通过模拟真空电容来计算体积平均的受空间电荷限制的电流密度

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Calculating the Volume-Averaged Space-Charge-Limited Current Density by Simulating Vacuum Capacitance

本文利用COMSOL Multiphysics静电模拟，无需粒子或时域计算，验证了1D、2D和3D几何结构下体积平均空间电荷限制电流密度（VASCLCD）的准确性。研究表明，3D结构中边缘场（CFFs）影响显著，但当几何接近二维时，差异减小，证明该模拟方法有效。

　　

摘要：

尽管对于相对简单的几何形状，已经存在空间电荷限制电流密度（SCLCD）的解析结果，但更现实的几何形状通常需要采用计算方法，例如粒子模拟（PIC）。我们应用了一种新理论，该理论将体积平均SCLCD（VASCLCD）与真空电容联系起来，通过使用商业软件COMSOL Multiphysics进行静电模拟来计算一维（1-D）和多维几何形状的VASCLCD，而无需使用粒子。通过选择适当的计算域以消除边缘场的影响，我们得到了1-D平面二极管的Child–Langmuir定律（CLL）结果。我们还得到了1-D圆柱形几何形状的VASCLCD结果，其结果与解析结果一致。对于二维（2-D）几何形状，当计算域足够大以包含边缘场时，使用COMSOL计算的VASCLCD与解析结果非常吻合。对于三维（3-D）几何形状，当电极宽度W和长度L都小于间隙距离D时，不考虑边缘场（CFFs）的解析得到的VASCLCD结果与考虑CFFs的COMSOL结果存在较大差异。然而，当L/D和/或W/D的比值大于1时，不考虑CFFs得到的VASCLCD结果与考虑CFFs的COMSOL结果趋于一致，这是因为此时几何形状实际上变成了二维的，从而减少了CFFs的贡献。这些结果表明，使用静电模拟可以快速近似SCLCD，而无需使用粒子或进行时域模拟。