[發明專利]一種同步確定二極管邊界電場與電流密度的方法

有效

• 申請號: 202110513603.1
• 申請日: 2021-05-11
• 公開（公告）號: CN113312756B
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發明（設計）人: 朱映彬;廖美焱;姚若河;耿魁偉
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/11;G06F17/15
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開了一種同步確定二極管邊界電場與電流密度的方法，包括以下步驟：一、給定兩個電子電流密度初始值以及一個離子電流密度初始值；二、將電子電流密度初始值以及一個離子電流密度初始值代入泊松方程，獲取對應的陰極邊界電場值；三、預測電子電流密度值；四、基于預測的電子電流密度值，得到新的陰極邊界電場值，判斷新的陰極邊界電場值是否滿足所要求的陰極邊界條件；五、給定新的離子電流密度值，執行步驟一到步驟四，得到兩個陽極邊界電場值；六、預測離子電流密度值；七、預測陽極邊界電場值，判斷預測的陽極邊界電場值是否滿足所要求的陽極邊界條件；八、輸出最終的電子和離子電流密度。

技術領域

本發明涉及真空電子器件領域，特別涉及一種同步確定二極管邊界電場與電流密度的方法。

背景技術

為了滿足日益增長的能源需求，減少對傳統能源的依賴，開發高性能熱電轉換技術引起了世界各國的高度重視。熱離子能量轉換器是一種將熱能直接轉換成電能的真空二極管器件。但是在求解器件允許流過的最大電流密度時，解析求解非線性問題較為困難，特別在引入離子之后，因為電子和離子電流密度都是未知量，并且是否隨著電子和離子電流密度的增加，陰極和陽極是否能滿足所要求的邊界條件也是未知的。文獻(Non-uniformspace charge limited current injection into a nano contact solidSci.Rep.5,9173,2015)，提出了一種計算邊界電場值為零時的電子電流密度值的方法。該方法包括一個單循環和兩次迭代，該單循環完成對電子電流密度的調整，使得陰極邊界電場為零；兩次迭代完成對電子電流密度的更新，使得陰極邊界電場進一步趨向于零。該技術文獻所提出的方法存在一些不足，第一：該方法只適合于求解邊界電場為零的情況，對于更一般的情況，該技術文獻并沒有給出具體的方法；第二：該方法只涉及單邊界問題，當二極管內存在兩種電荷時，即雙邊界問題，該技術文獻所提出的方法無法解決。

有限差分法(Finite Difference Method)簡稱差分法，廣泛地應用于電磁場數值分析領域。差分法應用于電磁場邊界問題求解時，先將計算區域劃分為許多網格的節點，并用差商近似微商，然后，將場域中的偏微分方程轉換成差分方程，最后，利用該差分方程以及邊界條件便可計算出各離散節點的電位的數值解。

雖然解析求解非線性問題較為困難，但是通過差分法以及結合簡單的迭代算法可以較為靈活地解決工程計算當中所遇到的非線性以及雙邊界問題。

發明內容

本發明的目的在于克服工程計算當中所遇到困難，提供了一種同步確定二極管邊界電場與電流密度的方法，可以同步地確定二極管的邊界電場與電流密度，無需解析地求解復雜的非線性方程。

本發明至少通過如下技術方案之一實現。

一種同步確定二極管邊界電場與電流密度的方法，包括以下步驟：

步驟一、給定兩個電子電流密度初始值以及一個離子電流密度初始值；

步驟二、將電子電流密度初始值以及一個離子電流密度初始值代入泊松方程，并采用有限差分法進行數值迭代求解,獲取對應的陰極邊界電場值；

步驟三、基于所要求的陰極邊界條件，以及獲得的兩個陰極邊界電場值及對應的電子電流密度值，預測電子電流密度值；

步驟四、基于預測的電子電流密度值，執行步驟二,得到新的陰極邊界電場值，判斷新的陰極邊界電場值是否滿足所要求的陰極邊界條件，若不滿足，則采用最新的兩個陰極邊界電場值，執行步驟三到步驟四；若滿足，則計算此時的陽極邊界電場值；

步驟五、給定新的離子電流密度值，執行步驟一到步驟四，得到新的陽極邊界電場值；

步驟六、基于所要求的陽極邊界條件、兩個陽極邊界電場值及對應的離子電流密度值，得到預測的離子電流密度值，預測的離子電流密度值將使得陽極邊界電場滿足所給定的要求；