氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型制造技术

一种氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型，包括第一步优化过程、第二部优化过程，基于第一步优化过程、第二部优化过程，建立基于Voronoi网格的微结构模拟模型、晶界双肖特基势垒的导电机理模型、考虑晶间相旁路效应的晶界分区模型。其有益效果是：新模型最重要的特征在于反映了非线性晶界真实的导电机理，并且模型中核心的计算参数都是ZnO压敏电阻材料本身固有的物理参数，真正实现了ZnO压敏电阻内在微结构及晶界特性与宏观电气性能参数之间关联关系的可计算模拟。

Simulation optimization model of microcosmic characteristics of Zinc Oxide varistor

The optimization calculation model of a Zinc Oxide varistor micro characteristics simulation, including the first step optimization process, second optimization process, the first step of optimization process, second optimization process based on the establishment of Voronoi grid micro structure simulation model, the boundary of the double Schottky barrier conductive mechanism model, considering the bypass effect between the crystalline grain boundary model based on partition. The beneficial effects are: the characteristics of the new model is the most important reflection of the conduction mechanism of nonlinear grain boundary real, and calculate the parameters of the model are the core physical parameters of ZnO varistor material itself, the real implementation of the relationship between the ZnO varistor inner microstructure and grain boundary characteristics and macro electrical performance parameters can be calculated.

【技术实现步骤摘要】
氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型
本专利技术涉高电压梯度新型高性能ZnO压敏电阻研究领域，特别是一种氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型。
技术介绍
材料设计的最基本前提是能够用合适的数学模型来描述材料试验研究的实际过程以及其中涉及的各种要素；材料设计的最基本工具是能够真实反映材料特性变化规律的计算模拟模型。由于上述最优化问题中原始优化变量(原料成分配方和加工工艺条件)和最终优化目标(宏观电气性能参数)之间具有非常复杂的关联关系，因此长期以来试验研究几乎是优化求解的唯一工具和途径。在ZnO压敏电阻性能优化方面所取得的重要成果基本上都建立在极大量的试验研究基础之上，这也是国内多年跟踪研究新型高性能ZnO阀片未有突破的主要原因所在。原始最优化问题的优化变量和优化目标之间存在着非常复杂的、难以系统归纳和描述的关联关系。与此相比，分成两步以后的每个最优化问题中，原始优化变量和中间优化目标，以及中间优化变量和最终优化目标之间的关联关系，无疑都要更为简单和清晰。对于以上分成两步的优化过程中每一步的优化变量和优化目标，能够建立明确的相互之间的关联关系，是进一步求解原始完整的最优化问题的基本条件。对于ZnO压敏电阻的计算模拟模型和算法，目前部分研究者已经开展了相关的研究并取得了一定的成果。然而，已有的ZnO压敏电阻计算模拟研究成果仍然存在着一定的问题和不足，难以获得优化变量和目标之间的直接关联关系，即ZnO压敏电阻内在微结构及晶界特性参数与宏观电气性能参数之间错综复杂的影响关系和关联机制。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，设计了一种氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型。具体设计方案为：一种氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型，包括第一步优化过程、第二部优化过程，基于第一步优化过程、第二部优化过程，建立基于Voronoi网格的微结构模拟模型、晶界双肖特基势垒的导电机理模型、考虑晶间相旁路效应的晶界分区模型，其特征在于，所述第一步优化过程中，优化变量是原料成分配方和加工工艺条件，即原始最优化问题的原始优化变量；第一步优化过程的优化目标是ZnO压敏电阻的微结构及晶界特性参数，也是所述第二步优化过程的优化变量，所述第二部优化过程中，优化变量是ZnO压敏电阻的微结构及晶界特性参数，即第一步优化过程的优化目标；第二步优化过程的优化目标是ZnO压敏电阻的宏观电气性能参数，即原始优化问题的最终优化目标，所述基于Voronoi网格的微结构模拟模型的建立过程中，包括生成Voronoi种子的基本参数、确认种子实际坐标、实际坐标等效处理，所述生成Voronoi种子的基本参数、确认种子实际坐标、实际坐标等效处理依次进行，所述晶界双肖特基势垒的导电机理模型中，包括基础公式确立、模型确立、电子热激发公式计算，所述基础公式确立、模型确立、电子热激发公式计算以此进行，所述考虑晶间相旁路效应的晶界分区模型中，包括模型结构类型区域确定、模型公式确定，所述模型结构类型区域确定、模型公式确定依次进行。Voronoi网格是几何图形学中一种垂直对分网络图形。对于欧几里德平面上n个点(称为Voronoi种子)，每个种子点对应的Voronoi多边形定义为该平面上所有与该种子点距离小于与其它种子点距离的点的集合；所有种子点对应的Voronoi多边形即构成相应的Voronoi网格。Voronoi网格的具体形状实际上是由Voronoi种子的位置分布所决定的，不同位置分布的Voronoi种子就会形成对应的、不同形状的Voronoi网格。对以往研究者的相关算法进行了必要的改进所述生成Voronoi种子的基本参数中，生成Voronoi种子的基本参数包括：晶粒平均尺寸S，单位μm；水平X轴方向晶粒平均数目NX，竖直Y轴方向晶粒平均数目NY；晶粒无序度D。确认种子实际坐标中，将NX×NY个Voronoi种子按蜂窝状正六边形阵列中心点的位置进行均匀分布，对于第i列，即沿X轴正方向排序、第j行，即沿Y轴正方向排序Voronoi种子的坐标(Xij0,Yij0)，计算公式为：设Voronoi网格有效分布区域的最大坐标范围(Xmax,Ymax)，则：Ymax＝S·(NY+1/2)在均匀分布种子坐标的基础上，叠加无序度D相关的随机偏移量(dXij,dYij)，则：dXij＝k·S·D·cosαdYij＝k·S·D·sinαk为[0,1]范围内均匀分布的随机数，α为[0,2π]范围内均匀分布的随机数；无序度D取值越大，Voronoi种子随机偏移量的极限值也就越大。最终实际得到的Voronoi种子坐标为：叠加无序度相关随机偏移量后的Voronoi种子的实际坐标，有可能落在Voronoi网格有效分布区域的坐标范围之外，对此种情况，重新生成新的随机数，产生新的随机偏移量坐标进行计算，直至所有Voronoi种子实际坐标落在有效分布区域之内。相应地，只要无序度D和晶粒平均尺寸S的乘积达到有效分布区域对角线的长度，那么任何一个Voronoi种子在叠加随机偏离量后都有可能出现在有效分布区域内的任意位置。如果上述乘积超过了有效分布区域对角线的长度，由于受有效分布区域坐标范围的限制，Voronoi种子的实际分布情况就不会再发生本质变化，但是会导致生成的Voronoi种子坐标出现在有效分布区域之外而需要重新生成的概率增大。因此，在实际算法中对无序度的最大值Dmax进行限制，超过上限值的无序度D对于Voronoi种子分布的影响，实际上与上限值DmaxDmax的效果是完全相同的，但计算效率更低，因此用Dmax进行等效处理，实际坐标等效处理中，处理公式为：采用以上算法，可以获得有效分布区域内NX×NY个Voronoi种子的坐标数据，每个种子都在均匀分布的蜂窝状正六边形阵列中心点的基础上，叠加了无序度D相关的随机偏移量。如果直接采用有效分布区域内的NX×NY个Voronoi种子来构造Voronoi网格，那么最靠近有效分布区域边界的种子所产生的Voronoi多边形就会有一部分面积出现在有效分布区域之外，多边形的部分边线呈现发散的放射线状，与边界发生交叉现象。在有效分布区域外部配置辅助的Voronoi种子，辅助Voronoi种子分别沿有效分布区域的四条边界，与内部Voronoi种子形成轴对称分布，每边的辅助种子数量分别为NX或NY的两倍，由此可以使得最终生成的靠近边界的Voronoi多边形的边线恰好落在有效分布区域的四条边界上，而不会产生与边界交叉的现象，本质上这是由Voronoi多边形的垂直对分特性所决定的。由有效分布区域内部的原始Voronoi种子和外部的辅助Voronoi种子共同构造生成Voronoi网格后，抛弃区域外部的Voronoi多边形，仅保留区域内部的Voronoi多边形，即作为ZnO压敏电阻微结构的计算模拟模型。在ZnO压敏电阻的微结构中，相邻两个ZnO晶粒及其中间的晶界层构成一个基本的双肖特基势垒单元，可以采用半导体物理的相关理论予以描述。EV为ZnO晶粒的价带顶能级，EC为ZnO晶粒的导带底能级，EFG为ZnO晶粒的费米能级(Fermilevel)，EFB为晶界层的费米能级。同一热平衡体系中，各处的电子都应该具有相同的费米能级。在初始的不平衡状态，由于n型半导体ZnO晶粒的费本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型，包括第一步优化过程、第二部优化过程，基于第一步优化过程、第二部优化过程，建立基于Voronoi网格的微结构模拟模型、晶界双肖特基势垒的导电机理模型、考虑晶间相旁路效应的晶界分区模型，其特征在于，所述第一步优化过程中，优化变量是原料成分配方和加工工艺条件，即原始最优化问题的原始优化变量；第一步优化过程的优化目标是ZnO压敏电阻的微结构及晶界特性参数，也是所述第二步优化过程的优化变量，所述第二部优化过程中，优化变量是ZnO压敏电阻的微结构及晶界特性参数，即第一步优化过程的优化目标；第二步优化过程的优化目标是ZnO压敏电阻的宏观电气性能参数，即原始优化问题的最终优化目标，所述基于Voronoi网格的微结构模拟模型的建立过程中，包括生成Voronoi种子的基本参数、确认种子实际坐标、实际坐标等效处理，所述生成Voronoi种子的基本参数、确认种子实际坐标、实际坐标等效处理依次进行，所述晶界双肖特基势垒的导电机理模型中，包括基础公式确立、模型确立、电子热激发公式计算，所述基础公式确立、模型确立、电子热激发公式计算以此进行，所述考虑晶间相旁路效应的晶界分区模型中，包括模型结构类型区域确定、模型公式确定，所述模型结构类型区域确定、模型公式确定依次进行。...

【技术特征摘要】
1.一种氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型，包括第一步优化过程、第二部优化过程，基于第一步优化过程、第二部优化过程，建立基于Voronoi网格的微结构模拟模型、晶界双肖特基势垒的导电机理模型、考虑晶间相旁路效应的晶界分区模型，其特征在于，所述第一步优化过程中，优化变量是原料成分配方和加工工艺条件，即原始最优化问题的原始优化变量；第一步优化过程的优化目标是ZnO压敏电阻的微结构及晶界特性参数，也是所述第二步优化过程的优化变量，所述第二部优化过程中，优化变量是ZnO压敏电阻的微结构及晶界特性参数，即第一步优化过程的优化目标；第二步优化过程的优化目标是ZnO压敏电阻的宏观电气性能参数，即原始优化问题的最终优化目标，所述基于Voronoi网格的微结构模拟模型的建立过程中，包括生成Voronoi种子的基本参数、确认种子实际坐标、实际坐标等效处理，所述生成Voronoi种子的基本参数、确认种子实际坐标、实际坐标等效处理依次进行，所述晶界双肖特基势垒的导电机理模型中，包括基础公式确立、模型确立、电子热激发公式计算，所述基础公式确立、模型确立、电子热激发公式计算以此进行，所述考虑晶间相旁路效应的晶界分区模型中，包括模型结构类型区域确定、模型公式确定，所述模型结构类型区域确定、模型公式确定依次进行。2.根据权利要求1中所述的氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型，其特征在于，所述生成Voronoi种子的基本参数中，生成Voronoi种子的基本参数包括：晶粒平均尺寸S，单位μm；水平X轴方向晶粒平均数目NX，竖直Y轴方向晶粒平均数目NY；晶粒无序度D。3.根据权利要求1中所述的氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型，其特征在于，确认种子实际坐标中，将NX×NY个Voronoi种子按蜂窝状正六边形阵列中心点的位置进行均匀分布，对于第i列，即沿X轴正方向排序、第j行，即沿Y轴正方向排序Voronoi种子的坐标(Xij0,Yij0)，计算公式为：设Voronoi网格有效分布区域的最大坐标范围(Xmax,Ymax)，则：Ymax＝S·(NY+1/2)在均匀分布种子坐标的基础上，叠加无序度D相关的随机偏移量(dXij,dYij)，则：dXij＝k·S·D·cosαdYij＝k·S·D·sinαk为[0,1]范围内均匀分布的随机数，α为[0,2π]范围内均匀分布的随机数；无序度D取值越大，Voronoi种子随机偏移量的极限值也就越大。最终实际得到的Voronoi种子坐标为：4.根据权利要求1中所述的氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型，其特征在于，实际坐标等效处理中，处理公式为：获得有效分布区域内NX×NY个Voronoi种子的坐标数据，每个种子都在均匀分布的蜂窝状正六边形阵列中心点的基础上，叠加了无序度D相关的随机偏移量。5.根据权利要求1中所述的氧化锌压敏电阻微观特性模拟优化计算模型，其特征在于，基础公式确立中，采用泊松方程确立基础公式：其中，ΦB(x)是晶界势垒高度分布函数，ρ(x)是电荷分布函数，ε0、ε分别是真空介电常数和ZnO的相对介电常数，在无外加电压作用的状态(零偏状态)下，ZnO...

【专利技术属性】
技术研发人员：何金良，胡军，孟鹏飞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11