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].
qi
Vakum
seviyesi
Vakum
seviyesi
q
qm
Ec
qm qB
q
qB
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
jC i G P  jC 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  jC 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
jCT  GT
Z 
1
(2.16)
jCm  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
jC m  Gm jCT  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
jC m  Gm

G m  j C m
G
jC 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 (CCox)
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  jC 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  jC 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
: bengiseda@gmail.com
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
Download