Arayüzey tabakalı metal/yarı iletken (MS) yapıların hazırlanması ve elektriksel ile dielektrik özelliklerinin geniş frekans ve voltaj aralığında incelenmesi
Preparation metal/semiconductor (MS) structures with interlayer and investigation their electrical and dielectric properties in wide range of frequency and voltage
Yazar: SEÇKİN ALTINDAL YERİŞKİN
Danışman: PROF. DR. MUZAFFER BALBAŞI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Au/(%7 grafen-katkılı PVA)/n-Si (MPS) yapılar hazırlanmış ve bunların muhtemel akım-iletim merkanizmaları, doğru beslem akım-voltaj (I-V) ölçümleri kullanılarak 80-380 K sıcaklık aralığında Termiyonik emisiyon (TE) teorisine göre incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, temel yapı parametrelerinden olan sıfır-öngerilim engel yüksekliğinin  (Bo) artan sıcaklıkla literatüre aykırı olarak artarken idealite faktörünün (n) ise azalmakta olduğu gözlenmiştir. Bu davranışın, Gaussian dağılımı (GD) ile açıklanıp-açıklanamayacağını göstermek için Bo-q/2kT grafiği çizilmiş ve grafiğin, yüksek (280-380 K) ve düşük sıcaklık (80-240 K) aralıklarında iki farklı eğimli lineer bölgeye sahip olduğu gözlenmiştir. Bu iki lineer bölgenin y-eksenini kesme noktası ve eğimlerinden ortalama engel yüksekliği ( ve standart sapma değeri (σso) sırasıyla 1.30 eV ile 0.16 V ve 0.74 eV ile 0.085 V olarak elde edilmiştir. Bu σso değerler kullanılarak elde edilen lineer eğimli modifiye iki Richardson eğrisinin, (Ln(Io/T2)-(q2σso2/2k2T2))-q/kT, y-eksenini kesme noktası ve eğimlerindenveetkin Richardson sabiti (A*) değerleri sırasıyla 1.31 eV ile 130 A/cm2K2 ve 0.76 eV ile 922 A/cm2K2 elde edilmiştir. Özellikle yüksek sıcaklık bölgesi için elde edilen A*(=130 A/cm2K2) değeri, n-Si için bilinen teorik 112 A/cm2K2 değerine oldukça yakındır. Bu sonuçlar, hazırlanan yapılarda akım-iletim mekanizmasının TE bazlı iki engel dağılımı (DGD) yardımı ile başarıyla açıklanabileceğini göstermektedir. Arayüzey durumlarının (Nss) enerjiye bağlı dağılım profilleri de doğru beslem I-V verilerinden elde edilmiştir. Bunlara ilave olarak, yapının dielektrik özellikleri, elektrik modulus ve elektrik iletkenlik () değerleri de 0.5 kHz - 1 MHz frekans aralığında ve oda sıcaklığında ölçülen kapasitans-voltaj (C-V) ve kondüktans-voltaj (G/-V) ölçümleri kullanılarak detaylı şekilde incelenmiş ve bu değerlerin özellikle düşük frekanslarda büyük bir değişim sergilediği gözlenmiştir. Bu değişim arayüzey ve dipol polarizasyon ile metal/yarıiletken arayüzeyinde yerleşmiş olan arayüzey durumlarına (Nss) bağlanmıştır. -log(f) garfiğinde, değeri düşük frekanslarda neredeyse sabit kalırken yüksek frekanslarda ise üstel olarak artmakta olduğu gözlenmiştir. Bu durum, düşük frekanslarda dc iletkenlik ve yüksek frekanslarda ise ac iletkenliğin etkin olduğunu göstermektedir.

Abstract:
In this study, Au/Au/%7 graphene-doped PVA/n-Si (MPS) structure were prepared and their posible current-conduction mechanisms have been investigated based on Thermionic emisiyon (TE)  in the temperature range of 80-380 K by using the forward bias current-voltage (I-V) measurements. Experimental results show that the values of zero-bias barrier height (Bo) increase with increasing temperature contarary to literature, whereas ideality factor (n) decreases. Φap vs q/2kT plot was drawn to obtain an evidence of a Gaussian distribution (GD) of the barrier heights (BHs) and it revealed two distinct linear regions with different slopes and intercepts. The mean values of BH ( and zero-bias standard deviation (σso) were obtained from the intercept and slope of these linear plots as 1.30 eV and 0.16 V for the first region (280-380 K) and 0.74 eV and 0.085 V for the second region (80-240 K), respectively. Thus, the values ofBo and effective Richardson constant (A*) were also found from the intercept and slope of the modified Richardson plot (ln(Is/T2)-q2o2/2k2T2 vs q/kT) for two linear regions as 1.31 eV and 130 A/cm2 K2 for the first region and 0.76 eV and 922 A/cm2 K2 for the second region, respectively. This value of A* for the first region is very close to the theoretical value of 112 A/cm2K2 for n-Si. Thus the forward bias I-V characteristics of the structure can be successfully explained on the basis of TE mechanism with double (DGD) of BHs.The energy density distribution profile of surface states (Nss) was also extracted from the forward bias I-V data by taking into account voltage dependent effective BH (e) and n. In addition, dielectric properties, eelctric modulus and electrical conductivity of these structures were obtained from the capacitance-voltage (C-V) and conductance-voltage (G/-V) measurements in the frequency range of 0.5 kHz - 1 MHz at room temperature. The changes in these parameters become more high at low frequencies due to interfacial and dipole polarizations and Nss. The vs log(f) plot exhibited both low and high frequency dispersion phenomena such that at low frequencies  value corresponding to the dc conductivity (dc), but at high frequencies it corresponds to the ac conductivity (ac).