Modelling of electrical properties of granular semiconductors

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.