Saf ve grafen katkılı pva arayüzey tabakalı metal-yarıiletken diyotların akım-iletim mekanizmalarının sıcaklığa bağlı incelenmesi
The investigations of temperature dependent current-transport mechanisms with pure and graphene doped pva interface layer metal-semiconducture diode
Yazar: ESRA EVCİN BAYDİLLİ
Danışman: PROF. DR. HABİBE TECİMER
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Schottky diyodları = Schottky diodes

Özet:
Bu tez çalışmasında, Au/(%7 Gr katkılı) PVA/ n-GaAs (SD1) ve Au/Saf PVA/n-GaAs (SD2) tipi Schottky diyotların olası akım-iletim mekanizmalarının incelenmesi için akım-gerilim (I-V) ölçümleri, 0,2 V'luk adımlarla, sırasıyla ±2,5 V ve ±2 V  gerilim ve 20 K'lik adımlarla 80-360 K sıcaklık aralığında alınmıştır. Temel diyot parametreleri olan idealite faktörü (n), potansiyel engel yüksekliği (ΦBo) ve doyum akımı (Io), I-V ölçümlerinden faydalanarak ayrı ayrı hesaplanmıştır ve sonuçlar birbirleri ile karşılaştırılmıştır.

SD1 numunesi için, doğru beslem I-V bölgesinde, farklı eğimlere sahip, 0,30V ile 0,56 V aralığında 1. Bölge, 0,72 V ile 0,92 V aralığında ise 2. Bölge olarak adlandırılan iki ayrı doğrusal bölge gözlemlenmiştir. Bu durum 2-paralel diyot modelidir ve her iki bölge için olası akım-iletim mekanizmaları ayrı ayrı incelenmiştir. Bu incelemelerin sonucu olarak her iki bölge içinde 80-160 K arasında Düşük Sıcaklık Bölgesi (DSB) ve 180-360 K arasında Yüksek Sıcaklık Bölgesi (YSB) olmak üzere iki farklı doğrusal bölge gözlemlenmiştir. Bu durum, engel homojensizliğinden kaynaklı Çift Gaussian Dağılımına (ÇGD) atfedilmiştir. Modifiye edilmiş Richardson eğrisi yardımı ile birinci ve ikinci bölgelerin YSB'leri için deneysel Richardson sabiti değerleri sırası ile 8,73 A/cm2K2 ve 8,14 A/cm2K2 olarak hesaplanmıştır. 

SD2 numunesi için, doğru beslem I-V eğrisinden ise farklı eğimlere sahip. 0,22V ile 0,66 V aralığında 1. Bölge, 0,64 V ile 0,90 V aralığında 2. Bölge ve 1,1V ile 1,5 V aralığında 3. Bölge olarak adlandırılan üç ayrı doğrusal bölge gözlemlenmiştir. Bu üç doğrusal bölge 3-paralel diyot modelini göstermektedir ve olası akım-iletim mekanizmaları ayrı ayrı incelenmiştir. Bu incelemelerin sonucu olarak, her üç bölge içinde, SD1 numunesine benzer olarak, 80-180 K sıcaklık aralığında DSB, 200-360 K sıcaklık aralığında YSB olmak üzere iki farklı doğrusal bölge gözlemlenmiştir. Bu durum, yine SD1 numunesinde olduğu gibi engel homojensizliğinden kaynaklı Çift Gaussian Dağılımına atfedilmiştir. Modifiye edilmiş Richardson eğrisinden elde edilen deneysel Richardson sabiti değerleri, her üç bölgenin YSB'leri için sırası ile 8,13 A/cm2K2, 8,14 A/cm2K2 ve 813 A/cm2K2 olarak bulunmuştur. Teorik Richardson sabiti 8.16 A/cm2K2 olduğunda hem SD1 hem de SD2 numunesi için hesaplanan Richardson sabiti değerlerinin teorik değere çok yakın olduğu açıktır. 

Her iki numune arasındaki fark olan Gr katkısının arayüzey durumlarını daha homojen hale getirdiği ve SD1 numunesinden elde edilen potansiyel engel yüksekliklerinin SD2 numunesinden elde edilen potansiyel engel yüksekliklerinden daha küçük olmasından dolayı idealite faktörünü de arttırdığı görülmüştür.

Bu çalışmanın sonucu olarak; Au/(%7 Gr katkılı) PVA/ n-GaAs (SD1) ve Au/Saf PVA/n-GaAs (SD2) tipi Schottky diyotların sıcaklığa bağlı akım-iletim mekanizmalarının, TE temelinde, arayüzey homojensizliğinden kaynaklı Çift Gaussian Dağılımı (ÇGD) ile açıklanabileceği ve düşük sıcaklıklarda Termiyonik Alan Emisyonu (TAE) ve Alan Emisyonu (AE) mekanizmalarının ve To etkisinin de etkin olabileceği, yani aynı anda bir veya birden fazla mekanizmanın aktif olabileceği açıkça ortaya konmuştur.

Abstract:
In this thesis, current-voltage (I-V) measurements of Au / (7% PV doped) PVA / n-GaAs (SD1) and Au / (Pure) PVA / n-GaAs (SD2) type Schottky diodes were taken in the range of 80-360 K in steps of 20 K, with a voltage of ± 2.5 V and ± 2 V, respectively, in steps of 0.2 V for the investigation of possible current-transport mechanisms. Ideality factor (n), potential barrier height (ΦBo) and saturation current (Io), which are the basic diode parameters, were calculated separately using I-V measurements and the results were compared with each other.

For the sample SD1, two separate linear regions were observed in the forward bias I-V region, with different slopes, namely Region 1 between 0.30V and 0.56V, and Region 2 between 0.72V and 0.92V. This is a 2-parallel diode model and possible current-transmission mechanisms for both regions are examined separately. As a result of these examinations, two different linear regions were observed between the two regions: Low Temperature Region (LTR) between 80-160 K and High Temperature Region (HTS) between 180-360 K. This has been attributed to the Double Gaussian Distribution (DGD) due to barrier inhomogeneity. With the help of the modified Richardson curve, the experimental Richardson constant values for HTRs of the first and second regions were calculated as 8.73 A / cm2K2 and 8.14 A / cm2K2, respectively.

For the sample SD2, the forward bias I-V curve has three separate linear regions with different slope, namely Region 1 between 0.22V and 0.66 V, Region 2 between 0.64 V and 0.90 V, and Region 3 between 1.1V and 1.5 V, were observed. These three linear regions show the 3-parallel diode model and possible current-transmission mechanisms are examined separately. As a result of these examinations, two different linear regions were observed within the three regions, LTR in the 80-180 K temperature range and HTR in the 200-360 K temperature range, similar to the SD1 sample. This situation was attributed to the Double Gaussian Distribution due to the barrier inhomogeneity, as in the SD1 sample. The experimental Richardson constant values obtained from the modified Richardson curve were found as 8.13 A / cm2K2, 8.14 A / cm2K2 and 8.13 A / cm2K2, respectively, for the HTRs of all three regions. It is clear that when the theoretical Richardson constant is 8.16 A / cm2K2, the Richardson constant values calculated for both SD1 and SD2 samples are very close to the theoretical value.

It was seen that the difference between the two samples, Gr doped, made the interfacial states more homogeneous and the potential barrier heights obtained from the SD1 sample were smaller than the potential barrier heights obtained from the SD2 sample, thus increasing the ideality factor.

As a result of this study; it has been clearly indicated that the temperature dependent current-transport mechanisms (CTMs) of of Au / (7% PV doped) PVA / n-GaAs (SD1) and Au / (Pure) PVA / n-GaAs (SD2) can be explained by Double Gaussian Distribution (DGD), together with Field Emission (FE), Thermionic Field Emission (TFE) and To Effect at low temperatures Thermionic Emission (TE) with the fact that one or more than one CTM can be active at the same time.