Au/PVA/n-Si - Gazi Üniversitesi Açık Arşiv
advertisement
Au/PVA/n-Si (MIS) SCHOTTKY DİYOTLARIN TEMEL ELEKTRİKSEL PARAMETRELERİNİN SICAKLIĞA BAĞLI İNCELENMESİ Seda BENGİ YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ OCAK 2009 ANKARA Seda BENGİ tarafından hazırlanan Au/PVA/n-Si (MIS) SCHOTTKY DİYOTLARIN TEMEL ELEKTRİKSEL PARAMETRELERİNİN SICAKLIĞA BAĞLI İNCELENMESİ adlı bu tezin Yüksek Lisans Tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Doç. Dr. M. Mahir BÜLBÜL Tez Danışmanı, FİZİK Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Fizik Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Başkan : Prof. Dr. Bora ALKAN Fizik, Ankara Üniversitesi Üye : Doç. Dr. M. Mahir BÜLBÜL Fizik, Gazi Üniversitesi Üye : Doç. Dr. Şemsettin ALTINDAL Fizik, Gazi Üniversitesi Tarih: 12 / 01 / 2009 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onaylamıştır. Prof. Dr. Nail ÜNSAL Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Seda BENGİ iv Au/PVA/n-Si (MIS) SCHOTTKY DİYOTLARIN TEMEL ELEKTRİKSEL PARAMETRELERİNİN SICAKLIĞA BAĞLI İNCELENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Seda BENGİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ocak 2009 ÖZET Bu çalışmada, Au/PVA/n-Si (Metal-yalıtkan-yarıiletken) Schottky diyotların kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) karakteristikleri, 80-400K sıcaklık ve ±6V voltaj aralığında 1 MHz için incelendi. Deneysel sonuçlardan, seri dirençten dolayı doğru beslem C-V grafiğinin bir pik verdiği gözlendi. MIS yapının G/w-V eğrilerinde, belirgin bir voltaj değerinde gözlenen kesişme ideal bir MIS davranışa göre beklenmeyen bir durumdur. Elde edilen ölçümlerden Schottky engel yüksekliği (Фb), tüketim tabakası genişliği (Wd), arayüzey durumları (Nss), seri direnç (Rs) ve diğer temel elektriksel parametreler hesaplandı. Nss ve Rs değerlerinin önemli ölçüde sıcaklığa bağlı olduğu tespit edildi. Rs değerleri artan sıcaklıkla azalırken, Nss ise artan sıcaklıkla artmaktadır. Ayrıca, MIS yapının 1 MHz yüksek frekansta ölçülen Cm ve Gm/w değerleri, gerçek Cc ve Gc/w değerlerini elde etmek için seri direnç etkisi dikkate alınarak düzeltildi. Bilim kodu Anahtar kelimeler Sayfa adedi Tez yöneticisi : 202.1.147 : Au/PVA/n-Si yapılar, C-V ve G/w-V ölçümleri, Arayüzey durumları, Seri direnç, Sıcaklığa bağlılık : 60 : Doç. Dr. M. Mahir BÜLBÜL v INVESTIGATION OF TEMPERATURE DEPENDENT BASIC ELECTRICAL PARAMETERS OF Au/PVA/n-Si (MIS) SCHOTTKY DIODES (M. Sc. Thesis) Seda BENGİ GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY January 2009 ABSTRACT In this study, the capacitance - voltage (C-V) and conductance - voltage (G/w-V) characteristics of Au/PVA/n-Si (metal-insulator-semiconductor) Schottky diodes have been investigated over a wide temperature and the voltage range of 80400K and ±6 V, respectively, at 1 MHz. It is found that in the presence of series resistance, the forward bias C-V plots exhibit a peak. The crossing of the G/w–V curves appears as an abnormality compared to the conventional behavior of ideal MIS diode. From the evaluation of the experimental measurements, Schottky barrier height (Фb), depletion layer thickness (Wd), surface states (Nss), series resistance (Rs) and other main electrical parameters were calculated. Nss and Rs values are important parameters that strongly influence the electrical parameters in MIS Schottky diode. When the Rs decreases with increasing temperature, the Nss increases with increasing temperature. In addition, Cm ve Gm/w values measured at 1 MHz high frequency were corrected for the effect of series resistance to obtain the real Cc and Gc/w. Science Code Key words Page Number Adviser : 202.1.147 : Au/PVA/n-Si structures, C-V and G/w-V measurements, Surface states, Series resistance, Temperature dependence : 60 : Assoc. Prof. Dr. M. Mahir BÜLBÜL vi TEŞEKKÜR Yüksek lisans süresince yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren desteğini hiçbir zaman esirgemeyen Gazi Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü öğretim üyesi, danışmanım Doç. Dr. M. Mahir BÜLBÜL’ e ve çalışmalarım sırasında tecrübelerinden yararlandığım hocam Doç. Dr. Şemsettin ALTINDAL’ a gönülden teşekkür ederim. Ayrıca, deney malzemelerinin temin edilmesinde desteğini esirgemeyen hocam Doç. Dr. İlbilge DÖKME ve Au/PVA/n-Si yapının omik ve Schottky kontaklarının oluşturulmasını gerçekleştiren Prof. Dr. Tofig MAMMADOV hocama teşekkür ederim. Ayrıca eğitim hayatım boyunca manevi desteklerini esirgemeyen başta annem Halime BENGİ ve babam Sait BENGİ olmak üzere tüm aileme ve arkadaşlarıma teşekkür ederim. vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET .......................................................................................................iv ABSTRACT ....................................................................................................... v TEŞEKKÜR .......................................................................................................vi İÇİNDEKİLER..................................................................................................vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ .................................................................................ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ ....................................................................................... x SİMGELER VE KISALTMALAR ....................................................................xii 1. GİRİŞ ........................................................................................................1 2. TEORİK BİLGİLER........................................................................................4 2.1. Metal Yarıiletken (MS) Kontaklar ............................................................. 4 2.2. İdeal Metal Yarıiletken Kontaklarda Schottky Mott Teorisi....................... 5 2.3. Metal Yalıtkan Yarıiletken (MIS) Kontaklar............................................ 10 2.4. İdeal MIS Yapı........................................................................................ 11 2.4.1. Yığılım............................................................................................. 15 2.4.2. Tükenim ........................................................................................... 15 2.4.3. Tersinim ........................................................................................... 16 2.5. Gerçek MIS Yapı .................................................................................... 17 2.5.1. Arayüzey durumları.......................................................................... 18 2.5.2. Sabit oksit ve arayüzey yükleri ......................................................... 19 2.5.3. Hareketli iyonik yük ......................................................................... 19 2.5.4. Oksitte tuzaklanmış yük.................................................................... 20 2.6. MIS Diyotlarda Arayüzey Durum Yoğunluğu Teorisi ............................. 21 viii Sayfa 3. DENEYSEL YÖNTEM ................................................................................. 27 3.1. PVA (polivinil alkol) nın Temel Özellikleri............................................. 27 3.2. Elektrospinning Yöntemi ile PVA Hazırlanması...................................... 28 3.3. Au/PVA/n-Si (MIS) Yapının Hazırlanması.............................................. 30 3.4. Kullanılan Ölçüm Düzenekleri ................................................................ 32 4. DENEYSEL SONUÇLAR............................................................................. 34 4.1. Giriş ........................................................................................................ 34 4.2. Sıcaklığa Bağlı Kapasitans-Voltaj (C-V) ve İletkenlik-Voltaj (G/w-V) Karakteristikleri ..................................................................................... 34 5. SONUÇ ...................................................................................................... 52 KAYNAKLAR.................................................................................................. 56 ÖZGEÇMİŞ ...................................................................................................... 60 ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 4.1. Farklı sıcaklık değerleri için hesaplanan deneysel Vd, Nd, Ef, ∆Фb, Фb, Wd parametreleri............................................................. 42 Çizelge 4.2. MIS yapı için 80-400 K sıcaklık aralığında C-V ve G/w-V ölçümlerinden ve hesaplamalardan elde edilen çeşitli parametreler................................................................................... 48 x ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Bir MS kontağın şematik gösterimi..................................................... 4 Şekil 2.2. Metal/n-tipi yarıiletken kontakta, m s için elektron enerjibant diyagramı(a) Birbirinden ayrılmış nötral materyaller (b) kontak oluşturulduktan sonra termal denge durumu ............................ 5 Şekil 2.3. Metal/n-tipi yarıiletken doğrultucu kontak için elektron enerjibant diyagramı (a) Termal denge durumu (b) doğru beslem (c) ters beslem.......................................................................................... 8 Şekil 2.4. MIS yapının şematik gösterimi ......................................................... 10 Şekil 2.5. V=0’da ideal bir MIS yapının enerji-bant diyagramı. (a) p-tipi yarıiletken (b) n-tipi yarıiletken.......................................... 11 Şekil 2.6. MIS kapasitansının eşdeğer devresi .................................................. 13 Şekil 2.7. V 0 durumunda ideal MIS yapının enerji-bant şeması. (a) Yığılım (b) Tükenim (c) Tersinim ............................................... 14 Şekil 2.8. İdeal bir MIS yapının elektronik şeması. (a) Yığılım (b) Tükenim (c) Tersinim.................................................................. 17 Şekil 2.9. İdeal olmayan MIS yapıda arayüzey durumları ve yüklerin sınıflandırılması................................................................................ 18 Şekil 2.10. Arayüzey tuzaklarının etkisini içeren eşdeğer devre.......................... 22 Şekil 2.11. MIS yapının eşdeğer devresi............................................................. 24 Şekil 3.1. PVA’nın kimyasal yapısı .................................................................. 27 Şekil 3.2. Electrospinnig düzeneği ve mekanizması.......................................... 29 Şekil3.3. Omik kontak oluşturmak için kullanılan maske................................. 31 Şekil 3.4. Doğrultucu kontak oluşturmak için kullanılan bakır maske ............... 31 Şekil 3.5. Au/PVA/n-Si (MIS) yapının şematik gösterimi................................. 32 xi Şekil Sayfa Şekil 3.6. Kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) ölçümleri için kullanılan düzenek .................................................................... 33 Şekil 4.1. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 80–400 K arasındaki C-V karakteristikleri................................................................................. 35 Şekil 4.2. 1V da sıcaklığa bağlı kapasitans değerleri......................................... 36 Şekil 4.3. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 80–400 K arasındaki G/w-V karakteristikleri................................................................................. 37 Şekil 4.4. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 1 MHz frekansta 80–400 K için C-2-V grafiği..................................................................................... 39 Şekil 4.5. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun sıcaklığa bağlı V d, Ef, Ф b değişimi............................................................................................ 41 Şekil 4.6. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 1 MHz frekansta 80–400 K için Rs-V grafiği...................................................................................... 44 Şekil 4.7. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 1 MHz frekansta 80–400 K için farklı voltaj değerleri için Rs- T grafiği............................................. 45 Şekil 4.8. 1 MHz’ de C - V ve G/w - V ölçümlerinden elde edilen arayüzey durumlarının sıcaklığa bağlı değişimi ............................................... 46 Şekil 4.9. 1 MHz’ de C - V ve G/w - V ölçümlerinden elde edilen seri direnç değerlerinin sıcaklığa bağlı değişimi ...................................... 47 Şekil 4.10. 1MHz’ de MIS Schottky diyotun T=300 K’ de ( oda sıcaklığı ) ölçülen (Cm-V) ve düzeltilmiş (Cc-V) karakteristikleri ...................... 50 Şekil 4.11. 1MHz’ de MIS Schottky diyotun T=300 K’ de ( oda sıcaklığı ) ölçülen (Gm/w-V) ve düzeltilmiş (Gc/w-V) karakteristikleri .............. 51 xii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılan bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama A Alan Å Angstrom Al Alüminyum A* Richardson sabiti A** Etkin Richardson sabiti C Kapasitans Co İlave kapasitans Cox Yalıtkan tabakanın kapasitansı Csc Uzay yükü kapasitansı Cm Ölçülen kapasitans değeri Cc Düzeltilmiş kapasitans değeri Ev Değerlik (valans) bant kenarı enerjisi Ec İletkenlik bant kenarı enerjisi EF Fermi enerjisi Eg Yarıiletken yasak enerji aralığı o Boşluğun elektrik geçirgenliği i Yalıtkan tabakanın dielektrik sabiti s Yarıiletkenin dielektrik sabiti Hz Frekans birimi (Hertz) K Termodinamik sıcaklık k Boltzmann sabiti m* Elektronun etkin kütlesi mo Serbest elektron kütlesi ND Verici yoğunluğu xiii Simgeler Açıklama NA Alıcı yoğunluğu Nc İletkenlik bandının etkin taşıyıcı yoğunluğu Nv Değerlik bandının etkin taşıyıcı yoğunluğu Nss Arayüzey durum yoğunluğu Qsc Uzay yükü q Elektrik yükü Rs Seri direnç Si Silisyum Ge Germanyum T Mutlak sıcaklık V Gerilim Vd Difüzyon potansiyeli VF Doğru beslem VR Ters beslem Vy Yalıtkan üzerine düşen gerilim Vyi Yarıiletken üzerine düşen gerilim VG Metal plakaya uygulanan gerilim WD Tüketim tabakasının kalınlığı Y Admittans Z Empedans B Potansiyel engel yüksekliği Bo Sıfır beslem potansiyel engel yüksekliği s Yarıiletkenin iş fonksiyonu m Metalin iş fonksiyonu e Etkin engel yüksekliği n n- tipi bir yarıiletkenin iletkenlik bandı ile Fermi seviyesi arasındaki enerji farkı Yalıtkan tabaka kalınlığı Ohm xiv Simgeler Açıklama Öz direnç s Elektron yakınlığı Ψs Yüzey potansiyeli Kısaltmalar Açıklama a.c. Alternatif akım d.c. Doğru akım C-V Kapasitans-voltaj G/w-V İletkenlik-voltaj MS Metal/Yarıiletken MIS Metal/Yalıtkan/Yarıiletken MOS Metal/Oksit/yarıiletken PVA Polivinil alkol 1 1. GİRİŞ Schottky diyotlar fizik alanında teorik ve deneysel olarak önem taşıyan araştırma konularından biridir. Karakteristiklerinin çoğunun bilinmesi ve yapılışlarının kolay olması nedeniyle, Schottky diyotların önemi ve kullanım alanları her geçen gün artmaktadır. Metal-Yarıiletken (MS), Metal-Yalıtkan-Yarıiletken (MIS), MetalOksit-Yarıiletken (MOS), Metal-Yarıieltken güneş pili çalışmaları, Metal-Yarıiletken radyasyon dedektörleri ve son yıllarda özellikle ilgi çeken polimerik ve nonpolimerik organik bileşiklerle yapılan kontaklar, bu alandaki çalışmalarda Schottky diyotların önemini göstermektedir. Schottky kontaklar elektronik sanayinde birçok alanda kullanılmaktadır. Bu kontakların uygulamalarından bazıları; MESFET (Schotkky engel tabakalı alan etkili transistörler), MOSFET (Metal-Oksit-Yarıiletken alan etkili transistörler), uygulamaları), mikrodalga karıştırıcı varaktörler dedektörleri, (kapasiteleri uygulanan switching (hızlı anahtar gerilime göre değişen kondansatörler) dir. Metal- Yarıiletken arayüzeyinde bir bariyer oluştuğunu ilk kez Schottky ortaya koyduğu için metal-yarıiletken kontaklar Schottky bariyer diyot olarak adlandırılır. Metal-Yarıiletken (MS) kontaklarla ilgili ilk çalışma 1874 yılında Braun tarafından yapılmıştır. Braun; demir, bakır ve kurşun sülfür kristaller üzerine metalik kontakların yapıldığını açıklamıştır [1]. MS kontaklarla ilgili temel çalışmalar yirminci yüzyılda başlamıştır. MS kontaklar, teknolojik olarak 1900 yılından önce radyo dedektörü, İkinci Dünya Savaşı sırasında radar dedektörü, 1970’den sonraki yıllarda ise mikrodalga diyotu olarak kullanılmıştır [1]. MS diyotların teknolojik gelişimi kısaca aşağıda yer almaktadır. Braun, 1895’de nokta kontak metal-yarıiletken doğrultucular ve dedektörlerin uygulanmasını sağlamıştır. 1920’li yıllarda radyo dalgalarının algılanmasında vakum tüpleri kullanılmıştır. 1948’li yıllarda Bardeen ve Brattain, nokta kontak Germanyum diyotlarda taşıyıcı enjeksiyonu bulmuşlar ve nokta kontak Ge transistörünü yapmışlardır. 2 1950’li yıllarda metal-yarıiletken kontaklar p-n eklem şeklinde omik kontak olarak kullanılmıştır. 1960’lı yıllarda metal-yarıiletken kontaklarla ilgili araştırmalar yoğunluk kazanmıştır. Bu araştırmalardan biri Baird’ in Schottky engelini Si transistörler ile birleştirerek metal-yarıiletken alan etkili transistörün (MESFET) geliştirilmesidir. 1970’li yıllarda çalışmalar p-n eklem diyotların V-T karakteristiklerini ölçerek devam etmiştir. 1980’li yıllarda ise MS diyotların V-T karakteristiklerinin ölçülmesi gerçekleştirilmiştir. Arayüzey tabakasının kontak parametrelerini önemli derecede etkilediğinin anlaşılmasından sonra değişik amaçlar için kullanılmak üzere arayüzey tabakası olarak farklı maddeler kullanılarak üretilen Schottky diyotları üzerinde çalışmalar yoğunlaşmıştır. Genellikle arayüzey tabakası olarak polimer olmayan organik maddeler ve polimer maddeler kullanılmaya başlanmıştır. Ayrıca iletken polimerler metalle kontak haline getirildiği zaman fotovoltaik, elektrolüminesans ve doğrultucu etki gösterdiğinden, son zamanlarda elektronik endüstrisinde önemli bir yere sahip olmaya başlamışdır. Bunun yanında polimerlerin mekanik dayanıklılığı, hem metalik hem de yarıiletken davranışa sahip oluşu, kararlılığı ve ucuzluğu bunları metal yarıiletken kontak imalinde tercih edilen materyaller haline getirmiştir. Bu nedenle günümüzde metal/polimer/yarıiletken kontaklar üzerindeki çalışmalar artmıştır. MIS yapıların hazırlanmasında, yarıiletkenin p-tipi veya n-tipi olmasına göre uygun iş fonksiyonu metaller seçilir. Metal olarak genellikle altın (Au), alüminyum (Al) gibi yüksek saflıktaki metaller kullanılırken yarıiletken olarak daha çok silisyum tercih edilir. Silisyumun tercih edilmesinin sebebi doğada bol miktarda bulunması ve kristal yüzeyinde doğal olarak yalıtkan tabakanın elde edilebilmesidir. Yalıtkan tabaka olarak genellikle SiO2, SnO2, Si3N4 gibi materyaller kullanılır. 3 Yalıtkan tabakayı seçerken; yüzeyi pasivize edecek, sızıntı akımını en aza indirecek, kontrol edilebilir akım-iletim mekanizması gerçekleştirecek ve doğrultucu özelliğe yaklaşacak malzemeler seçmeye dikkat edilir. Bu unsurlar dikkate alınarak çalışmamızda PVA (polivinil alkol) kullandık. PVA’yı üretim maliyetlerinin düşük, sıcaklığa karşı kararlı, dayanıklı ve kolaylıkla malzeme üzerine ince tabaka oluşturulabilir olması nedeniyle deneyimizde kullanmayı tercih ettik. MIS Schottky diyotların temel elektriksel parametreleri, frekansa veya sıcaklığa bağlı olarak akım-voltaj (I-V), kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) ölçümleri kullanılarak belirlenir. Son yıllarda, MS veya MIS yapılı Schottky diyotların C-V ve G/w-V özellikleri Nss, Rss ve yalıtkan tabaka etkileri göz önüne alınarak araştırılmaktadır. Rs, aygıtın C ve G/w özelliklerini belirgin bir şekilde etkilemektedir. Bu çalışmada Au/PVA/n-Si MIS Schottky diyotların elektriksel özelliklerini belirlemek için geniş bir sıcaklık aralığında (80-400 K) kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) ölçümleri incelendi. Ölçümler, arayüzey durumlarının etkisini azaltmak amacıyla yeterince yüksek frekansta (1MHz) gerçekleştirildi. Deneysel ölçümleri kullanarak çizilen grafikler ve yapılan hesaplamalar sonucu arayüzey durumları (Nss), seri direnç (Rs), difüzyon potansiyeli (Vd), tüketim tabakasının genişliği (Wd), potansiyel engel yüksekliği (ΦB) gibi temel parametreler elde edildi. Bu çalışma beş bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, MS ve MIS Schottky diyotların tarihsel gelişimi, kullanım alanları, önemi ve çalışmanın kapsamı hakkında bilgi verildi. İkinci bölümde, MS ve MIS Schottky diyotların yapısı üzerinde duruldu. Üçüncü bölümde, numunenin hazırlanma aşamaları, PVA’ nın temel özellikleri, Electrospinning yöntemi ve kullanılan deneysel sistem hakkında bilgi verildi. Dördüncü bölümde, kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) ölçümlerinden elde edilen veriler kullanılarak gerekli grafikler çizilip temel parametreler hesaplandı. Beşinci bölümde ise elde edilen deneysel sonuçlarla ilgili değerlendirme yapılarak sonuçlar yorumlandı. 4 2. TEORİK BİLGİLER 2.1. Metal Yarıiletken (MS) Kontaklar Schottky diyotların karakteristik parametrelerinin anlaşılabilmesi için yalıtkan ve yarıiletken kristallerinin iletkenlik özelliklerinin bilinmesi gerekir ve bunun bir yolu kristale uygun kontakların uygulanmasıdır. Yarıiletken kristal ile kontak yapılacak malzemenin olabildiğince çok küçük bir dirençle atomik boyutta temas etmeleri beklenir. Oluşturulan kontağın ideal olması için, kontak olarak kullanılan malzemelerin yüzeylerinin yeteri kadar temiz ve pürüzsüz olması gereklidir. Metal ile yarıiletken kontak edildiğinde, termal denge kuruluncaya kadar metal ile yarıiletken kristal arasında yük geçişleri (difüzyon) olur. Metal ile yarıiletkenin Fermi enerji düzeyleri eşit oluncaya kadar hem metalden yarıiletkene hem de yarıiletkenden metale doğru yük alışverişi olur. Doğrultucu kontak Yarıiletken Omik kontak Şekil 2.1. Bir MS kontağın şematik gösterimi Metal-yarıiletken kontaklar doğrultucu ve omik olmak üzere ikiye ayrılırlar. Kontağın omik veya doğrultucu olmasını, metal ve yarıiletkenin iş fonksiyonları belirler. m metalin iş fonksiyonu, s de yarıiletkenin iş fonksiyonu olmak üzere, metal/n-tipi yarıiletken kontaklar için m>s durumunda doğrultucu kontak ve s>m durumunda ise omik kontak oluşur. Metal/p-tipi yarıiletken kontaklarda ise m>s durumunda omik kontak ve s>m durumunda da doğrultucu kontak oluşur. 5 Bu durumların ikisi de aşağıdaki çizelgede özetlenmiştir. Doğrultucu kontak Omik kontak n –tipi m> s m< s p –tipi m< s m> s 2.2. İdeal Metal Yarıiletken Kontaklarda Schottky Mott Teorisi Bir metal, bir yarıiletken ile kontak edildiğinde, metal-yarıiletken arayüzeyinde yüklerin ayrışmasından dolayı bir potansiyel engel yüksekliği oluşur. Metal ile yarıiletken arasındaki arayüzey tabakası hareketli yüklerden arınmış yüksek dirençli bir bölgedir. Schottky-Mott modeline göre potansiyel engel, iki maddenin iş fonksiyonları arasındaki fark sebebiyle oluşmaktadır [2]. Şekil 2.2’de iş fonksiyonu m olan metal ile iş fonksiyonu s olan n-tipi bir yarıiletkenin, s<m durumundaki (doğrultucu kontak) enerji-bant diyagramını gösterilmiştir. Şekil 2.2. Metal/n-tipi yarıiletken kontakta, m s için elektron enerji-bant diyagramı (a) Birbirinden ayrılmış nötral materyaller (b) kontak oluşturulduktan sonra termal denge durumu 6 m : Metalin iş fonksiyonu S : Yarıiletkenin iş fonksiyonu B : Potansiyel engel yüksekliği n : n-tipi bir yarıiletkenin iletkenlik bandı ile Fermi seviyesi arasındaki enerji farkı S : Yarıiletkenin elektron yakınlığı EV : Valans (değerlik) bandı enerji seviyesi EC : İletkenlik bandı enerji seviyesi EF : Fermi enerji seviyesi WD : Tüketim tabakasının kalınlığı Fermi Enerjisi: İletkenlerde mutlak sıfır sıcaklığında (T=0 K), elektronlar tarafından taban durumundan itibaren işgal edilen en yüksekteki dolu seviyenin enerjisine denir. Yarıiletkenlerde ise iletkenlik ve valans bandındaki taşıyıcı sayısına ve sıcaklığa bağlı olarak, yasak enerji bölgesinde yer alan izafi seviye Fermi enerjisi olarak tanımlanır. n tipi yarıiletkenlerde Fermi enerjisi iletim bandından itibaren ölçülürken p tipinde ise valans bandından itibaren ölçülür. Vakum seviyesi: Bir metalin tam dışındaki sıfır kinetik enerjili bir elektronun enerji seviyesi veya bir elektronu yüzeyden koparıp serbest hale gelmesi için ihtiyaç duyulan minimum enerji miktarı olup Şekil 2.2 de referans olarak alınmıştır. Metalin iş fonksiyonu (m): Bir elektronu Fermi enerji seviyesinden vakum seviyesine çıkarmak veya serbest hale getirmek için ihtiyaç duyulan minimum enerji miktarıdır. Yarıiletkenin iş fonksiyonu(s): Yarıiletkenin Fermi enerji seviyesi ile vakum seviyesi arasındaki enerji farkıdır. Fermi enerjisi katkılanan madde atomlarının yoğunluğu ile değiştiğinden dolayı s de değişen bir niceliktir. Elektron yakınlığı (): Vakum seviyesi ile iletkenlik bandı kenarı arasındaki bir elektronun enerji farkı olarak tanımlanır. 7 Şekil 2.2.a’da yarıiletken yüzey durumları içermediğinden yüzeyin bant yapısı yarıiletken gövde bant yapısı ile aynıdır yani bantlarda bir bükülme yoktur. Şekil 2.2.b metal ile yarıiletken kontak yapıldıktan sonra dengeye ulaşmış durumun enerjibant diyagramını göstermektedir. Metal yarıiletkenle kontak edildiğinde, metaldeki elektronlardan daha yüksek enerjiye sahip olan yarıiletkenin iletkenlik bandında bulunan veya uyarılmış elektronlar, yarıiletkenin Fermi seviyesi metalin Fermi seviyesine eşit olana kadar yarıiletkenden metale doğru akarlar. Bu geçiş neticesinde, yarıiletkenin sınırında serbest elektron konsantrasyonu azaldığı için yarıiletkendeki Fermi enerji seviyesi yasak enerji aralığının ortasına doğru kayacaktır. Yani iletkenlik bant kenarı EC ile Fermi seviyesi EF arasındaki fark, azalan bu elektron konsantrasyonu ile artar ve termal dengede EF tamamen sabit kaldığı için iletkenlik ve valans bant kenarları Şekil 2.1.b’deki gibi yukarı doğru bükülürler. Yarıiletkenin vakum seviyesi ve yarıiletkenin elektron yakınlığı s kontak ile değişmediğinden aynı şekilde yukarı doğru bükülür. Yarıiletkenden metale geçen iletkenlik bandı elektronları arkalarında pozitif yüklü verici (donor) iyonları bırakırlar. Böylece yarıiletkenin metale bakan ön yüzeyinde hareketli yükler bu geçiş nedeniyle azalır. Bunun sonucu olarak da arayüzeyin yarıiletken tarafında pozitif yükler oluşur aynı zamanda metal tarafında da yarıiletkenden metale geçen elektronlar ince bir negatif yük tabakası oluştururlar. Bu yük düzenlemeleri sonucunda, yarıiletkenden metale doğru doğal bir elektrik alan oluşur. Termal denge durumunda, engel yüksekliğini belirlemek için önemli bir nokta olan geçiş bölgesinde vakum seviyesinin sürekli olması sağlanmış olur ve bant bükülme miktarı (qVi), metal ile yarıiletken materyallerin iş fonksiyonları arasındaki farka eşittir. Bu fark qV i ( m s ) olarak ifade edilir. Burada qVi yarıiletkenden metale gidecek olan elektronun sahip olması gereken enerji yani engel yüksekliğidir. Bununla birlikte metal tarafından gözüken engel yüksekliği, yarıiletken tarafından gözüken engel yüksekliğinden farklıdır ve B ( m s ) ile verilir [3]. (2.1) 8 s s n ve m qV i s olduğundan, B (qVi n ) (2.2) olarak elde edilir. Burada n ( Ec E F ) dir. Ancak Ec referans olarak sıfır alınırsa n E F olur. Eş. 2.1 birbirlerinden bağımsız olarak Schottky ve Mott tarafından ifade edilmiştir [4]. Şekil 2.3 Metal/n-tipi yarıiletken doğrultucu kontak için elektron enerji-bant diyagramı (a) Termal denge durumu (b) doğru beslem (c) ters beslem Şekil 2.3’de metal-yarıiletkenin kontak edildikten sonraki; termal dengede, doğru ve ters beslem enerji-bant diyagramları sırasıyla gösterilmiştir. Şekil 2.3.a termal denge halinde, yarıiletkenden metale geçen elektronlar metalden yarıiletkene geçen elektronlar ile dengelenir ve net bir akım oluşmaz. Yarıiletkenin tüketim bölgesi çok az hareketli taşıyıcı içerdiği için, bu bölgenin direnci metalin ve yarıiletkenin nötral kısmının direnci ile kıyaslandığında çok yüksektir. Bu nedenle uygulanan dış gerilimin neredeyse tamamı bu bölgeye düşer. Yapıya uygulanacak doğru veya ters 9 bir ön gerilim voltajı termal denge durumundaki enerji-bant diyagramını değiştirecektir. Metal/n-tipi yarıiletken kontaklarda, yarıiletken tarafı metale göre negatif olacak şekilde V=VF gerilim uygulandığında, tüketim bölgesinin genişliği azalır ve Şekil 2.3.b’de gösterildiği gibi termal dengedeki potansiyel engel yüksekliği, qVi’den q(Vi-VF)’ye iner. Bu durumda yarıiletkenden metale geçecek elektronlar azalmış bir engel ile karşılaşacaklar ve bunun sonucu olarak da yarıiletkenden metale doğru olan elektron akımı termal denge değerine göre artarken metalden yarıiletkene elektron akımı değişmez. Çünkü metalde herhangi bir gerilim düşmesi oluşmaz ve potansiyel engel yüksekliği B uygulanan gerilimden etkilenmez. Sonuç olarak yarıiletken negatif, metal pozitif olacak şekilde kontağa bir dış gerilim uygulandığı zaman, yarıiletkenden metale doğru olan net bir akım vardır. Bu durumda metal-yarıileken kontağı doğru ön gerilimlenmiş olur. Doğru beslem akımı, uygulanan VF doğru beslem gerilimi ile üstel olarak artar [5]. Kontağın ters beslem durumundaki enerji bant diyagramı ise Şekil 2.3.c’de verilmiştir. Yarıiletken metale göre pozitif olacak şekilde V=-VR gerilimi uygulandığında ise tüketim bölgesindeki potansiyel engel yüksekliği qVi’ den q(Vi + VR)’ ye yükselir. Bu nedenle yarıiletkenden metale doğru elektron akımı termal denge durumuna göre azalır. Metalden yarıiletkene elektron akımı ise pratik olarak termal dengedeki akımın aynısıdır. Yarıiletkenden metale doğru olan akım, doğru beslemdeki ile kıyaslandığında daha küçüktür. Böylece bu tartışmalar altında bahsedilen kontak tek yönde akım ileten doğrultucu kontak olur. Şekil 2.3.b ve Şekil 2.3.c’deki enerji-bant diyagramları denge şartlarında değildir ve tek bir Fermi seviyesi yoktur. Elektronların gittiği bölgenin Fermi enerji seviyesi, elektronların geldiği bölgenin Fermi enerji seviyesinden daha yüksektir. 10 2.3. Metal Yalıtkan Yarıiletken (MIS) Kontaklar Metal ile yarıiletken arasında yalıtkan bir tabaka ister doğal yolla oluşsun ister deneysel yöntemlerle oluşturulsun metal/yarıiletken yapıyı metal/yalıtkan/ yarıiletken yapıya dönüştürür. Arada bir yalıtkan tabakanın varlığı metali yarıiletken sistemden ayırır. Böylece bu sistemlerde yarıiletkendeki ara yüzey durumları metaldeki elektron durumlarından izole edilmiş olur [6]. Bu durumda ara yüzey durumları yarıiletkenin Fermi seviyesi ile belirlenir. VG Doğrultucu metal kontak dox ≥30 Å Yalıtkan 280 m Yarıiletken Omik kontak Şekil 2.4. MIS yapının şematik gösterimi Şekil 2.4’de MIS yapısı gösterilmiştir. Burada dox yalıtkan oksit tabakanın kalınlığı ve VG metal plakaya uygulanan gerilimdir. VG gerilimi; metal plaka omik kontağa göre pozitif bir gerilim ile beslendiğinde pozitif, negatif bir gerilim ile beslendiğinde negatiftir. MIS yapılarda uygulanan doğru beslem geriliminin bir kısmı yarıiletken tüketim tabakasına düşerken bir kısmı da yalıtkan tabaka üzerine düşer ve VG = Vyi+ Vy (2.3) şeklinde ifade edilir. Burada; Vyi, uygulanan VG geriliminin yarıiletken üzerine düşen kısmı, Vy, yalıtkan üzerine düşen kısımdır. 11 2.4. İdeal MIS yapı İdeal MIS yapının, V=0 durumunda enerji-bant diyagramı Şekil 2.5’de gösterilmiştir. İdeal MIS olarak tanımlanan yapı aşağıdaki özelliklere sahiptir [7,8]. qi Vakum seviyesi Vakum seviyesi q qm Ec qm qB q qB Ec Ei Ef Ef Ev Metal Yalıtkan Ei Ev Metal Yarıiletken (a) Yalıtkan Yarıiletken (b) Şekil 2.5. V=0’da ideal bir MIS yapının enerji-bant diyagramı. (a) p-tipi yarıiletken (b) n-tipi yarıiletken Sıfır beslem durumunda metalin iş fonksiyonu m ve yarıiletkenin iş fonksiyonu s arasındaki fark sıfırdır. ms m ( ms m ( Eg 2q Eg 2q B ) 0 (n-tipi) (2.4) B ) 0 (p-tipi) (2.5) Burada χ yarıiletken elektron yakınlığı, Eg yasak enerji aralığı ve B ise Fermi enerji seviyesi EF ile saf enerji seviyesi Ei arasındaki enerji farkıdır. 12 d.c. beslem şartları altında yalıtkana doğru taşıyıcı geçişi yoktur yani yalıtkanın özdirenci sonsuzdur. Herhangi bir beslem şartı altında, yapıdaki yükler yalıtkan ile bitişik, metal yüzeyindekiler ile yarıiletkendekiler eşit miktarda fakat zıt yönlüdür. İdeal bir MIS yapıda metal elektroda gerilim uygulandığı zaman yarıiletkende yük kaymaları oluşur. Yarıiletkendeki serbest hareketli yük yoğunluğu metaldekine göre daha az ve uygulanan gerilime bağlıdır. Yarıiletken arayüzey bölgesinde bantların bükülmesine sebep olan uzay yükü Qsc oluşur. Termal denge durumunda arayüzey bölgesindeki uzay yükü potansiyelin büyüklüğü ile belirlenir. Yarıiletkende yükler katkılama türüne göre çoğunluk ve azınlık taşıyıcılar olup, yarıiletkende metallerdekine göre serbest olmayan yükler bulunduğu için uygulanan gerilime bağlı olarak yük, ya uzay yükü bölgesini ya da arayüzey bölgesindeki yığılmaları oluşturur. Uygulanan VG geriliminin bir kısmı yarıiletken üzerine bir kısmı da yalıtkan tabaka üzerine düşer. Bunun için, VG Vox s (2.6) eşitliği yazılabilir. Bu ifadede Vox yalıtkan üzerine düşen gerilim, ψs arayüzeydeki bant gerilimidir [9]. Metal ve yarıiletken tabaka arasındaki yalıtkan tabakadan dolayı metal ve yarıiletken arasında bir kapasitans oluşur. Bu kapasitans MIS kapasitansı olarak adlandırılır. Bu kondansatörlerin özelliklerini metal ve yarıiletken tabakalar arasındaki yalıtkan ve yalıtkan–yarıiletken arayüzeyi belirler. Kapasitans arayüzeyin dielektrik sabitine bağlıdır. Bir MIS kapasitansına karşılık gelen eşdeğer devre Şekil 2.4’de gösterilmiştir. Uygulanan gerilimde küçük diferansiyel değişimler varsa MIS yapının kapasitansı C, yalıtkan tabakanın kapasitansı Cox ve uzay yükü kapasitansı Csc olarak gösterilebilir. Bunların eşdeğer kapasitansları bize MIS kapasitansını verecektir. 13 Metal Cox Yalıtkan dox Csc Yarıiletken Şekil 2.6. MIS kapasitansının eşdeğer devresi Şekil 2.6’daki eşdeğer devrenin çözümünde MIS kapasitansı aşağıdaki eşitlikle verilir. 1 1 1 C C sc C ox (2.7) Bu sonuca göre MIS yapının eşdeğer kapasitansı, Csc ve Cox kapasitanslarının seri bağlanmasına eşdeğerdir. Yalıtkan tabakanın kapasitansı Cox ise, C ox ox Aox d ox (2.8) olarak verilir. Bağıntıda ox yalıtkan tabakasının dielektrik sabiti, d ox ise onun kalınlığı olup uygulanan gerilimden bağımsız olduklarından C ox değeri uygulanan gerilimle değişmez. Böylece MIS yapının kapasitansındaki değişimi sadece Qsc uzay yükü kapasitansı belirler. Uygulanan gerilime bağlı olarak MIS kapasitansında meydana gelen Şekil 2.7’de gösterilen durumları p-tipi bir yarıiletken için tanımlayalım [7,9]. 14 Şekil 2.7. V 0 durumunda ideal MIS yapının enerji-bant şeması. (a) Yığılım (b) Tükenim (c) Tersinim 15 2.4.1. Yığılım Metal plakaya bir negatif gerilim ( VG 0 ) uygulandığı zaman, bu gerilimden dolayı oluşan elektrik alan yarıiletkenin çoğunluk yük taşıyıcısı olan deşikleri yarıiletken arayüzeyine doğru çekecektir (Şekil 2.7.a). İdeal bir diyotta yük akışı olmadığı zaman Fermi enerji seviyesi yarıiletkende sabit kalır. Taşıyıcı yoğunluğu üstel olarak enerji farkına (EF–EV) bağlı olduğundan, bant bükülmesi yarıiletken yüzeyinin yakınında çoğunluk taşıyıcı olan deşiklerin yığılmasına sebep olur. Valans bandının yarıiletken arayüzeyinde Fermi seviyesine yaklaştığı iletkenlik bandının da buna bağlı olarak yukarı doğru büküldüğü bu duruma, çoğunluk yük taşıyıcıların arayüzeyde birikmelerinden dolayı “yığılım” adı verilir. Bu durumda arayüzeyde biriken yükün yüzey yükü olması sebebiyle C sc , dolayısıyla C C ox olur. 2.4.2. Tükenim Metal plakaya küçük bir pozitif gerilim ( VG 0 ) uygulandığı zaman, yalıtkan içinde oluşan elektrik alan yarıiletken arayüzeyindeki deşikleri yüzeyden uzaklaştırır. Bu durumda yarıiletken yüzeyindeki deşik yoğunluğu, yarıiletkenin iç kısımlarındaki deşik yoğunluğundan küçük olmaya başlar ve bantlar aşağı doğru bükülür. İletkenlik bandının yarıiletken yüzeyine yakın bölgelerinde, elektronlar toplanmaya başlar. Yarıiletken yüzeyinde, uygulanan gerilimle değişen W genişliğinde bir bölgede, deşiklerin azaldığı bir tükenim bölgesi oluşur. Deşiklerin azaldığı bu bölgeye tükenim bölgesi, bu olaya “tükenim” olayı denir (Şekil 2.7.b). Bu olayda bantlar aşağı doğru bükülür ve çoğunluk taşıyıcı durumundaki deşikler arayüzey bölgesinde tükenirler. Uygulanan gerilim arttığında, tükenim tabakası yük dengesi için çok sayıda alıcı iyonları sağlamakla genişler. Tükenim yaygınlaştığı zaman, silisyum gibi yarıiletken yüzey yükü tabakası, derin beslem tükenimi ve katkı yoğunluğu 0,1-10 m civarında genişleyen iyonize olmuş katkılı iyonların bölgesini içerir. 16 Tükenim bölgesinin kalınlığı aşağıdaki eşitlikle verilir: WD s Aox ( 1 1 ) C C ox (2.9) Burada s yarıiletkenin dielektrik sabitidir. Bu bölgede MIS kapasitansını uzay yükü kapasitansı ve yalıtkan kapasitansı belirler. Yüksek frekansta gerilim ani olarak değiştirilirse, azınlık taşıyıcıların tekrardan birleşme hızına bağlı olarak tersinim yükü daha geç birikir bu da C-V eğrisinin Cmin ’un altına düşmesine sebep olur. Bu dengesiz bir durumdur ve derin tükenim olarak tanımlanır. 2.4.3. Tersinim Metale daha büyük bir pozitif gerilim ( VG 0 ) uygulandığı zaman bantlar aşağı doğru bükülür. Saf durumdaki enerji seviyesi Ei, Fermi enerji seviyesinin altına geçer. Bu durumda yarıiletken yüzeyinde azınlık taşıyıcılar olan elektronlar artmaya başlar. Elektron yoğunluğu deşik yoğunluğundan büyük olur. Bu aşamadan sonra ptipi yarıiletken yüzeyi n-tipi yarıiletken gibi davranır. Bu olay, yarıiletken yüzeyinin tersinimi olarak adlandırılır. Şekil (2.7.c)’de enerji bant şeması gösterilmiştir. Bu durumda MIS kapasitansını, elektron yoğunluğunun uygulanan gerilimin a.c. sinyalini takip edebilme yeteneği belirler. Elektron yoğunluğu a.c. sinyalini küçük frekanslarda takip edebilir ve buna bağlı olarak kapasitans artan gerilimle oksit kapasitansının değerine ulaşır. Ara frekanslarda daha yavaş takip edebilir, dolayısıyla frekansın değerine bağlı olarak ara frekans eğrileri görülür. Yüksek frekanslarda ise takip edemez ve kapasitans C min ’da kalır. Yüksek frekansta eğer gerilim ani olarak değiştirilirse, azınlık taşıyıcıların yeniden birleşme (rekombinasyon) hızına bağlı olarak tersinim yükü daha geç birikir. Bu da eğrinin C min ’un altında değerler almasına sebep olur. 17 İdeal bir durumda yükler yarıiletkende ve yalıtkana yakın olan metal yüzeyinde bulunur. d.c. gerilim altında yalıtkan içinden hiçbir akım geçmez. İdeal bir MIS yapıda üç yük sistemi için devre şeması Şekil 2.8’deki gibidir [7]. Bu sistemler; yığılım, tükenim ve tersinim adını alır. Cox (a) Cox Ctükenim Cox Ctükenim (b) (c) Ctersinim Şekil 2.8. İdeal bir MIS yapının elektronik şeması. (a) Yığılım (b) Tükenim (c) Tersinim 2.5. Gerçek MIS Yapı İdeal bir yalıtkanın kendi içerisinde ve yarıiletken ile birleşim yüzeyi arasında hiçbir boşluk yükü veya hareketli yük yoktur. Gerçek yapılarda yalıtkan ve yarıiletken arayüzeyi hiçbir zaman elektriksel olarak nötr değildir. Doymamış bağlardan veya safsızlıklardan kaynaklanan yalıtkan-yarıiletken arayüzeyindeki arayüzey durumları olarak adlandırılan tuzaklanmış yükler ve oksidasyon sırasında yönteme bağlı olarak ortaya çıkan hareketli iyonlar, tuzaklar, sabit oksit ve arayüzey yüklerinin bulunması MIS yapının özelliklerini değiştirmekte, böylece MIS yapının ideal özelliklerinden sapmasına sebep olmaktadır [10]. Gerçek bir MIS yapıda birçok durum ve yükler mevcuttur. Bu durumların ve yüklerin sınıflandırılması Şekil 2.9’da gösterilmiştir [7]. 18 Metal Na+ K+ Hareketli iyonik yük ++++++ -------+ x Yalıtkanda tuzaklanmış yük + + + + x x x Sabit oksit yükleri x x x x Arayüzeyde tuzaklanmış yük Şekil 2.9. SiO2 SiOx Si İdeal olmayan MIS yapıda arayüzey durumları ve yüklerin sınıflandırılması Bunlar sırayla; Yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde yasak bant aralığı içinde enerji seviyeleri gibi tanımlanan arayüzey durumları. Yarıiletken yüzeyinde veya yakınında yerleşmiş olan ve uygulanan elektrik alan altında hareketsiz olan sabit yüzey yükleri. Yalıtkan içindeki hareketli iyonlar. 2.5.1. Arayüzey durumları Arayüzey durumları, kısa bir zamanda yarıiletkenle yükleri değişebilen yalıtkanyarıiletken arayüzeyinde yasak bant aralığı içindeki girilebilir enerji seviyeleridir. Bir arayüzey durumu verici veya alıcı tipinde olabilir. Bir verici arayüzey tuzağı (seviyesi) dolu ise nötr ve bir elektron vermesiyle pozitif yüklü olur. 19 Bir alıcı arayüzey tuzağı boş ise nötr ve bir elektron almasıyla negatif yüklü olur. Bir gerilim uygulandığı zaman, arayüzey tuzak seviyeleri, Fermi seviyesi geride sabit kalırken valans ve iletkenlik bantları ile aşağı ve yukarı hareket ederler. Arayüzey tuzaklarındaki yükün değişimi, arayüzey tuzakları iletkenlik bandı ve valans bandı ile yük alışverişi yapmasıyla meydana gelir. Bu yükün değişimi MIS kapasitansına katkıda bulunur ve ideal MIS eğrisini değiştirir. Arayüzey durumları genelde arayüzeye çok yakın bulunurlar. Arayüzey durumları uzay yükü kapasitansına paralel kapasitans ve seri direnç etkisinde bulunurlar. 2.5.2. Sabit oksit ve arayüzey yükleri Sabit oksit yükleri sabittir. Bu yükler yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde lokalize olmuşlardır. Sabit oksit yükleri genellikle pozitiftir ve oksidasyona, tavlama şartlarına ve silisyumun yönüne bağlıdır. Elektriksel ölçümlerde sabit oksit yükü, yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde tabaka halinde lokalize olmuş yükler gibi görülebilir. n-tipi ve p-tipi yarıiletkenlerin her ikisi için ideal C-V eğrisine göre, uygulama geriliminin negatif değerlerine doğru C-V eğrisinin kaymasına pozitif sabit oksit yükleri (+Qf), C-V eğrisinin ileri pozitif uygulama gerilimine doğru kaymasına da negatif sabit oksit yükleri (-Qf) sebep olurlar [7,8]. Büyük pozitif uygulama gerilimleri için hareketli iyonlar oksit-yarıiletken arayüzeyine sürüklenirler. Büyük negatif uygulama gerilimleri için hareketli yük metal-yalıtkan arayüzeyine çekilir ve C-V eğrisini değiştirmez. 2.5.3. Hareketli iyonik yük Oksit yükünün bir başka türü hareketli iyonik yüktür. Bu yüke çoğunlukla sodyum veya potasyum gibi iyonize olmuş alkali metal atomları sebep olur. Hareketli yükler ya metal-oksit arayüzeyinde yada yarıiletken-oksit arayüzeyinde lokalize olmuşlardır. Böyle iyonlar nispeten düşük sıcaklıklarda yalıtkan içinde hareketli olduklarından sürüklenme olabilir. Hareketsiz oksit yükü, beslem sıcaklığı ile hareketli iyonik yükten ayırt edilebilir. Yalıtkanda sabitleşmiş yükün yoğunluğu bu işlem esnasında değişebilir. Bununla beraber hareketli iyonik yük, metal- yalıtkan ve 20 yarıiletken-yalıtkan arayüzeyi arasında ileri geri gidip gelebilir ve bunun neticesinde iyonik akım gözlenebilir. Hareketli iyonlar genellikle Na+, K+, Li+, H+, H3O+ iyonlarıdır [11]. Hareketli iyonlar, kullanılan kimyasal maddelerin bu iyonları ihtiva etmesi, mekanik parlatma esnasında çıplak elle temaslar, oksitleme fırını, kuartz tutucuların kirli olması ve oksitleme gazlarında bulunan safsızlıklar yüzünden yalıtkan içinde yer alabilirler. Bu yükler uygulanan elektrik alan altında hareket ettiklerinden MIS yapısının kararlılığını büyük ölçüde bozarlar. 2.5.4. Oksitte tuzaklanmış yük Kimyasal yapı bozukluklarından ve radyasyondan kaynaklanan bu tuzaklar oksit içinde bulunurlar. Yarıiletken arayüzeyi ile yük alışverişi yaparlar. Böylece oksit ve oksit-yarıiletken arayüzeyinde ilave bir yük oluştururlar. Bir oksit tabakasında elektron-deşik çiftleri meydana gelmişse (iyonlaştırıcı radyasyon ile) bu elektron ve deşiklerin bir kısmı sonradan oksitte tuzaklanabilir. Yapının üretiminde ortaya çıkan elektron ve deşik tuzakları daha sonradan tavlamayla kaldırılabilir [11]. Oksitte tuzaklanmış yük, oksite doğru dağıldığından genellikle oksit-yarıiletken yüzeye yerleşmezler. İyonlaşmış tuzaklar kapasitans-voltaj eğrisine etki ederler. Gerilimi negatif değerlerden pozitif değerlere doğru artırırken ölçülen kapasite değerleri ile gerilimi pozitif değerlerden negatif değerlere doğru artırırken ölçülen kapasitans değerleri arasında farklılıklar meydana gelir [12]. Kapasitans-voltaj eğrisinin iki yönde ölçülen değerlerindeki kayma miktarı oksit içindeki tuzakların miktarını verir. 21 2.6. MIS Diyotlarda Arayüzey Durum Yoğunluğu Teorisi Bir MIS yapıda arayüzey tuzaklar ve oksit yüklerinin varlığı ideal MIS karakteristiklerini etkileyecektir. Bir yarıiletkenin kristal yapısında bulunan yabancı bir atom veya bir bozunma, yasak enerji bölgesinde enerji seviyelerinin ortaya çıkmasına yol açabilir. Bir MIS yapılışı sırasında silisyum yüzeyi ne kadar temizlense de giderilemeyen yarıiletken örgünün son bulduğu kristal yüzeyindeki düzensizlikler sonucunda da yasak enerji bölgesinde birim alan başına çok sayıda enerji seviyesi meydana gelir. Bu seviyelere yüzey durumları adı verilir [7]. Yüzey durumları yoğunluğu için kuramsal tahminler yüzey atomlarının yoğunluğu mertebesinde, yani 1015 cm-2 civarında fakat deneysel sonuçlar bunun sadece 10111012 cm-2 mertebesinde olduğunu göstermektedir [7]. Yüzey durumları yavaş ve hızlı olmak üzere ikiye ayrılır. Yavaş yüzey durumları yalıtkanın metal tarafındaki yüzeyinde bulunur. Bunlar yalıtkan yapısındaki hareketsiz yükler ihtiva eden bozukluklar ile yeterli sıcaklıklarda ve özellikle yüksek elektrik alan altında yalıtkan içerisinde göç etmeye yatkın, hareketli iyonlar tarafından meydana getirilir. Yavaş yüzey durumları termal oksidasyon ile hemen hemen giderilebilir. Yavaş yüzey durumları MIS kapasitesini etkilemez. Hızlı yüzey durumları yalıtkanla yarıiletken arayüzeyi yakınında yer alır ve yasak enerji bölgesinin ortasına yakın enerjilere sahiptir. Dolayısıyla bant bükülmesi ile yani yüzey potansiyelinin değişmesi ile yüzey durumları da bükülmeyen Fermi seviyesine göre aşağı yukarı hareket edeceğinden iletkenlik veya valans bandı ile ani yük alışverişi yapar. Arayüzeyde bulunan ve yasak enerji bölgesi dışındaki enerjilere sahip yüzey durumlarına sabit yüzey durumları ve taşıdıkları yüke de sabit yüzey yükü veya oksit yükü denir. Tuzaklanmış arayüzey yükleri, yarıiletken-yalıtkan arayüzeyinde, yarıiletkenin yasak enerji bant aralığındaki enerji durumlarına sahip ve kısa bir sürede silisyumdaki iletkenlik veya valans bandı ile ani yük alış verişi yapabildiklerinden dolayı bu yüzey durumlarına yüzey rekombinasyon (yeniden birleştirme) merkezleri de denir. 22 Temiz yüzeylerde ve yüksek vakum altındaki ölçümler, yüzey atomlarının yoğunluğunun mertebesini çok yüksek yapar. Arayüzey tuzaklar için dağılım fonksiyonu; verici arayüzey tuzaklar için, f SD ( Et ) 1 E Et 1 g exp( F ) kT (2.10) ve alıcı arayüzey tuzaklar için ise, f SA ( E t ) 1 E EF 1 1 exp( t ) g kT (2.11) şeklindedir. Burada Et, arayüzey tuzak seviyesi enerjisi, EF Fermi enerji seviyesi ve g ise termal durum dejenerasyonu olup değeri verici tuzakları için 2, alıcı tuzaklar için 4’dür [13]. Bir beslem altında arayüzey tuzak seviyeleri valans veya iletkenlik bantları ile Fermi seviyesi sabitleşene kadar yukarı veya aşağı hareket eder. Bu değişme MIS kapasitesinde ve ideal eğrisinde değişmeye sebep olur. Arayüzey tuzaklarının etkisini kapsayan eşdeğer devre Şekil 2.10’da gösterilmiştir. Şekil 2.10. Arayüzey tuzaklarının etkisini içeren eşdeğer devre 23 Burada Ci ve CD sırası ile yalıtkan kapasitans ve yarıiletken tükenim tabaka kapasitansıdır. CSRS çarpanı arayüzey tuzaklarının ömrü () olarak tanımlanmış ve bu arayüzey tuzaklarının davranışını belirler. Şekil 2.10.a’nın paralel kolu, Şekil 2.10.b’deki gibi frekans bağımlı kapasitans CP ve ona paralel bağlı frekans bağımlı iletkenlik GP şeklinde yazılabildiği gösterilebilir. Paralel koldaki admittans, Y 1 1 j C D Z1 Z 2 1 1 RS j C S G P j C P (2.12) şeklindedir. Burada iletkenlik GP ve kapasitans CP, GP C 2 1 S 2 2 RP 1 (2.13a) CS 1 2 2 (2.13b) CP CD eşitlikleri ile verilir. Toplam empedans Z ise, Z C P G 1 1 1 j( 2 ) 2 P2 2 2 2 jC i G P jC P C i G P C P GP C P (2.14) ve buradan toplam admittans Ytop için, Ytop ( (G 2 2 C 2 )C G P2 2 C P2 ) j ( 2 P 2 2 P i ) Gin jC in GP G P C P C P eşitliği elde edilir [7,14]. (2.15) 24 Eğer seri direnç varsa ve büyükse, ölçülen iletkenlik Gm ve kapasitans Cm gerçek değerler değildir [15]. Bu durumun eşdeğer devresi Şekil 2.11’de gösterilmiştir. Z1 1 Z2 j C c G c 1 jCT GT Z 1 (2.16) jCm Gm şeklindedir. (a) Şekil 2.11. MIS yapının eşdeğer devresi Şimdi Cc ve Gc analitik çözümünü yapılabilir. Z = Z1 +Z2’den Z1 = Z - Z2’dir. Buna göre, 1 1 1 j C c G c ( ) 1 Z1 jC m Gm jCT GT (b) 25 1 (G G 2CmCT ) j (GT C m CT Gm ) ( m T Z1 (GT Gm ) j (CT Cm ) (2.17) denkleminin paydası eşleniği ile çarpılır. GT = 1/Rs yazılır ve CT değeri ihmal edilirse düzeltilmiş iletkenlik için, Gc (Gm G m2 Rs ) 2 C m2 Rs (1 Gm Rs ) 2 2 C m2 Rs2 (2.18) elde edilir. Burada seri direnç Rs, Şekil 2.19.b’deki devrenin empedansı Z’ nin reel kısmı olup yüksek frekansta ve kuvvetli yığılımdaki Cm ve Gm değerlerinden hesaplanabilir [8]. Z 1 jC m Gm G m j C m G jC m 2 m2 2 2 2 2 2 G m C m G m C m Gm 2 C m2 (2.19) den, Rs Gm G 2 C m2 2 m (2.20) elde edilir. Eş. 2.17’nin düzenlenmiş şeklinin imajiner kısmı yani düzeltilmiş kapasitans, Cc Cm (1 Gm Rs ) 2 2 C m2 Rs2 şeklindedir. (2.21) 26 Eş. 2.18 ve Eş. 2.21 denklemlerini yeniden düzenlersek [8], Cc (G m2 2 C m2 )C m a 2 2 C m2 (2.22a) Gc (Gm2 2 C m2 )a a 2 2 C m2 (2.22b) elde edilir. Burada, a Gm (G m2 2 C m2 ) R s (2.23) olup Cm ve Gm ölçülen kapasitans ve iletkenliktir. Rs=0 durumunda Cc = Cm ve Gc = Gm olur. 27 3. DENEYSEL YÖNTEM 3.1. PVA (polivinil alkol) nın Temel Özellikleri Poli(vinil) alkol polimer yapıdadır. Polimerler, monomer denilen ufak moleküllerin birbirine kovalent bağ ile bağlanarak oluşturdukları büyük moleküllerdir. Polimerler düşük üretim maliyetleri, kolay şekil almaları ve amaca uygun üretilebilmeleri nedeniyle her alanda kullanımı yaygınlaşmıştır. Poli(vinil) alkol (PVA), hidroksil gruplarıyla birlikte basit bir kimyasal yapıya sahiptir. PVA, vinil asetatın, polivinil asetata (PVAc) polimerleşmesi ve sonra da PVAc nin hidrolizi sonucunda üretilir [16]. PVA suda çözülebilen sentetik bir polimer olup kimyasal yapısı Şekil 3.1’de gösterilmiştir. Şekil 3.1. PVA nın kimyasal yapısı PVA, hafif kokulu, beyaz granüller haldedir. Özgül ağırlığı 1,19-1,31 gr/dm3 arasındadır. Sulu çözeltisi nötral veya hafif asidik karakterdedir. Erime noktası 200oC (392oF) dir. Hidrofilik oluşu, kimyasal kararlılığı ve mükemmel film olabilme özelliklerinden dolayı membran olarak kullanılabilir [17]. 28 PVA, film oluşumu, yapıştırıcı gibi mükemmel özelliklere sahiptir. Tekstilde, kozmetikte, inşaat mühendisliğinde ve elektronik sanayinde yaygın olarak kullanılır. PVA’ nın temel uygulama alanları; kağıt, tekstil tutkallama, kozmetik sabitleyici, oksijen dirençli filmler, yapıştırıcılar, gıda ambalajı, buharlaştırma ve tuz arıtım membranları olarak kullanılmasıdır [18]. PVA sert, dayanıklı, temiz ve şeffaf film şeklindedir ve dielektrik sabiti (εPVA) 8 dir [19,20]. 3.2. Elektrospinning Yöntemi ile PVA Hazırlanması Nanofiber polimer ince filmlerin elektriksel özellikleri ve bunların özelliklerinin ölçülmesine duyulan ihtiyaç giderek önem kazanmaktadır. Polimer bileşik ince filmlerin uygulamalarından biri schottky bariyer diyotlardır. Metal-yarıiletken alttaş üzerindeki Schottky bariyer diyotlar; parametrik yükselteç, frekans çoğaltıcı, karıştırıcı diyot ve jeneratör olarak kullanılırlar. Polimer bileşik nanofiber ince filmleri birçok yöntem kullanılarak hazırlanabilir. Biz bu çalışmada PVA ince filmlerini elektrospinning tekniğini kullanarak hazırladık. Elektrospinning yönteminde, polimer ince film üretmek için elektrik enerjisinden yararlanılır. Elektrospinning kurulumu 4 temel parçadan meydana gelir.1-yüksek gerilim güç kaynağı, 2-şırınga pompası, 3-elektrikli iletken toplayıcı, 4-Spinneret. Şırınga pompası, polimerik çözeltinin bir sabit ve ayarlanabilir besleme oranını elde etmek için önemli parçalardan biridir [21,22]. 29 Şekil 3.2. Electrospinnig düzeneği ve mekanizması Bu teknikte, polimer uygun bir çözücüde çözülür veya ısı ile eritilir, bir ucu kapalı ve daralan öbür ucunda küçük bir delik bulunan cam bir pipetin içine yerleştirilir. Daha sonra polimer çözeltisi/eriyiği ve pipetin açık ucunun yakınındaki bir toplayıcı levhaya 50 kV' a kadar gerilim uygulanır. Toplayıcı levhada oluşan ağımsı yüzeyde çapları 30 nm'den 1 mikronun üzerindeki değerlere kadar değişen lifler bulunmasına rağmen, bu işlem çapı 50 nanometre boyutunda nanoliflerin üretimine imkan verir [23]. Elektrospinning (elektro-üretim) yöntemi, yüksek elektrostatik alana maruz bırakılan polimer çözeltisinin benzer yükler ile yüklenerek ayrışma ve incelme gösterip, çok ince fibril yapılar oluşturması şeklinde özetlenebilir. Bu yöntemi en basit şekliyle anlatacak olursak; Bir polimer çözeltisi şırınga içine konur ve bu şırıngadan belirli bir mesafe uzağa da toplayıcı-metal bir plaka yerleştirilir. Yüksek gerilim sağlayacak güç kaynağının artı ucu şırınganın metal olan ucuna bağlanırken, toplayıcı plaka da topraklanır. 30 Böylece şırınga ve toplayıcı plaka arasında yüksek bir elektrik alan elde edilmiş olur. Güç kaynağı tarafından sağlanan gerilim arttırıldıkça, yeterince yüksek bir değere ulaşan elektrik alan kuvvetleri çözelti üzerindeki viskoelastik ve yüzey gerilimi kuvvetlerini yener ve polimer molekülleri bir jet halinde şırıngadan toplayıcıya doğru taşınır. Sonuç olarak toplayıcı plaka üzerinde nano boyutta çaplara sahip lifler oluşur. Kaplamadan önce P- katkılı Si alttaş, üzerindeki silisyum oksiti temizlemek için %1 hidroflorik asit ile yıkandı. Daha sonra 0,5 g Kobalt asetat ve 0,25 g Çinko asetat, molekül ağırlığı 72 olan 1 g PVA ve 9 ml deiyonize su ile karıştırıldı. Sonra 50 °C de 2 saat karıştırıldıktan sonra PVA yoğun çözelti elde edildi. Peristaltik şırınga pompası kullanarak, öncü çözelti sabit akış hızı 0,02 ml/s’ de 0,9 mm iç çaplı metal iğne (10 ml) ile dağıtıldı. İğne, yüksek gerilim güç kaynağına bağlandı ve bir mengenede dikey yerleştirildi. Bir parça düz alüminyum yaprak, nanofiber parçacıklarını toplamak için iğnenin 15 cm altına yerleştirildi. P-katkılı Si alttaş, alüminyum yaprak üzerine yerleştirildi. 20 kV yüksek voltajın üzerinde bir voltaj uygulayarak akışkan jet uçtan dışarı atıldı. Çözücü buharlaştı ve yüklü fiber, Si alttaş üzerine çökertildi. 3.3. Au/PVA/n-Si MIS Yapının Hazırlanması Omik kontağı oluşturmak için, kimyasal olarak temizlenen yarıiletken mat yüzeyi aşağı gelecek şekilde maske üzerine yerleştirildi. Omik kontakların oluşturulmasında Şekil 3.3’e benzer bir maske kullanıldı. Vakum sistemi ile elde edilen ~10-6 Torr basınç altında üzerinden akım geçirilen tungsten flaman yardımı ile oldukça saf aluminyum (~99,999%) buharlaştırılarak Si yaprağın arka yüzeyine ~2500 Å Al tabaka oluşturuldu. Buharlaştırma ile elde edilen arka kontağın, Si yaprağın üzerine çöktürülmesi ile omik kontak elde edilmiş oldu. 31 Omik kontaktan sonra Si yaprağın ön yüzüne elektrospinning yöntemi kullanılarak PVA yalıtkan tabaka oluşturuldu. Oluşturulan yalıtkan tabakanın kalınlığı kapasitans-voltaj ölçümlerinde kuvvetli yüzey akümlasyon durumundan (CCox) hesaplandı. Yalıtkan tabakanın kalınlığı 1 MHz (yüksek frekans) ta 59 Å olarak hesaplandı. Şekil 3.3. Omik kontak oluşturmak için kullanılan maske Üzeri PVA kaplanmış yüzey, üzeri çok sayıda 1 mm çaplı delikler açılmış olan Şekil.3.4’e benzer bakır maske üzerine parlak yüzey aşağı gelecek şekilde yerleştirildi. Flaman üzerine konulan kimyasal olarak temizlenen altın (Au) metal parçası 10-6 Torr vakumda buharlaştırılarak, kristalin parlak yüzeyine küçük dairecikler (1 mm çaplı) şeklinde ve 2500 Å kalınlığında altın kaplanması sağlandı. Böylece doğrultucu kontağın da oluşturulmasıyla Au/PVA/n-Si şeklinde MIS yapı elde edilmiş oldu. Soğuması için bir süre bekletilen kristal vakum ortamından çıkartılarak her bir dairecik (diyot) ortada kalacak şekilde, elmas kesici yardımıyla eşit dört parçaya bölündü. MIS yapının hazırlanış şeması Şekil 3.5’de verilmiştir. Şekil 3.4. Doğrultucu kontak oluşturmak için kullanılan bakır maske 32 2500 Å 59 Å 280 m 2500 Å Au (Doğrultucu kontak) PVA (Yalıtkan tabaka) n-Si (Yarıiletken) Al (Omik kontak) Şekil 3.5. Au/PVA/n-Si (MIS) yapının şematik gösterimi 3.4. Kullanılan Ölçüm Düzenekleri Hazırlanan MIS Schottky diyotun elektriksel karakteristikleri (kapasitans-voltaj ve iletkenlik-voltaj) Gazi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Yarıiletken İleri Araştırma Laboratuarında incelendi. Resim 3.1. Sıcaklığa bağlı C-V ölçümleri için kullanılan deneysel düzenek 33 Kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) ölçümlerinde Hawlett Packard 4192A LF Empedans Analizmetre (5Hz–13MHz) kullanıldı. Tüm bu ölçümler bilgisayara takılan bir IEEE–488 AC/DC çevirici kart yardımıyla kumanda edilerek Janes vpf-475 krıyostat içinde 10-3 Torr basınç altında gerçekleştirildi. Sıcaklık Lake Shore 321 sıcaklık kontrol cihazıyla kontrol edildi. C-V ve G/w-V ölçümleri 80-400 K sıcaklık aralığında gerçekleştirildi. Kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlikvoltaj (G/w-V) ölçümlerinin yapıldığı düzenek Şekil 3.1’de gösterilmiştir. HP 4192A LF Empedans Analizmetre IEEE-488 AC/DC Çevirici kart takılı bilgisayar Numune kutusu Şekil 3.6. Kapasitans-voltaj ve iletkenlik-voltaj ölçümleri için kullanılan düzenek 34 4. DENEYSEL SONUÇLAR 4.1. Giriş Bu çalışmada hazırlanan Au/PVA/n-Si MIS Schottky diyotun elektriksel karakteristikleri kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) ölçümleri kullanılarak geniş bir sıcaklık aralığında (80-400 K) incelendi. C-V ve G/w-V ölçümleri, düşük frekanslarda meydana gelebilecek arayüzey durumların etkisini ortadan kaldırmak için yeterince yüksek frekansta (1 MHz) gerçekleştirildi. Ölçümler aynı zamanda hem negatif hem de pozitif gerilimde oldukça geniş bir aralıkta ( -6 V ile +6 V ) alındı. Böylece C-V ve G/w-V eğrileri kuvvetli tersinim bölgesinden kuvvetli yığılım bölgesine kadar (Tersinim, tükenim ve yığılım) elde edildi. Deneysel C-V ve G/w-V ölçüm sonuçları kullanılarak MIS yapının bazı temel elektriksel parametreleri hesaplandı. Numunenin C-V ve G/w-V ölçümleri kullanılarak çizilen grafikler ve yapılan hesaplamalar sonucu, arayüzey durumları (Nss), seri direnç (Rs), difüzyon potansiyeli (Vd), katkılanan verici atomların sayısı (ND), tüketim tabakasının genişliği (WD), Fermi enerjisi (EF) ve potansiyel engel yüksekliği (ФB) gibi temel parametreler elde edildi. 4.2. Sıcaklığa Bağlı Kapasitans-Voltaj (C-V) ve İletkenlik-Voltaj (G/w-V) Karakteristikleri Hazırlanan numune 1 MHz frekansda, 40 mVrms’ lik bir osilasyon voltajı ile uyarıldı. Daha sonra dc voltaj -6 V negatif gerilimden, 6 V pozitif gerilime kadar 50 mV adımlarla değiştirilerek tersinim bölgesinden yığılım bölgesine kadar kapasitansvoltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) karakteristikleri 80-400 K sıcaklık aralığında elde edildi. C-V ve G/w-V grafikleri sırasıyla Şekil 4.1ve Şekil 4.3’de gösterilmiştir. 35 3,00E-09 C(80K) C(120K) C(160K) C(200K) C(240K) 2,50E-09 C(280K) C(300K) C(320K) C(340K) C(360K) C(380K) 2,00E-09 C(400K) C (F ) 400K 1,50E-09 1,00E+00 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 1,00E-01 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 I( A ) 300 K 1,00E-09 1,00E-05 1,00E-06 1,00E-07 1,00E-08 1,00E-09 5,00E-10 V(Volt) 1,00E-10 80K 0,00E+00 -6 -4 -2 0 V(V) 2 4 6 Şekil 4.1. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 80–400 K arasındaki C-V karakteristikleri 36 1,6E-09 1,4E-09 1,2E-09 C(F) 1,0E-09 8,0E-10 6,0E-10 4,0E-10 2,0E-10 0,0E+00 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T(K) Şekil 4.2. 1 V da sıcaklığa bağlı kapasitans değerleri Şekil 4.1’de görüldüğü gibi kapasitans (C) değerleri tüm sıcaklıklar için tersinim bölgesinde (-6 V ile 0 V arasında) hemen hemen sabit kalırken tükenim ve yığılma bölgelerinde sıcaklığa bağlı değişim göstermektedir. Bu bölgede kapasitans değerleri artan voltaj ve sıcaklık değerleriyle sistematik olarak artmaktadır. Ayrıca her sıcaklık için kapasitans değeri bir pik vermektedir. Bu pikin varlığı, diğer araştırmacılar tarafından tespit edilmiş [8,24] ve C’ nin pik değerinin moleküler yapılanma, arayüzey durum yoğunluğu, katkı atomları sayısı, seri direnç, yalıtkan tabakanın kalınlığı gibi parametreler bağlı olduğu açıklanmıştır. Ayrıca oda sıcaklığında (300K) çizilen I-V grafiğinden hazırladığımız diyotun doğrultucu özelliğinin yüksek olmasından dolayı Schottky diyot olduğu anlaşılır. 37 3,0E-09 80 K 120 K 160K 200K 2,5E-09 240K 280K 300K 320K 340K 2,0E-09 400 K 360K G/w(F) 380K 400K 1,5E-09 1,0E-09 80 K 5,0E-10 0,0E+00 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 V(V) Şekil. 4.3. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 80–400 K arasındaki G/w - V karakteristikleri 5 38 MIS yapının farklı sıcaklıklardaki G/w-V değeride Şekil 4.3’de görüldüğü gibi C-V değerlerine benzer bir yapı göstererek artan voltaj ve sıcaklık değeriyle artar. Şekil 4.3’de görüldüğü gibi doğru beslem bölgesinde G/w-V karakteristiklerinde kesişmeler mevcuttur. Bu kesişme ideal MIS Schottky diyotların geleneksel davranışlarıyla kıyaslandığında anormal olarak nitelendirilebilir. Fakat MIS Schottky diyotlarda oluşan seri direncin, homojen MIS Schottky diyotlarda bu kesişmeleri gizlediği ve gözlenemez hale getirdiği düşünülmektedir [25]. Şekil 4.1 ve Şekil 4.3’de görüldüğü gibi kapasitans ve iletkenlik yüksek sıcaklıklara karşı duyarlıdır. Bu durumun sebebi yüksek sıcaklıklarda etkili olan arayüzey uzay yükleri olabilir [8]. Ayrıca, kapasitans ve iletkenlikte meydana gelen katkı, uzay yükü değerlerinin artmasından kaynaklanabilir. 80–400 K sıcaklık aralığında MIS yapılar için C-V ve G/w-V grafiklerinden ve hesaplamalardan elde edilen çesitli parametreler Çizelge 4.1 ve Çizelge 4.2’de verilmiştir. Yüksek frekansta (1 MHz) ölçülen C-V değerlerinden elde edilen grafiği kullanarak MIS yapının davranışını incelemek için Şekil.4.4 ile gösterilen C–2-V grafiği elde edilmiştir. Şekil 4.4’de görüldüğü gibi geniş bir voltaj aralığında doğrusal bir eğri vermektedir. Ölçülen bütün sıcaklık değerlerinde yaklaşık olarak 0-1 V gerilimi arasında C-2-V eğrisinde aşağı yönde bir bükülme görülmektedir ve bu bükülmenin nedeni arayüzey durumlarından kaynaklanmaktadır. 1MHz frekansta ölçülen C-V karakteristiğinden elde edilen C–2-V eğrilerinin gerilim eksenine uzatılması ile bulunan V0 kesme geriliminden yararlanılarak difüzyon potansiyelleri elde edildi [26-28]. Vd= V0 + kT/q (4.1) Bu doğruların eğimleri kullanılarak ND verici yoğunlukları hesaplandı. ND = 2/ qεε0A2tanθ (4.2) 39 Oda sıcaklığı olan T=300 K’ de bulunan difüzyon potansiyeli (Vd) 0,82 V ve verici yoğunluğu (ND) 1,48x1016 cm–3 olarak bulunmuştur. Diğer sıcaklıklar için elde edilen değerler Çizelge 4.1’de verilmiştir. Çizelgede artan sıcaklıkla her iki değerinde azaldığı açıkça görülmektedir. Şekil 4.4’de görüldüğü gibi C–2-V eğrilerinin tüm sıcaklıklar için hemen hemen birbirlerine paralel olduğu görülmektedir. Bu durum, verici yoğunluklarının (ND) sıcaklıkla fazla değişmediğinin ve arayüzey durumların homojen olduğunun bir göstergesidir. 1,2E+20 80K 1,0E+20 120K 160K 200K 8,0E+19 240K 300K -2 -2 C (F ) 280K 320K 6,0E+19 340K 360K 380K 4,0E+19 400K 2,0E+19 0,0E+00 -6 -4 -2 0 2 4 6 V(V) Şekil 4.4. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 1 MHz frekansta 80–400 K için C–2 - V grafiği 40 Ölçüm yapılan her sıcaklık için tüketim tabakasının genişliği (Wd), Wd 2 0 s .Vd qN D (4.3) ifadesinden hesaplanmıştır [1,7]. 300 K’ de tüketim tabakasının genişliği 2,21x10–5 cm olarak bulundu. Diğer sıcaklıklar için tüketim tabakasının değerleri Çizelge 4.1’de gösterilmiştir. Ayrıca her sıcaklık için Fermi Enerji seviyeleri, EF kT N c Ln q Nd (4.4) ifadesiyle hesaplanabilir [1,7,28]. Burada Nc, iletkenlik bandındaki etkin taşıyıcı yoğunluğu olup sıcaklığa 2 m e k Nc 2 h2 3 2 (4.5) ifadesiyle bağlıdır. C-2-V eğrilerinden elde edilen ΦB(C-V) potansiyel engel yüksekliği; difüzyon potansiyeli, Fermi Enerjisi ve Schottky engel alçalmasına bağlı olarak B (C V ) Vd F B şeklinde ifade edilir [27,28]. (4.6) 41 Burada ΔΦB Schottky engel alçalmasıdır ve qE 4 0 B (4.7) şeklinde ifade edilir [27,28]. 80-400 K aralığında ölçülen C-V ve G/w-V eğrileri ile hesaplamalar sonucu elde edilen EF, ΦB, ΔΦB değerlerinin sıcaklıkla nasıl değiştiği Çizelge 4.1. de verilmiştir. 1,8 Vd 1,6 Ef 1,4 Фb V d,Ef,Ф b (eV) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 50 100 150 200 250 300 350 400 T(K) Şekil 4.5. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun sıcaklığa bağlı Vd, Ef, Фb değişimi Şekil 4.5’de difüzyon potansiyeli (Vd), fermi enerji seviyeleri (Ef) ve potansiyel engel yüksekliği (Фb) değerlerinin sıcaklıkla nasıl değiştiği görülmektedir. Vd ve Фb değerleri artan sıcaklıkla azalırken Ef artmıştır. 42 Çizelge 4.1. Farklı sıcaklık değerleri için hesaplanan deneysel Vd, Nd, Ef, ∆Фb, Фb, Wd parametreleri T(K) Vd(eV) Ndx1016(cm-3) Ef(eV) ∆Фb(eV) Фb(eV) Wdx10-5(cm) 80 1,638 2,09 0,049 0,047 1,64 2,63 120 1,486 1,82 0,076 0,045 1,52 2,68 160 1,336 1,61 0,103 0,042 1,40 2,71 200 1,250 1,55 0,129 0,040 1,34 2,67 240 1,060 1,45 0,157 0,038 1,18 2,54 280 0,938 1,45 0,183 0,037 1,08 2,40 300 0,820 1,48 0,195 0,036 0,98 2,21 320 0,788 1,66 0,205 0,036 0,96 2,05 340 0,735 1,67 0,218 0,036 0,92 1,98 360 0,677 1,69 0,230 0,035 0,87 1,89 380 0,519 1,52 0,246 0,032 0,73 1,74 400 0,388 1,57 0,258 0,029 0,62 1,48 43 MIS diyotların seri direncini (RS) hesaplamak için literatürde birçok yöntem vardır [29-31]. Bu çalışmada seri direnci hesaplarken Nicollian ve Goetzberger tarafından ortaya konulan admittans tekniği kullanıldı [8]. Seri direnç yüksek frekansta (1 MHz) çizilen C-V ve G/w-V eğrilerinin kuvvetli yığılım bölgesindeki kapasitans (Cma) ve iletkenlik (Gma) değerlerini kullanarak hesaplanabilir Deney sırasında MIS diyot, seri direnci (Rs) hesaplamak için 1 MHz’ de 40 mVrms’ lik bir osilasyon voltajı ile uyarıldı. Daha sonra d.c gerilim -6 V değerinden +6 V değerine kadar 50 mV adımlarla değiştirilerek tersinim bölgesinden yığılma bölgesine kadar C-V ve G/w-V eğrileri farklı sıcaklık değerleri için elde edildi. Paralel RC devresini [8,25,33] kullanarak, kuvvetli yığılım bölgesindeki eşdeğer devrenin toplam admittansı aşağıda verildiği şekilde bulunur. Yma 1 / Z ma Gma jC ma (4.8) Admittansın gerçel ve sanal kısımları karşılaştırılarak Rs değeri aşağıdaki şekilde elde edilir [8,25,33] Rs Gm G 2 C m2 2 m (4.9) Rs ifadesinde kullanılan Cm ve Gm kuvvetli yığılma bölgesinde ölçülen kapasitans ve iletkenlik değerleri, Cox yalıtkan tabakanın kapasitansıdır. Cm, Rs ve Cox arasında; C ma C ox (1 2 Rs2 C ox2 ) şeklinde bir bağıntı vardır. (4.10) 44 Buradan Cox değeri; G C ox C m 1 m C m 2 A i 0 d ox (4.11) ifadesi ile bulunur [25,33]. Burada yalıtkan tabakanın dielektrik sabiti εi= 8ε0 [19,20] ve boşluğun dielektrik sabiti ε0= 8,85x10–14 F/cm dir. Eş.4.11 ve MIS yapının doğrultucu kontak alanı 7,85x10–3 cm–2 değeri kullanılarak yüksek frekans (f=1 MHz) C-V eğrisinden elde edilen yalıtkan tabakanın kalınlığı (dOX) 59 Å olarak bulundu. 200 80K 120K 160K 200K 240K 280K 300K 320K 340K 360K 380K 400K 80K 180 160 140 Rs(Ω) 120 100 400K 80 60 40 20 0 -2 -1 0 V(V) 1 2 3 Şekil 4.6. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 1 MHz frekansta 80–400 K için Rs - V grafiği 4 45 Şekil 4.6’da her bir sıcaklık değeri için hesaplanan Rs (seri direnç) eğrileri verilmiştir. Grafikte görüldüğü gibi seri direnç değerleri 0 V–1 V aralığında pikler vermektedir. Bu pik değerleri artan sıcaklıkla azalmaktadır. Şekil 4.6’da görüldüğü gibi seri direnç, hem sıcaklık hem de voltajdaki değişimlere bağlı olarak değişiklik gösterir. Seri direncin değeri artan sıcaklıkla azalmaktadır. Seri direnç 80 K’ de 146 Ω iken 400 K’ de 57,2 Ω değerine düşmüştür. Seri direncin değerinin sıcaklığın artmasıyla düşmesinin sebebi, düşük sıcaklıklarda serbest taşıyıcı yoğunluğunun azalmasının bir sonucu olarak açıklanabilir [34]. Çünkü artan sıcaklıkla yarıiletken kristaldeki genleşmeden dolayı yasak enerji aralığı azalmakta ve aynı zamanda taşıyıcılarda daha yüksek termal hıza ulaşacaklarından dolayı iletim bandında daha fazla taşıyıcı sayısı olacaktır ve buna bağlı olarak direnç azalacaktır. 210 0.6 V 0.7 V 190 0.8 V 170 0.9 V Rs (Ω) 1V 150 1.1 V 1.2 V 130 110 90 70 50 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T (K) Şekil 4.7. Au/PVA/n-Si Schottky diyotun 1 MHz frekansta 80 – 400 K için farklı voltaj değerleri için Rs- T grafiği 46 Şekil 4.7’de farklı voltaj değerleri için seri direncin sıcaklığa bağlılığı gösterilmiştir. Şekil 4.7’de görüldüğü gibi yüksek sıcaklıklarda seri direnç voltajdan bağımsızdır. Yani metal-yarıiletken arayüzeyinde yer alan yükler tuzaklardan kaçmak için yeterli enerjiye sahiptir. Hill-Coleman metodu [35] arayüzey durumların belirlenmesi için hızlı ve güvenilir bir metottur. Bu sebeple çalışmamızda arayüzey durumları (Nss), Şekil 4.1 ve Şekil 4.3’de farklı sıcaklıklar için elde edilen C-V ve Gm/w-V eğrilerini dikkate alarak Hill-Coleman metodundan [35] yararlanarak elde edildi ve değerler Çizelge 4.2’de verildi. Bu metoda göre, arayüzey durum yoğunluğunu veren bağıntı; N SS (Gm / ) max 2 qA ((Gm / ) max Cox ) 2 (1 Cm / Cox ) 2 ) (4.12) eşitliği ile verilir. Burada A, MIS yapının doğrultucu kontak alanı, w açısal frekans, (Gm/w)max ise ölçülen kapasitansın pik değerine karşılık gelen iletkenlik ve Cox ise yalıtkan tabakanın kapasitansıdır. 4,5E+12 4,0E+12 Nss(eV -1cm -2) 3,5E+12 3,0E+12 2,5E+12 2,0E+12 1,5E+12 1,0E+12 5,0E+11 0,0E+00 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T(K) Şekil 4.8. 1 MHz’ de C - V ve G/w - V ölçümlerinden elde edilen arayüzey durumlarının sıcaklığa bağlı değişimi 47 200 Rs(Ω) 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T(K) Şekil 4.9. 1 MHz’ de C-V ve G/w-V ölçümlerinden elde edilen seri direnç değerlerinin sıcaklığa bağlı değişimi Şekil 4.8 ve Şekil 4.9’da Rs ve Nss değerlerinin sıcaklığa bağlı dağılımları verilmiştir. C-V ve G/w-V ölçüm sonuçları, Nss ve Rs değerlerinin MIS yapının elektriksel özelliklerini önemli ölçüde etkilediğini göstermektedir. Şekil 4.8’de Nss değerlerinin sıcaklığın artmasıyla arttığı gözlense de üstel değerlere bakıldığında bu artışın çok büyük oranda olmadığı ve genel olarak sabit kaldığı gözlenmiştir. Yani Nss değerleri sıcaklığa bağlı olarak büyük bir değişim göstermemiş bazı değerlerde artan bazı değerlerde azalan bir değişim göstermiştir. Özellikle 300 K ve öncesinde Nss değerleri hemen hemen sabit kalırken 300 K’ den sonra Si’ un yüzey yapısının (simetrisinin) değişmesinden dolayı küçükte olsa arttığı gözlenmiştir. Buna göre sistemin arayüzey durumlarının sıcaklığa karşı kararlı olduğu söylenebilir. Nss (arayüzey durumları) nın sıcaklığın artmasıyla artması bazı çalışmalarla [25,36] benzer bir yapı göstermesine rağmen ideal MIS yapıdan farklı davranış göstermektedir. Yapılan birçok çalışmada Nss değerlerinin artan sıcaklıkla azaldığı görülmüştür [37,38]. Nss ve Rs değerlerinin sıcaklığa bağlı olarak değişimi Çizelge 4.2’de gösterilmiştir. 48 Çizelge 4.2. MIS yapı için 80–400 K sıcaklık aralığında C-V ve G/w-V ölçümlerinden ve hesaplamalarından elde edilen çeşitli parametreler T(K) Vm(V) Cm(nF) Gm/w(nF) Rs(Ω) Nssx1012(eV-1cm-2) 80 0,90 0,524 0,69 146 1,24 120 0,85 0,475 0,61 162 1,08 160 0,70 0,422 0,42 189 7,28 200 0,80 0,455 0,59 169 1,05 240 0,80 0,470 0,69 158 1,21 280 0,75 0,498 0,75 147 1,34 300 0,70 0,528 0,76 141 1,37 320 1,80 0,819 1,60 79 3,06 340 1,80 0,823 1,55 80 2,96 360 1,55 0,847 1,62 77 3,12 380 1,15 0,981 1,76 69 3,49 400 1,00 1,36 1,77 57 3,85 49 Kapasitans (C) ve iletkenlik (G/w) değerleri, seri direnç, arayüzey durumları ve metal-yarıiletken arasındaki yalıtkan tabakanın oluşumuna bağlıdır. Yüksek frekanslarda (f≥ 1 MHz) arayüzey durumları a.c sinyalini takip edemediği için bu frekanslarda yapılan C-V ve G/w-V ölçümlerinde arayüzey durumları etkisi ortadan kaldırılabilmektedir. Bu durumda seri direnç MIS schottky diyotların elektriksel karakteristiklerini idealden farklı hale getiren en önemli parametre olmaktadır. Düzeltilmiş admittans ifadesinin sanal ve gerçel kısmını ( Yc Gca jC c ) karşılaştırarak düzeltilmiş kapasitans ve iletkenlik değerleri elde edilir [8,25,36]. Bu değerler sırasıyla Cc (G m2 2 C m2 )C m a 2 2 C m2 (4.13) Gc (Gm2 2 C m2 )a a 2 2 C m2 (4.14) şeklinde elde edilir. MIS Schottky diyotun oda sıcaklığında (300 K) gerçek kapasitans ve iletkenlik değerlerini elde etmek için yüksek frekansta (1 MHz) doğru ve ters beslemde C-V ve G/w-V değerleri ölçülmüştür. Kapasitans ve iletkenlik değerleri Eş.4.13 ve Eş.4.14 kullanılarak düzeltilmiştir. 50 Düzeltilen kapasitans ve iletkenlik değerleri ile ölçülen kapasitans ve iletkenlik değerleri Şekil 4.10 ve Şekil 4.11’de karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir. Şekil 4.10’da düzeltilmiş kapasitans değerinin özellikle doğru beslemde artan voltaja bağlı olarak arttığı görülür. Şekil 4.11’de ise düzeltilmiş iletkenlik değeri bir pik vermektedir ve oluşan bu pik arayüzeyde yük transferi olduğunu göstermektedir. 5,0E-09 4,5E-09 4,0E-09 Cm,Cc (F) 3,5E-09 3,0E-09 2,5E-09 Cm Cc 2,0E-09 1,5E-09 1,0E-09 5,0E-10 0,0E+00 -1 0 1 2 3 4 V(V) Şekil 4.10. 1MHz’ de MIS Schottky diyotun T=300 K’ de ( oda sıcaklığı )ölçülen (Cm-V) ve düzeltilmiş (Cc-V) karakteristikleri 51 1,8E-09 1,6E-09 1,4E-09 Gm /w,G c /w (F) 1,2E-09 Gm/w 1,0E-09 Gc/w 8,0E-10 6,0E-10 4,0E-10 2,0E-10 0,0E+00 -1 0 1 2 3 4 5 6 V(V) Şekil 4.11. 1MHz’ de MIS Schottky diyotun T=300 K’ de ( oda sıcaklığı ) ölçülen (Gm/w-V) ve düzeltilmiş (Gc/w-V) karakteristikleri 52 5. SONUÇ Bu çalışmada Au/PVA/n-Si MIS yapının elektriksel özellikleri C-V ve G/w-V ölçümleri kullanılarak geniş bir sıcaklık aralığında (80-400 K) incelendi. Tüm ölçümler geniş bir voltaj aralığında (-6 V - +6 V) ve 1 MHz yüksek frekansta gerçekleştirildi. Frekans olarak 1 MHz seçilmesiyle, düşük frekanslarda meydana gelebilecek olan arayüzey durumların etkisi ortadan kaldırılmış oldu. Dış etkenleri azaltmak için ölçümler vpf-475 kriyostat içinde ve 10-3 Torr basınçta gerçekleştirildi. Ölçülen kapasitans (C) değerlerinin tüm sıcaklıklar için tersinim bölgesinde (-6V ile 0V arasında) hemen hemen sabit kaldığı görülmektedir. Ancak tükenim ve yığılma bölgesinde kapasitans değerleri büyük ölçüde sıcaklığa bağlılık gösterir. Bu bölgede C değerleri artan sıcaklıkla beraber artmaktadır. Ayrıca her sıcaklık için kapasitans değeri bir pik vermektedir. C-V karakteristiklerinin bu davranışı moleküler yapılanma, arayüzey durum yoğunluğu, katkı atomları sayısı, seri direnç gibi parametrelere bağlı olduğunu gösterir. G/w değerleri de C değerleri gibi sıcaklığa ve voltaja bağlı olarak değişir, sıcaklığın ve voltajın artmasıyla artar. G/w-V karakteristikleri doğru beslem bölgesinde kesişmektedir ve bu kesişme ideal MIS Schottky diyotların davranışıyla karşılaştırıldığı zaman anormaldir. Ancak yapının seri direncinin, homojen MIS diyotlarda bu kesişmeleri gizlediği ve gözlenemez hale getirdiği düşünülmektedir. C-V ve G/w-V değerlerinin yüksek sıcaklıklara karşı duyarlı olmasının sebebi sıcaklığın artmasıyla arayüzey uzay yüklerinin etkili olması ve uzay yükü değerlerinin artmasına atfedildi. MIS yapının arayüzey durumlarının homojenliğini incelemek için C–2-V grafiği çizilmiştir. Çizilen grafik geniş bir voltaj aralığında doğrusal bir eğri vermektedir. C-2 -V eğrisinin geniş bir voltaj bölgesinde doğrusal olması, arayüzey durumlar ve tersinim tabaka yüklerinin tüketim tabaka bölgesinde a.c sinyalini takip edemediğini göstermektedir. 53 C–2-V grafiğinde 0–1 V aralığında aşağı yönde oluşan bükülmenin nedeni arayüzey durumlarından kaynaklanmaktadır. C–2-V eğrilerinin gerilim eksenine uzatılmasıyla elektriksel birçok parametre tüm sıcaklık değerleri için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Elde edilen parametreler Çizelge 4.1’de verilmiştir. Bu çizelgeden açıkça görüldüğü gibi; difüzyon yoğunluğu ve verici yoğunluğu sıcaklığın artmasıyla beraber azalmıştır. Ayrıca tüketim tabakasının genişliği, fermi enerjisi ve potansiyel engel yüksekliği de C–2-V eğrisinden yararlanılarak hesaplanmıştır. Fermi enerjisi sıcaklığın artmasıyla beraber artarken, potansiyel engel yüksekliği azalmıştır. Şekil 4.4’de görüldüğü gibi C–2-V eğrileri tüm sıcaklık değerleri için hemen hemen birbirlerine paraleldir. Bu durum verici yoğunlukları (ND) nın sıcaklıkla fazla değişmemesinden ve arayüzey durumların homojen olmasından kaynaklanmaktadır. Oluşturulan yalıtkan tabakanın kalınlığı C-V ölçümlerinde kuvvetli akümülasyon bölgesinden (C=Cox) dox=59Å olarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada yalıtkan tabakanın kapasitansı Cox=9,4x10–9 F olarak alınmıştır. Bu çalışmada seri direnci hesaplamak için Nicollian ve Goetzberger tarafından açıklanan admittans tekniği kullanılmıştır. Seri direnç sıcaklığa bağlı olarak azalma göstermiştir. Düşük sıcaklıklarda serbest taşıyıcı yoğunluğunun azalmasından dolayı seri direnç azalır. Çünkü sıcaklığın artmasıyla yarıiletkendeki genleşmeden dolayı yasak enerji aralığı azalacak ve taşıyıcılar yüksek termal hıza ulaşacakları için iletim bandında taşıyıcı sayısı artacaktır. Buna bağlı olarak seri direnç azalacaktır. Voltaja bağlı seri direnç (Rs-V) grafiğinde tüm sıcaklık değerleri için 0-1V aralığında bir pik vermektedir ve seri direnç (Rs) her bir sıcaklık değeri için voltaja bağlı olarak hareket eder. Bu davranışlar yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde ve yarıiletken yasak enerji aralığına yerleşmiş arayüzey durumlarının özel dağılımından kaynaklanmaktadır. Şekil 4.7’de farklı voltaj değerleri için Rs’ nin sıcaklığa bağlılığı gösterilmiştir. Buna göre, çok yüksek sıcaklıklarda seri direncin değişik voltaj değerlerinde çakıştığı görülmektedir. Bu durumda seri direncin çok yüksek sıcaklıklarda voltajdan bağımsız olarak hareket ettiği görülmektedir. Bu durumun 54 nedeni metal-yarıiletken arayüzey yüklerinin tuzaklardan kaçmak için yeterli enerjiye sahip olmasıdır. Nss arayüzey durumlarının belirlenmesi için hızlı ve güvenilir olan Hill-Coleman metodu kullanılmıştır. Bu metot kapasitansın max. olduğu bölgelerde arayüzey durumların hesaplanmasıdır. C-V ve G/w-V ölçümlerinin kullanılmasıyla elde edilen Nss değerlerinin sıcaklığın artmasıyla arttığı gözlenmiştir. Fakat üstel değerler dikkate alındığında bu artışın çok büyük olmadığı ve genel olarak sabit kaldığı gözlenmiştir. Yani Nss değerleri sıcaklığa bağlı olarak büyük bir değişim göstermemiş bazı değerlerde artan bazı değerlerde azalan bir değişim göstermiştir. Özellikle 300 K ve öncesinde Nss değerleri hemen hemen sabit kalırken 300 K’ den sonra Nss değerlerinde küçük artışlar meydana gelmiştir. Bu artışın sebebi 300 K’ den sonra Si’ un yüzey yapısının (simetrisinin) değişmesinden kaynaklanmaktadır. Yani sistemin arayüzey durumlarının sıcaklığa karşı kararlı bir yapı gösterdiği söylenebilir. Yüksek frekanslarda (f ≥ 1MHz) Nss arayüzey durumları a.c sinyalini takip edemez. Bu durumda ölçülen C-V ve G/w-V değerlerinde uygulanan gerilimin frekansı arayüzey durumlarına herhangi bir katkı getirmez. MIS Schottky diyotların elektriksel karakteristiklerini ideal değerlerden farklı hale getiren en önemli parametre seri direnç olmaktadır. Seri direncin etkisinden dolayı ters ve doğru beslem altında ölçülen kapasitans ve iletkenlik değerlerine oda sıcaklığında düzeltme faktörü uygulanmıştır. Bunun sonucunda MIS yapının gerçek kapasitans ve iletkenlik değerleri bulunmuştur. Düzeltilmiş kapasitans-voltaj eğrileri doğru beslem altında artan voltajla artarken düzeltilmiş iletkenlik-voltaj eğrileri azalmakta ve bir pik vermektedir. Oluşan pik arayüzeyde yük transferi olduğunu göstermektedir. 55 Bu tez çalışmasında, Au/PVA/n-Si (MIS) Schottky diyotların davranışı sıcaklığa bağlı olarak incelendi. Yalıtkan tabakayı seçerken; yüzeyi pasivize edecek, sızıntı akımını en aza indirecek, kontrol edilebilir akım-iletim mekanizması gerçekleştirecek ve doğrultucu özelliğe yaklaşacak malzemeler seçmeye dikkat edilir. Bu özellikler doğrultusunda yalıtkan tabaka olarak polimer yapıya sahip olan polivinil alkol (PVA) kullanıldı. PVA düşük üretim maliyetleri ve kolaylıkla malzeme üzerine ince tabaka oluşturulabilir olması nedeniyle tercih edildi. Ayrıca dayanıklı ve sıcaklığa karşı kararlı olması nedeniyle polivinil kullanıldı. Polimerler son zamanlarda elektronik sanayinde değişik amaçlarla kullanılmak üzere önemli bir yere sahiptir. Polimerlerin mekanik dayanıklılığı, hem metalik hem de yarıiletken davranışa sahip oluşu, kararlılığı ve ucuzluğu nedeniyle metal yarıiletken kontak imalinde tercih edilen materyaller haline gelmiştir. Sonuç olarak, Au/PVA/n-Si (MIS) yapılar için elde edilen tüm deneysel ölçümler ve hesaplamalar göstermiştir ki bu ve benzeri kontak yapısına sahip aygıtlar için arayüzey durumlarının, seri direnç ve yalıtkan tabakanın C-V ve G/w-V ölçümleri üzerine etkisi azımsanamayacak kadar büyüktür. Bu nedenle yapının elektriksel karakteristiklerinin analizinde bu parametrelerin mutlaka dikkate alınması sonuçların doğruluğu ve güvenirliği açısından son derece önemlidir. Üretilen bu tip bir MIS diyotun elektronik devre elemanı olarak kullanılabilmesi için gerekli şartların belirlenmesinde buradan elde edilen sonuçlara dikkat edilir. Kullandığımız diyotun karakteristik parametrelerinin, hangi sıcaklıkta hangi değere sahip olduğu, diyotun elektronik sanayisinde kullanımı açısından büyük önem taşımaktadır. Yaptığımız çalışmalar göstermiştir ki elde ettiğimiz MIS yapı mükemmel bir diyot özelliği göstermiştir. Diyotumuzun iyi bir doğrultucu olması, sıcaklığa karşı kararlı olması ve maliyetinin uygun olmasından dolayı elektronik devre elemanı olarak kullanılabilecek bir malzemedir. 56 KAYNAKLAR 1. Sharma, B. L., “Metal-Semiconductor Schottky Barrier Junctions and Their Applications”, Plenum Press, New York, 1-3 (1984). 2. Song,Y.P., Van Meirhaeghe, R. L., Laflére, W. H., Cardon, F.,“On the difference in apparent barrier height as obtained from capacitance-voltagetemperature and current-voltage-temperature measurements on Al/p-InP Schottky barriers”, Solid-State Electron., 29:633-638 (1986). 3. Rhoderick, E. H., Williams R. H., “Metal Semicondutor Contacts”, Oxford Press, 257-264 (1988). 4. Wilson, A. H., “The Theory of Electronic Semi-conductors”, Proc. R. Soc.Lond. Ser. A., 133: 458-463 (1931). 5. Altındal, Ş., Tataroğlu, A., Dökme, İ., Solar Energy Materials and Solar Cells 85, 345-358 (2005). 6. Sing, A., Reinhard, K. C., Anderson, W. A., “Temperature dependence of the electrical characteristics of Yb/p-InP tunnel metal-Insulator-Semiconductor Junctions”, J. Appl. Phys., 68(7): 3475-3479 (1990). 7. Sze, S. M., “Physics of Semiconductor Devices 2nd ed.”, John Wiley & Sons, New York, 362-390 (1981). 8. Nicollian, E. H., Brews, J. R., “MOS Physics and Technology”, John Wiley & Sons, New York, 40-175, 222-226, 423-439 (1982). 9. Neamen, D. A., “Semiconductor Physics and Devices 2nd ed.”, Mc Graw-Hill, New York, 420-450, 517-523 (1997). 10. Ghandhi, S. K., “VLSI Fabrication Principles”, John Wiley & Sons, New York, 401-405 (1983). 11. Schroder, D. K., “Semiconductor Material and Device Characterization 2nd ed.”, John Wiley & Sons, New York, 337-379 (1998). 12. Hofstein, S. R., Warfield, G., “Physical limitations on the frequency response of a semiconductor surface inversion layer”, Solid-State Electronics, 8(3): 321341 (1965). 13. Altındal, Ş., “Al-SiOx-pSi aygıtların ve güneş pillerinin elektriksel karakteristikleri.”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 52-74 (1993). 57 14. Ulrich, B., Kuchar, F., “Capacitance-voltage measurements on a p-type InSb metal/insulator/semiconductor structure with Si3N4 as the insulator”, Thin Solid Films, 168(2): 157-168 (1989). 15. Haddara, S. H., El-Sayed, M., “Conductance technique in MOSFETs: study of interface trap properties in the depletion and weak inversion regimes”, SolidState Electronics, 31(8): 1289-1298 (1988). 16. Hassan, M. C., Peppas, A. N., ‘‘Structure and Applications of Poly(vinyl alcohol) Hydrogels Produced by Conventional Crosslinking or by Freezing/Thawing Methods’’, Polymer Science and Engineering Laboratories, IN 47907-1283, USA 12-15 (1999). 17. Gözütok, B., “Poli(vinil alkol) (PVA) bazlı membranların yakıt hücrelerine uygulanabilirliğinin incelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 47-48 (2007). 18. Finch, C. A., ‘‘Poly(vinyl alcohol) 2nd Edition’’, Wiley, New York, 566-570 (1992). 19. Marjanovic, N., Singh, B., Dennler, G., Güneş, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S., Schwödiauer, R., Bauer, S., “Photoresponse of organic field-effect transistors based on conjugated polymer/fullerene blends”, Organic Electronics 7: 188–194 (2006). 20. Singh, Th. B., Meghdadi, F., Günes, S., Marjanović, N., Horowitz, G., Lang, P., Bauer, S., Sariciftci, N.S., Adv. Mater. 17, 2315-2320 (2005). 21. Uslu, I., Başer, B., Yaylı, A., Aksu, M. L., “Preparation and Characterization of PVA/Zinc Acetate/ Boron Composite Fibers”, e-Polymers, 145: (2007). 22. Uslu, I., Daştan, H., Altaş, A., Yayli A., Atakol, O., Aksu, M. L., “ Preparation and Characterization of PVA/Boron Polymer Produced by an Electrospinning Technique”, e-Polymers, 133: (2007). 23. Balcı, H., “Akıllı (fonksiyonel) tekstiller, seçilmiş kumaşlarda antibakteriyel apre ve performans özellikleri”, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana,35-36 (2006). 24. Parlaktürk, F., Altındal, Ş., Tataroğlu, A., Parlak, M., Agasiev, A., “ On the profile of frequency dependent series resistance and surface states in Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si (MFIS) structures”, Microelectronic Engineering, In Press, Corrected Proof, 85: 81-88 (2008). 25. Bülbül, M. M., Zeyrek, S., Altındal, Ş., Yüzer, H., “On the profile of temperature dependent series resistance in Al/Si3N4/p-Si (MIS) Schottky diodes”, Microelectron. Engineering, 83(3): 577-581 (2006). 58 26. Tataroğlu, A., Altındal, Ş., “Characterization of interface states at Au/SnO2/nSi (MOS) structures”, Vacuum, 82: 1203-1207 (2008). 27. Tataroğlu, A., Altındal Ş., Bülbül, M. M. “Temperature and frequency dependent electrical and dielectric properties of Al/SiO2/p-Si (MOS) structure”, Microelectronic Engineering, 81: 140-149 (2005). 28. Bülbül, M. M., Zeyrek, S., Altındal, S., Yüzer, H., “On the profile of temperature dependent series resistance in Al/Si3N4/p-Si (MIS) Schottky diodes”, Microelectron. Engineering, 83(3): 577-581 (2002). 29. Norde, H., “A modified forward I-V plot for Schottky diodes with high series resistance”, Journal of Applied Physics, 50(7): 5052-5053 (1979). 30. Cheung, S.K., Cheung, N.W., “Extraction of Schottky diode parameters from forward current-voltage characteristics”, Apply. Phys. Lett., 49(2): 85-87 (1986). 31. Karataş, Ş., Altındal, Ş., “İdeal olmayan Schottky diyotların temel parametrelerinin akım-voltaj(I-V) karakteristiklerinden hesaplanması”, KSU, Journal of Science and Engineering 7(2): 20-24 (2004). 32. Kwa, K. S. K, Chattopadhyay, S., Jankovic, N. D., Olsen, S. H., Driscoll, L. S., O’Niell, A. G., “Thermal oxidation of strained Si/SiGe: impact of surface morphology and effect on MOS devices”, Materials Science and Engineering, 109(1-3): 78-84 (2004). 33. Parlaktürk, F., Altındal, Ş., Tataroğlu, A., Parlak, M., Agasiev, A., “ On the profile of frequency dependent series resistance and surface states in Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si (MFIS) structures”, Microelectronic Engineering, 85: 81-88 (2008). 34. Chand, S., Kumar, J.,”Current transport in Pd2Si/n-Si(100) Schottky Barrier diodes at low temperatures”,Appl. Phys. Lett , 63: 171-176 (1996). 35. Coleman Hill, W. A, Coleman, C. C., “A single-frequency approximation for interface-state density determination”, Solid State Electronics, 23: 987-993 (1980). 36. Altındal, Ş., Parlaktürk, F., Tataroğlu, A., Parlak, M., Sarmasov, S. N., Agasiev, A. A., “The temperature profile and bias dependent series resistance of Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si (MFIS) structures” Vacuum, 82: 1246-1250 (2008). 37. Yıldız, D.E., Altındal, Ş., “On the temperature dependence of series resistance and interface states in Al/SiO2/p-Si (MIS) Schottky diodes”, Microelectronic Engineering 85: 289–294 (2008). 59 38. Zeyrek, S., “Al/SiNx/p-Si(100) (MYY) Schottky diyotların elektriksel karakteristiklerinin düşük sıcaklıklarda incelenmesi”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 58-64 (2005). 60 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : BENGİ, Seda Uyruğu : T.C Medeni hali : Bekar Doğum tarihi ve yeri : 15.11.1983 Ankara Telefon : 0(312) 316 60 23 e-mail : [email protected] Eğitim Derece Eğitim Birimi Yüksek lisans Gazi Üniversitesi/Fizik Bölümü Lisans Gazi Üniversitesi/ Fizik Bölümü 2005 Lise İnönü Lisesi 2001 Yabancı Dil İngilizce Hobiler Yüzme, bilgisayar, kitap okuma Mezuniyet tarihi
