帶隙
關注創建者：C乘風破浪 創建時間：2022-07-29
帶隙的實例教程
繪圖中的帶隙代表其中不存在波傳播的區域。暫且不論復雜的晶胞模型，完成分析只需幾分鐘時間。由此可以總結，如果你以特定的帶隙位置為目標，或者想要使帶隙寬度最大化，那么使用晶胞是一種高效的優化手段。
執行優化研究
為了清晰闡釋這類應用，我們對上圖的周期性結構進行了模擬，晶胞尺寸為 1 cm × 1 cm，內核材料為 4 mm × 4 mm；基體材料的模量為 2 GPa，密度為 1000 kg/m3；內核材料的模量則為 200 GPa，密度為 8000 kg/m3。下圖顯示 60 kHz和 72 kHz 之間禁止波傳播的頻率范圍。
選定晶胞參數的頻帶示意圖。
為了演示如何利用帶隙概念實現隔振，我們將模擬上述周期性結構中的晶胞組成的“11 × 11”的晶格結構。這些晶胞承受的激勵頻率為 67.5 kHz（帶隙中）。
該結構用于演示帶隙中針對施加頻率的隔振。
下方動畫重點演示了晶胞結構的振動響應。通過結果，我們可以了解到周期性結構能夠十分有效地將施加的振動與剩余結構隔離開。即使減少周期性晶胞的使用數量，仍然可以很有效地隔振。
率為 67.5 kHz 時,振動響應的動畫。
請注意，當頻率在帶隙之外時，周期性結構不會隔振。此時的響應情況請參考下圖。
帶隙之外頻率的振動響應。左圖：27 kHz。右圖：88 kHz。
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本文內容來自 COMSOL 博客
展開 利用SIESTA軟件更精確地分析半導體的能帶結構
功率半導體廣泛應用于電力系統中高壓和大電流的開關設備和逆變器中，具有高耐壓特性。半導體的耐壓能力取決于價帶和導帶之間的帶隙大小。功率半導體也被稱為寬帶隙半導體，因為它們的帶隙比硅和砷化鎵的帶隙寬三倍。因此，通過模擬使用半導體進行材料設計時，需要準確估算出帶隙，但基于密度泛函理論（DFT）的預測帶隙比實驗結果小得多（圖 1）。
圖 1. 利用 GGA 方法計算的半導體能帶結果（左為硅，右為砷化鎵）
用未經校正的 GGA 方法計算出的帶隙大小，硅為 0.72 eV（實驗值為 1.12 eV），砷化鎵為 0.37 eV（實驗值為 1.42 eV）。這些結果與一般未校正 DFT 的預測值幾乎相同。
眾所周知，這是由密度泛函方法[1][2]的缺點導致的，而 LDA+U [3]就是一種能改善這一缺點的方法。
在 LDA+U 方法中，當應用軌道中的兩個電子到達同一位置時，它們會被排斥，其能量會因 U 而增加。
在本案例研究中，應用 LDA+U 方法分析了硅和 4H-SiC （間接過渡半導體）以及砷化鎵和氮化鎵（直接過渡半導體）的帶隙。對于所有半導體，LDA+U 方法都適用于構成價帶的 p 軌道。硅的目標是 3p 軌道，但由于其他三種半導體都是化合物半導體，因此有必要選擇一個構成價帶的 p 軌道元素。在此，我們將重點放在各元素電負性的差異上：在砷化鎵中，砷的電負性更大，鎵的 4p 軌道上的電子會被吸引到砷的 4p 軌道上。在氮化鎵中，N的電負性更大，N衍生的2p軌道形成價帶；在碳化硅中，碳的電負性大于硅，碳衍生的2p軌道形成價帶，盡管兩者都是第IV族元素。
圖 2-4 顯示了化合物半導體中每種元素的 p 軌道部分狀態密度。
展開 超材料六面體晶格帶隙設計數值仿真 ￥1000
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</div><p class="ql-align-center"><strong>圖3 晶胞帶隙圖</strong></p><p>感興趣的朋友可下載文件，歡迎交流合作</p>
展開 由于電磁帶隙（electromagnetic band gap，簡稱 EBG）能夠“調諧出”特定頻率，所以許多應用中出現了它的身影。電磁帶隙可以抑制多余的電磁干擾（electromagnetic interference，簡稱 EMI），并提高電磁兼容性（electromagnetic compatibility，簡稱 EMC）。這些結構通常安裝在相隔不遠的天線之間，以最大限度地減少相互耦合，從而提高天線性能。然而，EBG 并非總能提高天線的隔離度。借助 COMSOL Multiphysics? 軟件和附加“RF 模塊”，工程師可以對 EBG 的有效性進行分析。
通過設計電磁帶隙結構來優化頻率
電磁帶隙結構是一種能夠在某些頻帶上傳遞或阻止電磁波的周期性結構，這項功能具有廣泛應用。常見實例包括增加高頻設計中天線陣列的隔離度、提升高精度 GPS 的信噪比，以及對超寬帶設備進行頻帶抑制。與頻率選擇性表面相似的是，帶隙還有利于減少電磁干擾問題，并改善高速通信系統的電磁兼容性。此外，這些結構的屏蔽特性可能用于降低人腦對移動電話的比吸收率。
比吸收率（表面）和溫度變化（等值線）。
使用互補開口諧振環的頻率選擇表面。
針對上述及其他應用，設計電磁帶隙結構的常規流程包括以下步驟：
在晶胞層面設計 EBG
假設晶胞式樣無限重復
通過分析確定帶隙
優化設計，在無限空間內得到帶隙
將電磁帶隙結構用于有限空間
然而，這種方法存在一個問題：EBG 在有限空間與無限空間中的屬性略有不同。應用錯誤的頻率、極化或耦合平面構型會增加 天線之間的意外耦合，因此分析真實空間中的電磁帶隙結構非常重要……
分析電磁帶隙的解耦效應
“RF 模塊”和COMSOL Multiphysics 可用于分析電磁帶隙結構的解耦效應。
展開 此外，相較于傳統的g-C3N4基濾膜，CNTs-PAA/CNMS光催化膜具有更小的帶隙（1.77 eV），可通過可見光輻照產生活性氧降解污染物，從而防止污染物在膜表面結垢，減少孔堵塞并延長膜的使用壽命。
圖1. 太陽光驅動的自清潔CNTs-PAA/CNMS異質結膜的制備示意圖。（a）超親水泥炭蘚結構以及殺菌示意圖，（b-c）膜的制備過程，（d）一體式廢水凈化示意圖。
CNTs-PAA/CNMS光催化膜可以挑戰性的凈化復雜廢水。首先，采用CNTs-PAA/CNMS光催化膜凈化含有病原體微生物的廢水。之后，再采用進行過抗菌試驗的CNTs-PAA/CNMS光催化膜對含有不溶性油脂的油水乳液進行分離。最后，將太陽光驅動自清潔后的CNTs-PAA/CNMS光催化膜進一步用于凈化含有可溶性有機污染物的廢水。在連續凈化過程中，膜的形態全程保持完整，表明CNTs-PAA/CNMS光催化膜具有良好的機械穩定性。CNTs-PAA/CNMS光催化膜優異的綜合性能將使其成為凈化實際復雜廢水的一種極具潛力的材料。
圖2. 一體式連續水凈化示意圖。（a）一體式凈化流程示意圖，（b）一體式凈化過程膜的宏觀形貌變化，（c）一體式連續凈化過程。
該工作以“Sphagnum Inspired g-C3N4 Nano/Microspheres with Smaller Bandgap in Heterojunction Membranes for Sunlight-Driven Water Purification”為題發表在Small上。文章第一作者是顏錄科教授團隊碩士研究生吉凌仝。
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帶隙的最新內容
其核心測溫元件基于半導體材料的物理特性，如PTAT（與絕對溫度成正比）結構或CMOS半導體PN節的帶隙電壓特性。
模擬信號生成：敏感元件將溫度變化轉換為微弱的電壓或電流信號（如10mV/K或1μA/K）。A/D轉換：內置的模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號。
據Nelson透露，SiC可為這些類型的嚴苛應用提供理想的材料屬性，包括更高的帶隙電壓、更低的相對電阻，以及與硅相比，支持更優散熱的熱特性等。Wolfspeed基于SiC的晶體管可以在比硅材料更高的溫度下可靠運行，并且開關速度更快，因此其可支持與電動汽車（EV）應用相關的900 V及1200 V應用。
什么是波導？2個月前
晶體的光子帶隙會阻擋光的某些波長，類似于半導體中的電子帶隙。光子晶體實際上是“光學半導體”。
光學波導和非光學波導的類型
波導的類型有很多，包括用于引導微波頻率、射頻（RF）及其它電磁波的光學波導與波導。
圓形波導
圓形波導是空心管，主要用于以橫電（TE）模式和橫磁（TM）模式引導微波和無線電波。其中，波沿圓形路徑引導，通常通過金屬波導實現。
與Franz–Keldysh效應類似，在外加電場的作用下，量子阱結構能帶發生傾斜，使得有效帶隙降低，吸收邊紅移。
這類器件不僅具備可調帶隙、高色純度和低溫制備兼容性等突出特性，在近紅外（NIR）光發射領域更展現出巨大潛力。然而，光提取效率（LEE）受限一直是制約PeLED性能提升的關鍵瓶頸。
當寬度D1減小而寬度D2增大時，我們發現光子帶隙在BZ圖中逐漸形成一個臨界點——當D1=D2時，該點被稱為橫電模式的狄拉克點（圖1b）。帶隙經歷閉合、交叉和重新開啟的過程，直至D1<D2。
我們展示了群折射率與波長之間的色散關系，該關系隨空氣孔寬度D1和D2的變化而變化（圖1c、d）。在打破反演對稱性的過程中，帶隙邊緣附近出現連續色散現象，導致帶隙內出現慢光模式。
在有限光子晶體帶隙內波長的光場被定位在腔內。
在有限光子晶體帶隙內波長的光場被定位在腔內。
MoS2的計算結果說明，在沒有外力條件的影響下，MoS2自旋向上和自旋向下的能帶基本重合的，且MoS2是直接帶隙半導體，導帶底和價帶頂都是在K點。
溫度芯片感溫原理基于CMOS半導體 PN 節溫度與帶隙電壓的特性關系，經過小信號放大、模數轉換、數字校準補償后，數字總線輸出，具有精度高、一致性好、測溫快、功耗低、可編程配置靈活、壽命長等優點。
溫度芯片內置16-bit ADC，分辨率0.004°C，具有-70°C到+150°的超寬工作范圍。
