压电半导体材料结合了半导体特性和压电特性,使得压电半导体器件具有独特的性质—利用材料的压电效应,通过施加外界应力产生压电电荷,不仅可以将机械能转换成电能,而且可以将应力与应变信号转换为电信号输出。从而可以通过力电耦合,基于压电半导体材料,设计和制备一系列新型应变传感与能量转换器件,尤其是具有高性能特征的纳米结构压电半导体器件。因此目前在压电半导体材料的研究与应用中,对于力电耦合的研究与应用,主要着眼于具有应变高灵敏度的纳米结构的压电半导体材料和器件结构的研究。同时具有压电特性和半导体特性的压电半导体纳米材料、纳米器件研究,成为纳米技术研究的热点和交叉前沿领域。实验与理论研究发现,纳米结构压电半导体材料,如纤锌矿结构的氧化锌、氮化镓等,可以作为新型传感^[1]与换能器件^[2],尤其可以用于设计高灵敏度、超低功耗的传感与换能器件,特别是在柔性电子学^[3]、可穿戴设备研究^[4]、物联网无线传感^[5]等多功能、低功耗领域有着巨大的应用潜力。在实验与理论研究基础上,压电半导体器件应用在纳米技术前沿领域诞生了新的交叉应用学科—压电电子学。压电电子学是研究压电半导体材料纳米或量子器件中,外界应力高效调控载流子输运、量子输运等特性,并且用应变导致的材料特性变化增强其应变灵敏度,这是在纳米尺度上应用力电耦合作用的一门独特的交叉学科,并且可以为非线性耦合的物理研究提供一个新的平台。压电电子学的力电耦合作用结合了压电理论与半导体理论,使得其在纳米机器人^[6],人机交互系统^[7],发光二极管^[8],光电池^[9],太阳能电池^[10]等领域存在重大的潜在应用价值,大大地拓宽了传统压电材料研究与应用领域,而且一系列新型器件,如纳米发电机^[11],纳米压电电子学传感器^[12],纳米能源包^[13]等显示出巨大应用前景。本论文内容主要包括:1、基于适合构造高灵敏度应变调控压电半导体传感器件的PN结,金属压电半导体接触,以一维氧化锌纳米线压电半导体器件为例,描述了压电电子学理论。2、基于压电电子学理论,研究了压电半导体PIN结的电流电压特性、频率特性等。由于PIN结的独特结构,其具有从低频到高频的广泛应用,其中主要包括在射频电路和高频微波电路的应用。本论文做了压电半导体PIN结在光电探测器,发光二极管中的压电调制特性的研究,并在此基础上讨论了压电半导体PIN二极管微波器件模型,通过分析电容和电阻得到高频特性在压电调控下的变化。3、研究了应变产生压电电场调控压电半导体隧道二极管的规律,即压电隧道二极管的压电调制特性。隧道二极管不同于普通的二极管,它的工作机制是量子隧穿,我们可以通过外界应力调控压电隧道二极管中电子的隧穿过程,使得压电隧道二极管在红外整流天线中的性能更加灵敏。我们研究压电半导体器件,得出了应变产生的压电电荷影响器件结区载流子分布和运动、压电势影响界面能带弯曲和势垒高度,从而可以通过应变来调控压电半导体器件的电学特性和光学特性。这个工作的意义是为设计高灵敏度、低功耗的新型电子器件提供理论基础。