شبیه سازی ترابرد الکترون در نیمرسانای اکسید روی به روش مونت کارلو

در سالهای اخیر، نیمرساناهای با گاف نوار بزرگ نظیر نیترید گالیم، کربید سیلیسیم و اکسید روی مورد توجه قرار گرفته اند. از یک طرف به دلیل اینکه گاف نوار بزرگ این نیمرساناها، قطعات ساخته شده از این نیمرساناها را قادر می سازد تا دمای کار گسترده تری داشته باشند و در نتیجه می توان سیستم های خنک کننده را که باعث افزایش قیمت این سیستم ها می شود را حذف کرد که علاوه بر کاهش قیمت، کاهش اندازه سیستم را نیز در بر دارد. همچنین این نیمرساناها به دلیل گاف نوار مستقیمشان کاندیداهای مناسبی برای اپتوالکترونیک هستند. در این میان نیترید گالیم از لحاظ تئوری و تجربی مورد بررسی قرار گرفته است؛ اما مشکلاتی در سر راه تولید انبوه قطعات آن وجود دارد. از جمله اینکه بلورهای نیترید گالیم عیوب زیادی دارند و بسترهای مناسب برای رشد لایه های آن گران قیمت هستند. بعلاوه دمای لایه نشانی نیترید گالیم بالاست که عامل دیگری در بالا بردن قیمت این لایه ها است. در این میان، یکی از راه حلهای پیشنهادی استفاده از اکسید روی است. تک بلورهای اکسید روی تقریبا به فراوانی در دسترس هستند و روشهای متفاوتی برای استخراج آن وجود دارد که آن را از لحاظ تجاری قابل دسترس تر از رقبایش می سازد. از لحاظ شیمیایی پایدار است و مقاومت خوبی در برابر خوردگی شیمیایی دارد، انرژی پیوندی اکسیتونی بالایی دارد (حدود mev60 در مقایسه با انرژی اکسیتونی نیترید گالیم که mev 25 است.) که به اکسید روی اجازه می دهد در دمای اتاق و دماهای بالاتر گسیل اکسیتونی داشته باشد. علاوه بر این در برابر تابشهای پرانرژی الکترومغناطیسی و پرتوهای یونیزه کننده مقاوم است که باعث کاربرد آن در مصارف فضایی می شود. از طرف دیگر، بلورهای آن در برابر نور مرئی شفاف هستند و بنابراین پتانسیل خوبی برای کاربرد در الکترونیک شفاف دارد. قطعات بر مبنای اکسید روی با لایه های نازک در دمای حدود k 670 تا k 870 لایه نشانی می شوند که این دما به طور قابل ملاحظه ای کمتر از دمای لایه نشانی نیتریدها است. این کاهش دما به تنهایی باعث کاهش قیمت ساخت قطعات اکسید روی می شود. علاوه براین قطعات الکترونیکی اکسید روی را می توان بر روی بسترهای ارزن نظیر شیشه ساخت. از این رو است که اخیرا توجه بیشتری به این نیمرسانا شده است و در یک دهه گذشته گزارشهای موثقی از قطعات الکترونیکی اکسید منتشر شده است. در این پایان نامه خواص ترابری الکترونی اکسید روی را با نیترید گالیم و کربیـد سیلیسیم مقایسه کرده ایم تا ببینیم می توان اکسید روی را با توجه به نکات مثبت ذکر شده در بالا جایگزین قطعات نیترید گالیم موجود کرد. روش مورد استفاده برای شبیه سازیها، روش آماری مونت کارلو با تقریب نوار رسانش سه دره ای است که توسط کد فرترنی که نوشته ایم انجام شده است. شبیه سازی ترابرد الکترونی در حضور میدانهای الکتریکی قوی نشان می دهد که تغییرات سرعت سوق برحسب میدان الکتریکی در دمای اتاق t = 300 k و با چگالی ناخالصیcm-3 1017 نشان می دهد که نیترید گالیم و اکسید روی رفتار تحرک دیفرانسیلی منفی را از خود نشان می دهند. با این تفاوت که در مورد نیترید گالیم بیشینه سرعت سوقcm s-1 107 *3 و در میدان آستانه حدود kv cm-1 180 اتفاق می افتد در حالی که برای اکسید روی بیشینه سرعت سوق cm s-1 107* 24/2و میدان آستانه حدود kv cm-1 340 است. علاوه بر این نتایج نشان می دهد که در اکسید روی نیز مانند نیترید گالیم منشاء رفتار تحرک دیفرانسیلی منفی در حالت پایدار و ایجاد overshoot در حالت گذار، ناشی از گذار الکترونها به دره های بالاتر نوار رسانش است. همچنین زمان واهلش overshoot هر دو ترکیب در حدود 3/0 پیکو ثانیه است. در گام بعد دیود و مسفت اکسید روی شبیه سازی شده اند. چون تهیه اکسید روی نوع p مشکل است در ساخت قطعات الکترونیکی اکسید روی از پیوندگاههای n-n+ استفاده می شود. به همین دلیل دیود n+-n-n+ اکسید روی شبیه سازی شده و با دیود مشابه نیترید گالیم مقایسه شده است. تاثیر ولتاژها و دماهای متفاوت بر ترابرد الکترون به ویژه در طول کانال فعال n بررسی شده است. در محدوده ولتاژهای مورد بررسی (0 تا 5 ولت) مشاهده می شود که بر خلاف دیود گالیم آرسناید که در مرز کانال فعال با آند گذار به دره های بالاتر و پس پراکندگی منجر به کاهش سرعت سوق می شود در مورد اکسید روی تنها پس پراکندگی از مرز، سرعت سوق را کاهش می دهد. در نهایت مسفت n+-n-n+ به کمک نرم افزار ارشمیدس شبیه سازی شده است و ترابرد الکترون در ولتاژهای متفاوت گیت و درین با هم مقایسه شده اند. نتایج نشان می دهند که رفتار ترابرد الکترون ها در نزدیک مرزهای سورس- گیت و درین- گیت بسیار مشابه رفتار الکترون ها در مرزهای آند- ناحیه فعال و کاتد- ناحیه فعال در دیود n+-n-n+ است. به همین دلیل است که این دیود در کارهای شبیه سازی مورد توجه است و به عنوان پایه ای برای مطالعه قطعات پیچیده تر استفاده می شود. در تمام این موارد، نتایج ما نشان می دهند که مقدار سرعت بیشینه الکترونی در اکسید روی کمتر از نیترید گالیم است اما این سرعت بیشینه در میدانهای قوی تری رخ می دهد. البته این تفاوت زیاد نیست. بنابراین در صورتی که بتوان اکسید روی ارزان قیمت از لحاظ تجاری را تولید کرد به نظر می رسد که بتوان از این تفاوت اکسید روی نسبت به نیترید گالیم صرفنظر کرد.