40、发动机部件分析与垂直隧道FET研究

发动机部件分析与垂直隧道FET研究

在现代工程领域，发动机部件的性能分析以及新型晶体管的研究一直是重要的课题。本文将深入探讨发动机中杯塞与气缸盖的干涉配合应力分析，以及垂直隧道场效应晶体管（VTFET）的设计与性能。

发动机杯塞与气缸盖干涉配合分析

研究背景与目标

随着发动机技术的不断发展，对发动机各部件的性能要求也越来越高。杯塞与气缸盖的连接是发动机中的一个关键部分，其接触压力和应力分布直接影响着发动机的性能和可靠性。因此，研究杯塞与气缸盖之间的接触压力以及应力分布具有重要的实际意义。本次研究的主要目标包括：
1. 计算标准气缸盖中杯塞与气缸盖之间的接触压力。
2. 比较接触压力的解析结果、有限元分析（FEA）结果和实验结果。

发动机详情与材料特性

本次研究以康明斯NH220（N系列水冷6缸）NH/NT柴油发动机为对象，其具体规格如下表所示：
| 序号 | 参数 | 规格 |
| — | — | — |
| 1 | 发动机名称 | CUMMINS NH220 |
| 2 | 压缩比 | 15.5:1 |
| 3 | 排量 | 12.2 L |
| 4 | 发动机类型 | 柴油发动机 |
| 5 | 发动机最大功率 | 142 - 208 kW @ 2100 rpm |
| 6 | 杯塞材料 | 304不锈钢 |
| 7 | 气缸盖材料 | 灰铸铁（铁素体） |

灰铸铁和304不锈钢的材料特性如下：
| 材料 | 抗拉强度（MPa） | 屈服强度（MPa） | 热导率（kW/m K） | 杨氏模量（GPa） | 泊松比 |
| — | — | — | — | — | — |
| 灰铸铁 | 289 | 188 | 0.496 | 113 | 0.25 |
| 304不锈钢 | 725 | 415 | 0.01629 | 193 | 0.29 |

有限元法计算应力

为了研究杯塞与气缸盖之间的接触压力，采用有限元法进行计算。由于杯塞周围存在塑性区域，因此为气缸盖和杯塞开发了具有双线性各向同性硬化材料的塑性模型。使用ANSYS 2019 R1版本的有限元模型对开发的解析方法进行了验证。
FEA模型的建立过程如下：
1. 定义杯塞与气缸盖之间的接触。
2. 由于干涉与杯塞尺寸相比较小，可通过偏移值在数值上改变干涉量。
3. 在接触区域，突出显示接触表面和目标表面，接触表面显示为红色，目标表面显示为蓝色。

为了确保有限元分析结果的准确性，采用了特殊的接触和目标单元来模拟组件的接触表面，分别使用CONTA174和TARGE170作为接触和目标单元。通过扫掠和对配合面进行面尺寸设置，使节点之间实现连接，以避免穿透现象的发生。

边界条件与模拟方法

在模拟过程中，考虑了以下边界条件：
- 左右面的位移DX = 0。
- 上下表面的位移DY = 0。
- 前后表面的位移DZ = 0。

同时，考虑了接触和目标表面之间的摩擦，摩擦系数为0.125。为了实现较低的穿透率，选择了增强拉格朗日方法进行模拟，其公式为：
$F_{contact} = K_{contact} * X_{penetration} + λ$
其中，K为接触刚度，X为接触穿透量，F为接触力。

分析时考虑的温度约为110°C，因为气缸盖温度在运行条件下会发生变化。对标准气缸盖的标准干涉值进行了残余接触压力分析，以及径向、切向和等效应力的捕捉。

实验设置与结果

为了验证模拟结果，进行了实验。实验步骤如下：
1. 将气缸盖进行切片，并取相关切片部分进行实验。
2. 在排气面杯塞孔区域的背面制作通孔。
3. 首先用小钻头从杯塞孔区域钻孔以找到孔轴。
4. 从底部找到轴后，使用26 mm直径的钻头和倒角工具对气缸盖的内径进行扩孔。
5. 按照标准程序组装超大尺寸的杯塞。
6. 夹紧气缸盖，使柱塞从底部推动杯塞，使用称重传感器测量推出力。

对标准测试样品进行了泄漏测试，工作介质为“空气”，测试压力为20.1 PSI。为了更好地了解临界结果，还在不同测试压力值（最高40.2 PSI）下进行了更多试验。如果空气未能从杯塞组件中泄漏，则表明没有其他介质会产生影响。测试样品成功通过测试，未发现任何问题。

模拟结果显示在塑性范围内。基于接触压力P，杯塞会收缩，气缸盖会膨胀，杯塞处于塑性范围并屈服以紧紧固定气缸盖。标准干涉极限不会导致任何泄漏，是有效的。由于问题的几何形状复杂，解析结果与实验结果并不完全匹配，但推出力结果的误差在10%和6.2%以内。误差主要是由于杯塞即将从原始位置移动时与气缸盖之间的静摩擦引起的，由于误差不超过20%，实验结果是有效的。

垂直隧道场效应晶体管（VTFET）研究

研究背景与动机

随着金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）尺寸不断缩小至纳米级，出现了诸如短沟道效应、关态泄漏电流急剧增加等问题。由于亚阈值斜率（SS）在室温下被限制在60 mV/decade，传统MOSFET在降低功耗和泄漏电流方面面临巨大挑战。为了解决这些问题，隧道场效应晶体管（TFET）应运而生，它利用量子力学的带间隧穿（B2BT）机制，突破了60 mV/decade的限制，提高了低功耗应用电路的性能。

TFET的工作原理与优势

TFET基于带间隧穿原理工作，与MOSFET的漂移 - 扩散机制不同。带间隧穿的概率可以通过WKB近似得到的解析模型表达式来计算，其公式为：
$T (E) ≈ exp\left(\frac{4\sqrt{2m^ E_g^{3/2}}}{3|e|h}\left(\frac{\Delta\phi + E_g}{\Delta\phi}\right)\right)$
其中，m 为有效载流子质量，$E_g$为能带隙，$\Delta\phi$为提供隧穿的能量范围，$t_{si}$为硅的厚度，$t_{ox}$为氧化物厚度，$\epsilon_{ox}$为氧化物介电常数，$\epsilon_{si}$为硅的介电常数。

TFET具有许多优势，包括：
- 亚阈值斜率 ：TFET的亚阈值斜率定义与MOSFET不同，平均亚阈值斜率（AV - SS）的计算公式为：
$AVSS = \frac{(V_{th} - V_{OFF})}{\log(I_{Vth}) - \log(I_{VOFF})}$
其中，$V_{th}$为阈值电压，通过恒定电流法确定，即漏极电流达到$1 × 10^{-7} A/µm$时的栅源电压；$V_{OFF}$为关态时的栅源电压；$I_{VT}$为阈值电压下的电流；$I_{VOFF}$为关态时的漏极电流。计算得到的AVSS为37.38 mV/dec。
- 漏极电流 ：双栅TFET（DG - TFET）与传统单栅TFET相比，具有显著更大的开/关电流比，且开态电流也得到了改善，同时对关态电流影响不大。DG - TFET还能免疫短沟道效应，提高速度，改善了传统MOSFET中亚阈值斜率的限制因素。
- 漏致势垒降低（DIBL） ：TFET的DIBL定义为在两个不同漏极偏置电压下阈值电压的差值与漏极电压差值的比值，计算公式为：
$DIBL = \frac{V_{th}(V_D = 1V) - V_{th}(V_D = 0.1V)}{V_{DS}(V_D = 1V) - V_{DS}(V_D = 0.1V)}$

TFET的局限性

尽管TFET具有低关态电流、高开/关电流比、低亚阈值摆幅和低泄漏电流等优点，但仍然存在一些问题：
- 随机掺杂波动（RDF） ：在传统器件制造中，无论是MOSFET还是TFET，源极和漏极都是通过扩散或离子注入工艺在本征硅半导体中形成的，因此不同器件无法实现相同的掺杂浓度，导致掺杂器件中出现随机掺杂波动问题。RDF会增加TFET的关态电流，降低开/关电流比，从而降低TFET的性能。
- 高温工艺问题 ：传统TFET需要陡峭的结来实现载流子从价带（VB）到导带（CB）的有效隧穿，但陡峭结的形成是一个高温过程，不适合在工作温度下的传统TFET。

VTFET的改进与性能提升

垂直隧道场效应晶体管（VTFET）通过在垂直方向上分布源极、沟道和漏极，增强了模拟器件的可扩展性。进一步在沟道中引入10 nm的硅锗层，对阈值电压（VT）和亚阈值摆幅（SS）的数值模拟有显著改善，在40 nm沟道长度下，亚阈值摆幅达到31.05 mV/decade，开/关电流比达到$10^{10}$的数量级。

通过优化栅极氧化物材料、功函数（WF）和硅锗摩尔分数，可以指数级增加驱动电流，同时通过栅极与漏极端的重叠区域减少双极性。此外，还报道了高$I_{on}/I_{off}$电流比（约$10^{10}$）、阈值电压（约0.352 V）和最大离子电流$1.126 × 10^{-05} (A/µm)$。

总结与展望

发动机杯塞与气缸盖的干涉配合分析为发动机的设计和制造提供了重要的参考依据，通过有限元分析和实验验证，确保了标准干涉极限的有效性。而垂直隧道场效应晶体管（VTFET）的研究为解决传统MOSFET的局限性提供了新的思路和方法，通过引入硅锗层和优化相关参数，显著提高了器件的性能。未来的研究可以进一步深入探讨杯塞的复杂几何形状、气缸盖温度变化的影响、气缸盖最佳壁厚的计算以及杯塞直径的优化等问题。同时，对于VTFET，可以继续探索如何进一步降低随机掺杂波动的影响，以及优化高温工艺以实现更高效的隧穿。这些研究将有助于推动发动机技术和晶体管技术的不断发展。

发动机部件分析与垂直隧道FET研究（续）

发动机杯塞与气缸盖干涉配合的进一步分析

干涉对接触压力和应力的影响

干涉值的大小对杯塞与气缸盖之间的接触压力和应力分布有着重要影响。从模拟和实验结果来看，随着干涉值的增加，接触压力逐渐增大。这是因为更大的干涉意味着杯塞与气缸盖之间的挤压程度更强，从而导致接触压力上升。

在应力方面，径向应力在界面处几乎与接触压力相同。当干涉值增大时，杯塞和气缸盖所承受的应力也相应增加。不过，需要注意的是，干涉值不能无限制地增大，因为过大的干涉会使杯塞的压入变得困难，甚至可能导致部件损坏。

不同干涉条件下的性能对比

为了更直观地了解干涉对性能的影响，我们对不同干涉条件下的实验数据进行了对比。以下是标准气缸盖在不同干涉值下的相关数据：
| 干涉（微米） | 压力（MPa） | 推出力（kN） |
| — | — | — |
| 177 | 96 | 2.941 |
| 287 | 159.34 | 4.844 |
| 300 | 166.86 | 5.073 |
| 350 | 194.49 | 5.96 |
| 400 | 225.55 | 6.857 |
| 450 | 257.32 | 7.766 |
| 500 | 285.71 | 8.686 |
| 550 | 318.51 | 9.617 |

从这些数据可以看出，随着干涉值的增加，压力和推出力都呈现出上升的趋势。这表明干涉值与压力和推出力之间存在着正相关关系。同时，我们也可以根据这些数据确定一个合适的干涉范围，以确保发动机部件的性能和可靠性。

干涉与推出力的关系曲线

将上述数据绘制成干涉与推出力的关系曲线，可以更清晰地看到它们之间的变化趋势。以下是干涉与推出力的关系曲线示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(干涉值):::process --> B(推出力):::process
    style A fill:#ffffff,stroke:#000000,stroke-width:2px;
    style B fill:#ffffff,stroke:#000000,stroke-width:2px;

从曲线中可以看出，推出力随着干涉值的增加而逐渐增大。在标准气缸盖的情况下，最小推出力为6.8 kN。这一曲线为发动机设计和制造过程中干涉值的选择提供了重要的参考依据。

垂直隧道场效应晶体管（VTFET）的性能优化策略

栅极氧化物材料的优化

栅极氧化物材料对VTFET的性能有着重要影响。选择合适的栅极氧化物材料可以提高器件的驱动电流和降低功耗。例如，高k - 介电常数的氧化物材料可以增加栅极电容，从而增强对沟道的控制能力，提高驱动电流。

优化栅极氧化物材料的具体步骤如下：
1. 材料选择 ：研究不同高k - 介电常数的氧化物材料，如氧化铪（HfO₂）、氧化铝（Al₂O₃）等，评估它们的电学性能和与其他器件材料的兼容性。
2. 工艺优化 ：确定合适的沉积工艺，如原子层沉积（ALD），以确保栅极氧化物层的均匀性和高质量。
3. 性能测试 ：对使用不同栅极氧化物材料的VTFET进行性能测试，比较它们的驱动电流、亚阈值斜率等参数，选择性能最优的材料。

功函数（WF）的调整

功函数是指电子从金属表面逸出所需的最小能量。在VTFET中，调整栅极的功函数可以改变器件的阈值电压和驱动电流。通过选择合适的栅极材料或进行表面处理，可以实现功函数的优化。

调整功函数的具体步骤如下：
1. 材料选择 ：研究不同功函数的栅极材料，如钛（Ti）、钽（Ta）等，评估它们对器件性能的影响。
2. 表面处理 ：采用表面处理技术，如等离子体处理、化学处理等，改变栅极材料的表面性质，从而调整功函数。
3. 性能测试 ：对使用不同功函数栅极的VTFET进行性能测试，比较它们的阈值电压、驱动电流等参数，确定最佳的功函数值。

硅锗摩尔分数的优化

硅锗（SiGe）层在VTFET中起着重要作用，其摩尔分数的优化可以进一步提高器件的性能。合适的硅锗摩尔分数可以改善带隙结构，增强载流子的隧穿概率，从而提高驱动电流和降低亚阈值斜率。

优化硅锗摩尔分数的具体步骤如下：
1. 理论计算 ：使用量子力学模型和数值模拟方法，计算不同硅锗摩尔分数下的带隙结构和载流子隧穿概率。
2. 实验制备 ：通过分子束外延（MBE）或化学气相沉积（CVD）等方法制备不同硅锗摩尔分数的VTFET样品。
3. 性能测试 ：对制备的样品进行性能测试，比较它们的驱动电流、亚阈值斜率等参数，确定最佳的硅锗摩尔分数。

未来研究方向的拓展

发动机部件研究的未来方向

• 杯塞复杂几何形状的研究 ：杯塞的厚度和形状变化会显著影响推出力。未来的研究可以深入探讨不同复杂几何形状的杯塞对发动机性能的影响，为杯塞的设计提供更精确的理论依据。
• 气缸盖温度变化的影响 ：在发动机运行过程中，气缸盖温度会发生变化，这可能会影响杯塞与气缸盖之间的紧密程度。研究气缸盖温度变化对杯塞性能的影响，有助于提高发动机在不同工况下的可靠性。
• 气缸盖最佳壁厚的计算 ：确定气缸盖的最佳壁厚可以在保证强度的前提下，减轻发动机的重量，提高燃油效率。未来的研究可以通过数值模拟和实验相结合的方法，计算出气缸盖的最佳壁厚。
• 杯塞直径的优化 ：优化杯塞的直径可以维持杯塞与气缸盖之间的刚度，提高发动机的整体性能。研究不同直径杯塞的性能，有助于确定最佳的杯塞直径。

VTFET研究的未来方向

• 降低随机掺杂波动的影响 ：随机掺杂波动是TFET面临的一个重要问题，它会降低器件的性能。未来的研究可以探索新的掺杂技术或材料，以降低随机掺杂波动的影响，提高TFET的性能。
• 优化高温工艺 ：传统TFET需要高温工艺来形成陡峭的结，但这在工作温度下并不适用。未来的研究可以开发新的低温工艺或材料，以实现高效的隧穿，同时避免高温工艺带来的问题。
• 新型结构的探索 ：除了现有的VTFET结构，未来还可以探索新型的TFET结构，如横向隧道场效应晶体管（LTFET）等，以进一步提高器件的性能和可扩展性。

结论

发动机杯塞与气缸盖的干涉配合分析以及垂直隧道场效应晶体管（VTFET）的研究在现代工程领域具有重要意义。通过对发动机部件的研究，我们可以确保发动机的可靠性和性能，为发动机的设计和制造提供重要的参考依据。而VTFET的研究则为解决传统MOSFET的局限性提供了新的途径，有望推动晶体管技术的进一步发展。

未来的研究需要在现有基础上不断拓展和深入，探索新的材料、工艺和结构，以满足不断增长的技术需求。相信随着研究的不断深入，发动机技术和晶体管技术将取得更加显著的突破，为人类社会的发展做出更大的贡献。