Modelling of electrical properties of granular semiconductors
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta |
Licentiate thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2009
Department
Major/Subject
Elektronifysiikka
Mcode
S-69
Degree programme
Language
en
Pages
116
Series
Abstract
Työssä mallinnetaan rakeisen n-tyypin puolijohteen sähköisiä ominaisuuksia analyyttisin ja numeerisin menetelmin. Numeerinen simulointi tehdään SILVACO ATLAS -komponenttisimulointiohjelmalla. Työssä esitetään rakeisen n-tyypin puolijohteen analyyttiset DC ja AC-mallit. Mallissa raerajat ovat äärettömän ohuita ja niissä on akseptori-tyypin elektronisia pintatiloja, joilla on yksi diskreetti energiataso. Mallissa koko rakeinen aine koostuu identtisistä raerajoista, joita yhdistää väliaine. Erilaisten potentiaaliprofiilien käyttöä DC-virran ja raerajalla olevan elektronitiheyden laskemisessa vertaillaan. Kaikki potentiaaliprofiilit antavat hyvin samankaltaisia tuloksia. Lasketuilla aineen l-V käyrillä on neljä luonteenomaista aluetta: lineaarinen, alilineaarinen, ylilineaarinen (epälineaarinen), sekä sarjavastusrajoitteinen (lineaarinen). Alilineaarinen johtuu elektronien loukkuuntumisesta raerajoilla. Analyyttiset ja numeeriset tulokset pitävät erinomaisesti yhtä laajalla jännitealueella. Rakeisen puolijohteen AC-piensignaalianalyysin yhteydessä esitetään aineen vastinpiirimalli. Mallin mukaan rakeisessa puolijohteessa havaitaan negatiivista admittanssia ja kapasitanssia, kun aineessa esiintyy elektronien loukkuuntumista ja aineen yli kytketään DC-jännite. Analyyttiset ja numeeriset tulokset pitävät erittäin hyvin yhtä koko taajuusalueella alhaisilla DC-jännitteillä.In this Thesis the electrical properties of granular n-type semiconductor are modelled using analytical and numerical simulation methods. The numerical simulation is performed with SILVACO ATLAS device simulation software. The analytical DC and AC models of the granular n-type semiconductor are presented. In the model the grain boundaries are infinitely thin and have acceptor-type electronic interface states with a single discrete energy level. The whole granular material is modelled with a number of identical grain boundaries separated by bulk regions. The use of different grain-boundary potential profiles in the calculation of DC current density and the electron density at the gram boundary is compared. All potential profiles give very similar results. The calculated I-V curves of the material have four characteristic regions: linear, sub-linear, super-linear (nonlinear), and series resistance limited (linear). The sub-linear region is caused by the electronic trapping at grain boundaries. The agreement between the analytical and numerical results is excellent in a large voltage range. In the course of the small-signal AC analysis of the granular semiconductor the electrical equivalent circuit (EEC) model of the material is presented. The model shows that a granular semiconductor material exhibits negative admittance and capacitance, when the electronic trapping at grain boundaries is present and a DC bias voltage is applied across the material. The analytical and numerical results are in a very good agreement in the whole frequency range at low DC bias voltages.Description
Supervisor
Sinkkonen, JuhaThesis advisor
Kuivalainen, PekkaKeywords
rakeiset puolijohteet, metallioksidit, drift-diffuusioteoria, vallimalli, elektroniset tilat rajapinnoilla, elektronien loukkuuntuminen, vastinpiiri, granular semiconductors, metal oxides, drift-diffusion theory, barrier model, electronic interface states, electronic trapping, electrical equivalent circuit