Au/(Zn-katkılı PVA)/n-4HSiC (MPS) yapıların elektrik ve dielektrik özelliklerinin oda sıcaklığında arayüzey tabakasının kalınlığına bağlı incelenmesi
The investigation electrical and dielectric properties of Au/(Zn-doped PVA)/n-4HSiC (MPS) structures as function of interfacial layer thickness at room temperature
Yazar: HAVVA ELİF LAPA
Danışman: PROF. DR. ALİ KÖKCE
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Farklı arayüzey tabaka kalınlıklı (50, 150, 500 nm) Au/(Zn-katkılı PVA)/n-4HSiC metal-polimer-yarıiletken (MPS) yapılar elektro-eğirme yöntemiyle imal edilmiştir. Bu yapıların elektrik ve dielektrik özellikleri arayüzey tabaka kalınlığına, frekansa ve voltaja bağlı olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlara göre, hem elektrik hem de dielektrik parametreler arayüzey tabaka kalınlığının, frekansın ve uygulanan voltajın güçlü bir fonksiyonudur.
Yapıların ters beslem doyma akımı (Io), idealite faktörü (n), sıfır beslem engel yüksekliği (Фbo), seri ve kısa devre direnci (Rs ve Rsh) gibi bazı elektrik parametreleri I-V karakteristikleri kullanılarak elde edilmiştir. Yapıların ln(I)-ln(V) grafiklerinden akım iletim mekanizmaları incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, n, Фbo, Rs ve Rsh değerleri, arayüzey tabaka kalınlığının artması ile artmıştır ve n ile Фbo arasında lineer bir korelasyon görülmüştür. Her bir yapı için, Cheung ve Norde fonksiyonlarından n, Фb ve Rs değerleri hesaplanarak karşılaştırılmıştır. Ohm yasası kullanılarak çizilen Ri-V grafiğinden elde edilen Rs (+5 V için) ve Rsh (-5 V için) değerleri arayüzey tabaka kalınlığının artması ile artmıştır.
Her bir yapı için artan frekans ile C ve G/ değerlerinin azalırken azalan kalınlıkla C ve G/ değerlerinin (6 V'da) arttığı görülmüştür. Ters beslem C-2-V karakteristiklerinden Fermi enerji seviyesi (EF), engel yüksekliği [Фb(C-V)] ve verici atomların yoğunluğu (ND) hesaplanmıştır. Farklı arayüzey tabaka kalınlıklı yapıların, Nicollian Brews yöntemi kullanılarak Rs değerleri hem frekansa hem de voltaja bağlı olarak elde edilmiştir. Üç yapı için artan frekansla Rs değerlerinin azaldığı ve 6 V için elde edilen Rs değerlerinin artan arayüzey tabaka kalınlığı ile arttığı görülmüştür.
Arayüzey durumlarının yoğunluğu (Nss), I-V verilerinden, yüksek-düşük frekans kapasite (CHF-CLF) yönteminden ve iletkenlik yönteminden elde edilmiştir. Bu üç yöntemle hesaplanan Nss değerleri 1014 eV-1cm-2 mertebesinde bulunmuştur. Üç yapı için arayüzey tuzaklarının ömrü, enerjinin fonksiyonu olarak 10-410-5 s mertebesinde değişmiştir. Elde edilen sonuçların elektronik aygıtlar için oldukça uygun olduğu görülmüştür.
Üç yapı için, doğru ve ters beslem C-V-f ve G/-V-f verileri kullanılarak dielektrik sabitinin gerçel ve sanal bileşenleri (ε' ve ε''), kayıp tanjant (tanδ), elektrik modülünün gerçel ve sanal bileşenleri (M' ve M'') ve AC elektriksel iletkenlik (ac) değerleri elde edilmiştir.
Elde edilen sonuçlar, Au/(Zn-katkılı PVA)/n-4HSiC (MPS) yapılarının elektrik ve dielektrik özelliklerinin frekansa, uygulanan beslem voltajına ve arayüzey tabaka kalınlığına oldukça bağlı olduğunu göstermiştir.

Abstract:
The Au/(Zn-doped PVA)/n-4HSiC metal-polymer-semiconductor (MPS) structures with different interface layer thicknesses (50 nm, 150 nm, 500 nm) were fabricated by electro-spinning method. The electrical and dielectric properties of these structures have been investigated depending on interface layer thickness, frequency and applied bias voltage. According to experimental results, both electrical and dielectric parameters are a strong function of interface layer thickness, frequency and applied bias voltage.
Some electrical parameters such as reverse bias saturation current (Io), ideality factor (n), zero bias barrier height (Фbo), series and shunt resistance (Rs and Rsh) were obtained by using I-V characteristics. The current transport mechanisms of structures were investigated from ln(I)-ln(V) graphs. According to the obtained results, the values of n, Фbo, Rs and Rsh were increased by increasing the interface layer thickness. A linear correlation was observed between n and Фbo. For each structure, the values of n, Фb and Rs from the functions of Cheung and Norde were calculated and compared. It has been observed that the Rs (at +5 V) and Rsh (at -5 V) values obtained from the Ri-V graph drawn by using the Ohm's law increase with the increasing of the interface layer thickness.
For each structure, the values of C and G/ decrease with increasing frequency whereas the values of C and G/ increase with decreasing interfacial layer thickness (at 6 V). The Fermi energy level (EF), barrier height [Фb(C-V)] and density of donor atoms (ND) were calculated from reverse bias C-2-V characteristics. The values of Rs were obtained as function of both frequency and voltage by using Nicollian Brews method for structures with different interfacial layer thicknesses. For the three structures, Rs values decreased with increasing frequency and Rs values obtained for 6 V increased with increasing interface layer thickness.
The density of interface states (Nss) were obtained from the I-V data, the high-low frequency capacitance (CHF-CLF) method and the conductance method. The calculated Nss values by the methods were found in the order of 1014 eV1 cm-2. For three structures, the lifetime of interfacial traps were changed as function of energy in the order of 10-410-5 s. It has been found that the obtained results are quite suitable for electronic devices.
The real and imaginary components of the dielectric constant (ε' and ε''), the lost tangent (tanδ), the real and imaginary components of the electric modulus (M' and M'') and AC electrical conductivity(ac) were obtained by using forward and reverse bias C-V-f and G/-V-f data for three structures. These parameters were investigated as function of frequency, voltage and interfacial layer thickness.
The obtained results showed that the electrical and dielectric properties of the Au/(Zn-doped PVA)/n-4HSiC (MPS) structures highly depend on frequency, applied bias voltage and interfacial layer thickness.