,对驱动性能的影响越大,总体是使驱动应变下降。不管压电材料的厚度如何变化,在增大电极非对称的程度时,电场的不均匀性总是呈增大趋势。电极非对称程度的提高对厚度较小的压电材料的驱动应力提高明显,且应力集中程度无明显增大。对于压电纤维复合材料,电极与压电纤维之间夹层厚度越大,则非对称程度增大的影响越大。     

核电磁脉冲与开孔金属腔体耦合特性研究

利用基于时域有限差分法(FDTD)的电磁仿真软件XFDTD,研究了核电磁脉冲与开孔腔体的耦合规律。分析了不同极化方向的核电磁脉冲入射时,矩形孔洞长宽比对耦合特性的影响;讨论了核电磁脉冲照射下,腔体谐振和孔缝与腔体的耦合谐振现象;给出了腔体内部电场分布的截面图,讨论了核电磁脉冲入射时腔体内外电场的空间分布情况。研究结果表明:当核电磁脉冲的极化方向与开孔矩形短边平行时,耦合的电场强度比正方形开孔时的要大,且长宽比越大,耦合的电场强度越大;当核电磁脉冲的极化方向与开孔矩形长边平行时,耦合的电场强度比正方形开孔时的小,且长宽比越大,耦合的电场强度越小。极化方向与矩形开孔短边平行时,腔体内产生了腔体谐振和孔缝与腔体的耦合谐振,开孔尺寸的变化会引起谐振频率的偏移;极化方向平行于长边时无明显电磁谐振发生。核电磁脉冲对屏蔽体内的影响主要局限于开孔附近。     

基于正交设计的硅通孔信号完整性分析

针对硅通孔(Through Silicon Via;TSV)高度、直径和绝缘层厚度三个结构参数建立了25种不同水平组合的HFSS仿真模型,获取了这25种TSV的回波损耗和插入损耗并进行了方差分析。结果表明:随信号频率升高,TSV最大表面电场强度和插入损耗减小而回波损耗增大;在置信度为99%时,TSV高度是影响回波损耗和插入损耗的显著性因素;TSV直径和绝缘层厚度对回波损耗和插入损耗影响均不显著;TSV高度对回波损耗和插入损耗影响最大,其次是TSV直径,最后是绝缘层厚度。     

6500 V SiC场限环终端设计与实现

针对6 500 V SiC器件的阻断电压要求,采用有限元仿真软件对场限环终端结构进行了设计优化。相比于通常的恒定环间距增量场限环终端设计,本项研究采用三段不同的环间距增量终端环结构。该结构场限环终端的优势在于SiC器件表面的峰值电场强度控制在1MV/cm以下,体内的峰值电场强度在2.4MV/cm以下,有效减小了实际工艺中环注入窗口的工艺偏差引起的环间距拉偏对峰值电场强度的影响。环间距拉偏结果显示,在-0.2~+0.2μm的偏差范围内,器件表面(SiO_2/SiC交界处)的峰值电场强度并没有升高,只是峰值的位置发生了改变。最后利用了所设计的场限环终端进行了实际流片。测试结果显示,当施加6 500V的反向电压,漏电流小于10μA。     

单面激光冲击孔壁残余应力与疲劳失效

孔结构往往会造成零件上的应力集中,降低零件的疲劳寿命,激光冲击强化能够有效地缓解这一问题。在试验研究中发现采用高峰值压力对试件进行激光冲击强化后,试件的疲劳寿命反而降低,同时断口上的疲劳源也随之发生内移,这很可能是因为高峰值压力在孔壁内产生较大的残余拉应力而降低了小孔件的疲劳寿命。为此采用ABAQUS软件,针对不同峰值压力、载荷脉宽对7050-T7451小孔件孔壁上应力分布的影响进行研究。研究结果表明:峰值压力的提高在增大压应力层深度的同时也会增大带孔件孔壁上的拉应力,同时残余拉应力所在位置也随之发生内移;当峰值压力不同时,载荷脉宽对孔壁上应力分布的影响也会随之改变。     

基于COMSOL的小尺寸SAW滤波器仿真

针对基于钽酸锂压电基底的小尺寸边缘反射型声表面波（SAW）滤波器,该文采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对该SAW滤波器进行建模仿真,并进行了固体力学和静电学物理场的有限元仿真分析。同时讨论了电极材料、电极厚度对其导纳曲线谐振频率和反谐振频率的影响,证明了电极厚度能够影响器件导纳曲线的寄生谐振,且选定导纳曲线中寄生谐振最弱时的厚度为该电极的最佳厚度。最后选用厚度为1.6 μm的Al作为该小尺寸SAW滤波器的电极,并对不同基片端面位置下的传输响应进行仿真分析。常规的二维FEM仿真结果表明,当基片边缘端面距叉指换能器(IDT)边缘为0时,器件的中心频率为126.35 MHz,插入损耗为-2.57 dB,-3 dB带宽为3.3 MHz。该仿真结果与经COM模型模拟获得的响应结果具有较高的匹配度,从理论仿真角度进一步证明了大介电常数基片端面反射可以等效为一个强反射的反射条。     

分置式斯特林制冷机耦合间隙对探测器性能的影响

分置式斯特林制冷机作为红外探测器组件的重要组成部分,在实际应用中对红外探测器组件的性能影响较大。其中,分置式斯特林制冷机与杜瓦耦合时的耦合间隙是对红外探测器组件的性能影响最大的因素之一。因此针对二者的耦合间隙对探测器性能的影响进行了实验研究。当芯片温度为75 K且制冷机的冷头温度为70 K时,模拟仿真冷指与杜瓦的变形量,耦合间隙变形为0.0096 mm。低温环境对制冷机冷指与杜瓦变形的影响较小,可以忽略冷指与杜瓦变形对耦合间隙的影响。实验结果表明,红外探测器组件的降温时间随耦合间隙的增大而逐渐增大。随着时间的逐渐增大,不同耦合间隙对应的直流电流也各不相同。同一时刻下,耦合间隙越小,直流电流就越小。二极管电压随时间的增加呈现出逐渐增大并逐渐平稳的状态。在达到控温状态前,同一时刻下,耦合间隙越小,二极管电压越大。     

具有多场限环结构的SiC LDMOS击穿特性研究

场限环终端结构因能够显著提高击穿电压而被广泛应用于半导体功率器件。基于数值模拟软件建立了具有多场限环结构的SiC LDMOS仿真模型。分别仿真场限环各项参数和漂移区掺杂浓度与击穿电压的关系。提取器件击穿时的表面电场，从表面电场分布均匀程度和峰值电场两方面分析击穿原理。研究结果表明，当漂移区掺杂浓度一定时，击穿电压随场限环数量、结深和掺杂浓度的增大而先增大后减小；当场限环参数一定时，击穿电压随漂移区掺杂浓度的增大而先增大后减小；经验证在相同条件下，线性环间距设计的LDMOS击穿特性优于等环间距设计，且漂移区掺杂浓度越高，环掺杂浓度和环结深越小，失效场限环数量越多。     

硅基(Pb,La)(Zr,Ti)O_3反铁电厚膜的制备及介电性能

采用溶胶–凝胶工艺制备了具有高度(100)择优取向的(Pb,La)(Zr,Ti)O3反铁电厚膜(厚约2.2μm)。研究了该反铁电厚膜在不同温度下的电场诱导相变效应和不同电场强度下的温度诱导相变效应。结果表明:(Pb,La)(Zr,Ti)O3反铁电厚膜在室温下处于反铁电态;随着温度升高,厚膜的相变开关电场强度逐渐降低,反铁电态越来越不稳定,当温度高于132℃且电场强度为0 kV/cm时,厚膜处于顺电态;随着外加电场强度的增大,厚膜的AFE(反铁电态)-FE(铁电态)相变温度向低温方向漂移,当电场强度大于164 kV/cm时,厚膜在室温下已处于铁电态。     

基于SOI的高Q微环谐振腔的研究

利用时域有限差分法,对基于绝缘体上硅(SOD的微环谐振腔的微环波导宽度对传输性能、Q值的影响进行了理论分析与仿真.研究结果表明,单模条件下,波导越宽,Q值越大.仿真优化结果表明微环半径为10μm、微环波导宽度为600 nm时,1.55 μm附近的谐振峰的消光比为18.2 dB,计算出Q值约为2.2×105.进一步研究了微环与直波导间距、平板高度对Q值的影响.耦合间距增大时,由于耦合效率降低,Q值则逐渐提高;随着平板区厚度的减小,辐射损耗会越小,因此Q值增大.研究结果为微环谐振腔的进一步优化和设计提供了参考.     

量子环终端布局对自旋输运的影响

研究了量子环透射终端与入射终端相对位置改变时的变化规律。研究结果表明:透射概率和自旋极化率随半导体环尺寸的增大作周期性振荡,都与透射终端位置的改变相关;铁磁电极、Rashba自旋轨道耦合、外加磁场对透射概率和自旋极化率具有不同影响;透射概率随δ势垒强度增加单调减小,自旋极化率随δ势垒强度增加单调增大。     

配电网单相接地故障的电场检测装置研制

为了提升电场检测精度,研制配电网单相接地故障的电场检测装置。利用低通调理电路采集传感单元在电场中产生的感应电压,实时计算出线路附近的电场强度。使用COMSOL软件对输电线路单相接地故障情况进行有限元仿真,观察空间电场的变化情况。搭建工频均匀电场试验平台,对PCB传感单元进行电场强度测量校正,验证COMSOL电场强度仿真值。利用验证后的仿真值对平行半圆板电场测量传感单元进行校正,建立输电线路模型,对输电线路发生单相接地故障前后的电场强度进行测量。实验结果表明,当线路A相发生接地故障时,其周围电场强度迅速减小,而B、C两相周围电场强度增大,与仿真结果一致,电场检测精度较高。     

坩埚位置对PVT生长AlN晶体过程中物质传输的影响

使用FEMAG晶体生长模拟仿真软件以及自主开发的PVT法有限元传质模块对全自动、双电阻加热物理气相沉积炉开展了AlN晶体生长工艺过程中不同坩埚埚位对温度场、过饱和度场及烧结体升华速率等影响的模拟仿真分析研究。模拟仿真结果表明:在给定工艺条件下,坩埚埚位较低时烧结体温度较高且内部温差较小,烧结体升华表面存在较大的Al蒸气分压梯度,各表面升华速率较快且均匀,籽晶衬底生长前沿温度场呈微凸分布,有利于晶体扩径及生长高质量晶体。随着坩埚埚位的上升,低温区向坩埚壁扩展,预烧结体内轴向及径向温度梯度增加,籽晶衬底附近径向温度梯度逐步降低,过饱和度区域扩大且增强。在坩埚埚位较高情况下,坩埚内原料升华变得不均匀,坩埚侧壁存在高过饱和区域,极易在坩埚壁上发生大量的AlN多晶沉积。模拟分析结果与大量实际晶体生长实验后的坩埚壁处沉积现象及剩余烧结体原料形态相符,较好地验证了模拟仿真分析结果的准确性。     

细观结构特性对压电叠堆内部应力场的影响分析

压电叠堆的内部应力场是影响其可靠性的主要因素之一。基于COMSOL Multiphysics有限元软件,建立了精细尺度的压电叠堆有限元计算模型,通过理论分析验证了模型的准确性。对比分析了不同电极构型、陶瓷层厚度以及有无过渡段等细观结构特性对叠堆内部应力场的影响。结果表明,两种电极构型压电叠堆的内部都存在应力集中现象,叉指电极型叠堆的最大应力集中值远高于全电极;改变陶瓷层的厚度不影响叠堆内部应力集中的分布位置,最大切向应力随厚度的增大而减小,最大法向应力随厚度增大而增大;设置过渡段陶瓷可以有效地减少过渡部位活性陶瓷的最大应力集中值,增强压电叠堆的可靠性。