Pn ve pin eklem tipi aygıtlarda empedans analizi
Impedance analyse of pn and pin junction type devices
Yazar: ADEM DÖNMEZ
Danışman: DOÇ. DR. HABİBE BAYHAN
Muğla Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Akım iletimi = Current transmission ; Elektriksel karakterizasyon = Electrical characterization ; Empedans = Impedance ; Fotodiyot = Photodiode ; Kızılötesi = Infrared

Özet:
Bu çalışma teorik ve deneysel kısımlardan oluşmuştur. İlk kısımda, ideal yarıiletken pn ve pin eklem aygıtlar ile elektro kimyasal sistemlere örnek olarak üç farklı eşdeğer devre modeli seçilmiş ve empedans denklemleri çıkarılmıştır. Teorik empedans verileri, 1 ? 107 Hz aralığında değişen frekans ve seçilen eşdeğer devre parametre değerleri için Microsoft Q-basic 4.0 MS-DOS programı kullanılarak türetilmişlerdir. Bu veriler Cole-Cole (Nyquistik), Bode ve gerçel/sanal empedans- frekans grafik yöntemler kullanılarak analiz edilmişlerdir.İkinci kısımda, BPW34 pin fotodiyot ile CQY37N pn IR yayıcının elektriksel özellikleri sıcaklık bağımlı karanlıkta düz besleme akım-gerilim ve empedans/admitans spektroskopisi ölçüm teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Aygıtların akım-voltaj:sıcaklık karakteristikleri ideal diyot denklemi kullanılarak analiz edilmiştir. Aygıtların akım iletim mekanizmaları, log I - V karakteristiklerinde iki farklı voltaj bölgesi ele alınarak incelenmiştir.BPW34 fotodiyot için, I. bölgede (düşük besleme gerilimi); sıcaklığın 200 K den büyük değerleri için p/i ara yüzeyi civarında i-tabaka yasak enerji aralığı ortalarına yakın kısımlarda bulunan elektron ve deşik yerel tuzak durumları arasındaki yeniden birleşme mekanizmasının toplam akıma önemli katkı yaptığı saptanmıştır. I bölgede düşük sıcaklıklarda (T<200 K) ve II. bölgede tüm sıcaklık aralığında ise, toplam akımın tünellemenin yükselttiği i/p ara yüzeyde yeniden birleşim mekanizması ile kontrol edildiği tespit edilmiştir. 1 MHz frekans değerinde belirlenen yük yoğunluğu ve eklem engel potansiyel değerleri sırayla 8.17x1015 cm-3 ve 0.55V'tur. Kusur durum yoğunluğu ortalama 1017 cm-3 civarında bulunmuştur. Empedans ölçümleri seçilen sabit sıcaklıkta voltaj bağımlı ve seçilen sabit voltajda sıcaklık bağımlı olarak gerçekleştirilmişlerdir. İncelenen fotodiyotta tek bir zaman sabitinin varlığı tespit edilmiştir. BPW34 pin fotodiyot eşdeğer devre modelinin, paralel bağlı direnç ve kapasitör ağı ile ağa seri bağlı bir direnç ile ifade edilebileceği anlaşılmıştır. Cole-Cole çizimlerinde, özellikle artan ileri besleme değerlerinde (V > 0.3 V) ve yüksek frekanslarda gözlenen doğrusal değişim Warburg empedansı olarak tanımlanmıştır. V < 0.3V ise fotodiyot saf bir kapasitör gibi davranmaktadır.CQY37N IR pn eklem aygıtta, tükenmiş bölge içinde yerelleşmiş tuzak durumları yardımlı yeniden birleşimin akım iletiminde etkin rol oynadığı belirlenmiştir. Eklem engel potansiyeli ve kusur durum yoğunluğu sırayla yaklaşık 3.88 V ve 1014 -1015 cm-3 olarak belirlenmiştir. Empedans ölçümleri sabit sıcaklıkta voltaj bağımlı ve sabit voltajda sıcaklık bağımlı olarak gerçekleştirilmişlerdir. Her iki durum için ölçülen empedans verileri, incelenen aygıtın eş değer devresinin pn eklem aygıtlar için önerilen tek zaman sabitli devre ile ifade edilebileceğini göstermiştir. Eşdeğer devre kapasitans bileşeninin sıcaklık bağımlılığı tükenmiş bölge içerisinde bulunan tuzak durumunun uygulanan ac sinyale bir tepkisi olarak değerlendirilmiştir.Anahtar Kelimeler: Fotodiyot, Kızıl ötesi yayıcı, Elektriksel Karakterizasyon, Akım İletim Mekanizmaları, Admitans ve Empedans Spektroskopisi.

Abstract:
This study has been formed by theoretical and experimental parts. In the first part, three different equivalent circuit models are selected as an example of ideal pn and pin junction devices and electrochemical systems and than their impedance equations are derived. The theoretical impedance data have been derived by using Microsoft Q-basic 4.0 Ms-dos programme for selected equivalent circuit parameters in the frequency range between 1 ? 107 Hz. These data have been analyzed by using Cole-Cole (Nyquist), Bode and reel/complex impedance-frequency graph techniques.In the second part, the electrical properties of BPW34 pin photodiode and CQY37N pn IR light emitting diode have been investigated using temperature dependent forward current-voltage and admittance/impedance spectroscopy measurement techniques in the dark. The current-voltage:temperature characteristics of the devices have been analysed by using the standard diode equation. The conduction mechanism in the devices are analysed by dividing the log I?V characteristics into two distinct voltage regions.For BPW34 photodiode, in region I. and for temperatures above than 200K, the recombination between localized acceptor and donor states located at about the mid gap of i-layer and near the p/i interface was found to have an important contribution to the total current. At low temperatures (T<200 K) in region I and for the whole temperature scale in region II, the current is found to be controlled by the tunnelling enhanced interface recombination mechanism. The density of free carriers and the value built-in potential are estimated as about 8.17x1015 cm-3 ve 0.55V, respectively at a frequency of 1 MHz. The density of defect states are found as about 1017 cm-3. Impedance measurements are carried out at selected constant temperatures for different voltages and at selected constant voltages for different temperatures. The equivalent circuit of the BPW34 pin photodiode has been found to be represented by a single parallel resistor and capacitor network connected with a series resistance. The linear response observed at high frequencies and especially at relatively high applied dc voltages (V > 0.3 V) in the Cole-Cole plots is related to the Warburg impedance. For, V < 0.3V the photodiode behaves as a capacitor.The current transport in CQY37N IR pn junction device is found to be dominated by depletion region recombination through localized defect states present in the band gap. The value of the built-in potential and the density of defect states are estimated as about 3.88 V and 1014 -1015 cm-3, respectively. Impedance measurements are done as voltage dependent at constant temperature and as temperature dependent at constant voltage values. Both impedance measurements have indicated that the equivalent circuit of the device can be represented by an equivalent circuit model proposed for pn junction devices with a single time constant. The temperature dependence of the equivalent circuit capacitance was assumed to be due to the response of a trap state located in the depletion region to the applied ac signal.Key Words: Photodiode, IR-LED, Electrical Characterization, Current Transport Mechanisms, Admittance and Impedance Spectroscopy.