Al/(ZnS-PVA)/p-Si (MPS) yapıların hazırlanması ve elektriksel ile dielektrik özelliklerinin geniş bir frekans ve sıcaklık aralığında incelenmesi
The fabrication of Al/(PVA-ZnS)/p-Si (MPS) structures and investigating their electrical and dielectric properties in a wide range of frequency and temperature
Yazar: NALAN BARAZ
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM YÜCEDAĞ
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Dielektrik özellikler = Dielectric properties

Özet:
Bu çalışmada Al/(ZnS-PVA)/p-Si (MPS) yapılar hazırlandı ve bu yapıların hem temel elektrik hem de temel dielektrik parametreleri geniş bir sıcaklık (140-340 K) ve frekans (10 kHz-5 MHz) aralığında detaylıca incelendi. Bu temel parametrelerin hesaplanmasında, kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/-V) ölçüm verileri kullanıldı. Elde edilen deneysel sonuçlar, bu parametrelerin sıcaklık, frekans ve voltaja oldukça bağlı olduğunu gösterdi. Hem C hem de G/ değerlerinin artan sıcaklıkla artarken, artan frekansla azaldığı gözlendi. Bu parametrelerdeki değişim özellikle (ZnS-PVA)/p-Si arayüzeyinde lokalize olmuş arayüzey durumların (Nss) yoğunluğuna ve onların yaşama ömrüne (), polarizasyona, arayüzey polimer tabakasının ve yapının seri direncine (Rs) atfedildi. Ancak Nss değerleri ve polarizasyon özellikle tüketim bölgesinde baskınken Rs ile arayüzey tabakanın birikim bölgesinde baskın olduğu görüldü. Sıcaklığa bağlı olarak alınan C/G-V ölçüm değerleri Rs değerinin azalan sıcaklıkla arttığını ortaya koymuştur. Hem Nss hem de Rs değerlerinin voltaja bağlı değişim profilleri, sırasıyla Hill-Colleman ve Nicollian-Brews metotları kullanılarak elde edildi ve her iki parametrelerin de artan frekans ve sıcaklıkla azaldığı gözlendi. Bu azalma; düşük frekanslarda arayüzey durumlarının ac sinyalini rahatlıkla takip edebilmesi ve düşük sıcaklıklarda ise yeterince serbest elektrik yüklerinin olmamasından kaynaklanmaktadır. Kompleks dielektrik sabitinin reel ve sanal kısımları (ε', ε"), elektrik modülün reel ve sanal kısımları (M', M"), kayıp açı (tanδ) ve elektrik iletkenlik () değerleri benzer şekilde C ve G/ değerleri kullanılarak hem frekans hem de sıcaklığa bağlı olarak detaylıca incelendi. ε', ε" ve tanδ değerleri artan frekans ile azalıp artan sıcaklıkla arttığı, M', M" ve ac değerlerinin ise bu durumlarda azaldığı görüldü. Bu durum; dışardan uygulanan dc gerilim, frekans ve sıcaklık etkileri altında arayüzey yüklerin yeniden yapılanıp-düzenlenmesine atfedildi. Elde edilen dielektrik sabitinin 10 kHz'de bile 1'den büyük çıkması, Al ile p-Si arayüzeyinde büyütülen (ZnS-PVA) polimer arayüzey tabakanın geleneksel yalıtkan SiO2 yerine başarı ile kullanabileceğini göstermektedir.

Abstract:
In this study, Al/(ZnS-PVA)/p-Si (MPS) structures were prepared and main electrical and dielectric parameters of these structures were examined in detail in a wide temperature (140-340 K) and frequency (10 kHz-5 MHz) range. Capacitance-voltage (C-V) and conductivity-voltage (G/-V) measurements were used to calculate the main electrical and dielectric parameters. Experimental results confirmed that these parameters are strongly dependent on temperature, frequency and voltage. Both C and G/ increase with increasing temperature, but decrease with increasing frequency. The change in these parameters was mainly attributed to the density of the interface states (Nss) localized in the (ZnS-PVA)/p-Si interface and their lifetime (), polarization, interfacial polymer layer and structure resistance (Rs). However, it was seen that the Nss values and polarization are predominant in the interface layer accumulation region, especially with Rs being dominant in the depletion region. Measurements taken depending on the temperature showed that C/G-V values increased only with decreasing temperature of Rs. Voltage-dependent profiles of Nss and Rs were obtained using the Hill-Coleman and Nicollian-Brews methods, respectively, and both parameters decrease with increasing frequency and temperature. This decrease is due to the fact that interface conditions can easily follow the ac signal at low frequencies and there are not enough electric charges at low temperatures. The real and imaginary parts (ε', ε") of the complex dielectric constant, the real and imaginary parts (M', M") of electric modulus, the loss tangent (tanδ) and the electrical conductivity () values of the structure are similarly calculated using C and G / depending on both frequency and temperature. 
ε ', ε " and tanδ values increased with decreasing frequency and increasing temperature whereas M', M" and ac decreased with increasing on both frequency and temperature. This situation was attributed to the restructuring-reordering of the interface states under the effects of externally applied dc voltage, frequency and temperature. The resulting dielectric constant of greater than 1 at 10 kHz indicates that the (ZnS-PVA) polymer interface layer grown at Al interface with p-Si interface can successfully replace the classical insulating SiO2 layer.