Cds filmlerde SCL akımları (uzay yükü ile sınırlı akımlar) ve tuzak yoğunluklarının tayini

T. C.

ATOM ENERJİSİ KOMİSYONU

ANKARA NÜKLEER ARAŞTIRMA MERKEZİ

CdS FİLMLERDE SCL AKIMLARI

(Uzay

Yükü İ l e S ı n ı r l ı A k ım la r)

VE TUZAK YOĞUNLUKLARININ TAY İN İ*

F.ALADLI - D.TÜREK

Kasım, 1973

Bu ça lışm a TÜBİTAK

I V . B ilim

K ongresine sunulm uştur.

ÖZET

A u -C d S -In y a p ıs ın d a k i

in c e f ilm

d i y o t la r d a akım

g e ç iş

mekanizması incelenm iş

ve J -V k a r a k t e r i s t i k l e r i y ard ım ı i l e tu ­

zak y o ğ u n lu k la r ı h e s a p la n m ış tır. J -V (Alcım Y o ğ u n l u k la r ı- V o l t a j)

e ğ r i l e r i b a ş l ı c a üç f a r k l ı b ö lg e g ö s t e r m iş t ir »

1. Akımın v o l t a j l a o r a n t ı l ı olduğu omik b ö lg e ,

2. Akımın, e 0^ i l e o r a n t ı l ı

olduğu ü s t e l b ö lg e ,

3. Alcımın v o l t a j ı n k a r e s i i l e o r a n t ı l ı

olduğu b ö lg e ,

Kare ka^

nunu.

Tuzak y o ğ u n lu k la r ın ın ta y in in d e R ose’ un t e o r i s i esas

a lın m ış ve tuzak y o ğ u n lu k la r ı 10*4 - 1 0 ^ e V " l cm~^ bulunm uştur.

Tuzak ak tiv asy o n e n e r j i s i i s e , ç e ş i t l i s ı c a k l ı k l a r d a y a p ıla n

i l e t k e n l i k ö l ç ü l e r i i l e

t a y in e d ilm iş

ve EA»0 ,5 1 eV o la r a k

h e s a p la n m ış t ır .

SUMMARY

E l e c t r i c a l conduction mechanism in CdS t h i n film s

have

been in v e s t ig a t e d and t r a p d e n s it ie s have been c a lc u la t e d by

J -V measurements. The J -V cu rves d is p la y e d th re e d i f f e r e n t r e g io n s

1. Ohmic r e g io n (j/ x - 'V )

^

2. Escpanantial r e g io n (J ^x ^e )

3.

Square law r e g io n

(j-x^V ^)

In o rd er t o c a lc u la t e the t r a p d e n s it i e s , R ose’ s th e o ry have

been u sed . The t r a p d e n s it ie s were in the o rd er o f

10*4 - 10^6

eV_ l cm’”^ and the a c t iv a t io n

energy o f the t r a p s was found

IV. 3ÎLÎM KONGRESİ 5 - 8 KASIM 1973 ANKARA

Cds F İL M L E R D E SCL A K IM LA R I (Uzay Yiikü ü e Sınırlı Akım lar) VE T U Z A K YO Ğ U N LU K LA R IN IN T A Y İN İ

F . A L A D L I, A . E. K. Ankara Nükleer A raştırm a M erkezi D. TÜREK, A. E. K. Ankara Nükleer A raştırm a Merkezi GİRİŞ

Yalıtkanlarda ve y arı iletkenlerde elektriksel iletkenliğin incelenmesi ile, bıı maddelerin elektriksel ve yapısal özellikleri hakkında epeyce önemli b ilgi elde e d ile b ilir. Aynı zamanda, çeşitli ışınların bu maddeler üzerindeki etkilerini de tesbit etmek mümkün olur. Böylece, elektriksel iletkenliğin incelenmesi sonucunda da, yeni birtakım devre elemanlarının yapılması gerçekleştirilebilir.

Yalıtkan maddelerde, oda veya daha alçak sıcaklıklarda, serbest yük ta­ şıyıcılarının yoğunluğu çok düşüktür. Fakat, omik b ir kontaktan maddenin içine yük sok­ makla,. bu yük taşıyıcılarının sayısı çoğaltılabilir.

B ir diyot lambadaki SCL akımının Katı Hal benzeri, b ir yalıtkandaki SCL akımıdır. Bu özellik, ilk kez Mott ve Gurney (1) tarafından ortaya konulmuştur. Şekil 1. (a) da, iş fonksiyonu yalıtkanınkinden daha küçük olan b ir metal ile omik kon­ tak yapmış olan b ir yalıtkan gösterilm iştir. Şekil 1. (b) de ise, elektrik alanı uygulan­ dıktan sonra meydana gelen zahiri katod açıkça belirtilm iştir.

Yalıtkanlarda SCL akımlarının ölçülmesi ile, madde içindeki tuzaklar m yoğunlukları ve özellikleri hakkında bilgi edinmek mümkün olur. Örneğin, cm'* başına 10İ8 tuzak sayısı makul b ir değerdir. Bu kadar tuzak da, bazı durumlarda SCL akımla­ rını ölçülemiyecek b ir değere indirebilir.

CdS k ristali ile ilk ölçüler Smith (2) tarafından yapılmıştır. Bu ölçüler­ de, SCL akımının, yalnız azaldığı değil, aynı zamanda, J -V eğrisinin de biçim değiş­ tirdiği görülmüştür.

Daha önce yapılan çalışm alarım ızda, polystrene ince film lerde SCL a­ k ım ları incelenmiş ve A N A M yayınları arısında çıkmıştır (3).

TEORİK B İL G İL E R

CdS ince film lerde elektriksel iletkenliğin incelenmesi ve tuzak yoğun­ luklar mm tayininde R ose!un (4) teorisi esas alınm ıştır. İki metal elektrot arasına ko­ nulmuş yalıtkan b ir maddeye omik b ir kontaktan yük taşıyıcı sokuluyorsa ve maddede tuzak yok ise, Lam pert (5) tarafından akım yoğunluğu ile voltaj arasında aşağıdaki ba­

ğıntı bulunmuştur:

-Burada,

yük taşıyıcılarının mobüitesi, £ - maddenin dielektrik sabiti, d= maddenin kalınlığı,

n= elektrik alanı uygulanmadan önce, serbest yük taşıyıcılarının yoğunluğu , V= elektrotlara uygulanan voltajdır.

h= o için (1) bağm tısı Mott ve Gurney kanununu (1) verir. Yani,

(2)

~ds FİLMLERDE SCL AKIMLARI (Uzay Yükü ile Suudi Akımlar) VE TUZAK YOĞUNLUKLARININ TAYİNİ

olur. Madde içinde tuıaklar varsa, SCL akımı epeyce aîalır. Çünkü,

Rose (4) tarafından yapılan hesaplam alar sonucunda, tuzaklar yüzünden akım m,

~ ~ 1 J ~ (3)

8

t — —— Q £ V exp foC Vİ

J - fi C r 1 J

olacağı bulunmuştur. Burada,

o< =

kT dir ve C, sistemin sığasıdır. D iğer taraftan, serbest

yüklerin tuz aklan an yüklere oranı yaklaşık olarak,

n «Jen

e

- _ÎL_ _ İSIL

ile verilir ve buna göre (3) bağıntısı,

J r R V eXfy

şeklini alır. Burada

AE kT

* - ₈ e. n _{c d i}H e dir. B irim enerji başm a düşen tuzakların sayısı, veya yoğunluğu ise

^ i c v v/ j t . Mt » ile verilir. e d kT (

i l . _ ı )'

es;

6

a) Film Hazırlanm ası: CdS film ler vakumda buharlaştırm a yöntemi ile hazırlanm ıştır. İyice temizlenmiş b ir mikroskop camının üstüne şerit halinde A l­ tın buharlaştırılır. Sonra CdS k ristali aynı şekilde, vakumda bu altın tabakanın üstüne birik tirilir. Daha sonra, In veya Al, bu CdS in üstüne buharlaştırılarak A u -C d S -ln sandviç yapısı elde edilir. Gümüş pastası yardım ı ile, iletken teller altın ve Infa tut­ turulur. Bu şekilde hazırlanan film in yapısı Şekil 2Tde gösterilm iştir.

Vakumda buharlaştırm a ile hazırlanan film lerin kalınlığı 1-10 um arasın­ dadır. Kalınlıklar, kapasite ve optik yöntemle bulunmuştur.

b) Ölçü sistemi: F ilm lerin J -V karakteristikleri Şekil 3 fde gösterilen ölçü sisteminde yapılm ıştır. Akım ölçm eleri için Keithley 6İOB Elektrom etresi ve güç kaynağı olarak da Keithley 241 Regulated High Voltage Supply kullanılmıştır. Akımın k ara rlı duruma gelm esi Keithley 370 R ecord er^ ile gözlenmiştir. Karakteristik ölçüm­ le ri 10” 4 T o r r lu k b ir vakumda, oda sıcaklığında ve karanlıkta yapılm ıştır.

SONUÇLAR

Şekil 4 ve 5 de farklı kalınlıktaki film lere ait J -V karakteristikleri gös­ terilm iştir. Bu karakteristiklerden görüleceği gibi, eğrilerde üç bölge görülmektedir. Bu bölgeler, 1. Omik, 2. Üstel (eksponansiyel) ve 3. Akımın, voltajın karesi ile art­

IV B ÎL ÎM KONGRESÎ 5 - 8 K ASIM 1973 A N K A R A

tığı bölge.

K a ra rlı J -V karakteristiklerinde görülen üstel bölge, maddeye yalnız tek İşaretli yük taşıyıcılarım a sokulduğu esas ma dayanan R o sefun teorisi ile açıklana­ b ilir. Bu bölgenin açıklanması için, daha başka teoriler kullanılabilir. Fakat, bu ça­ lışm ada deneysel sonuçların açıklanması ve hesapların yapılması için , Rose'un teori­ si kullanılm ıştır. Yani, akım yoğunluğu ile voltaj arasındaki bağıntı için,

T ____ ! _ n e K g V axp [ ° H

u 8 r L J

denklemi esas alınm ıştır. Burada

<Ae tcT

&, V / T

-

v

dir ve aym zamanda

(üstel bölgede) doğrusunun eğimidir.

Şekil 6 ve 7 de çizilen I n — v e ğ rile ri çizgisel b ir karakter gös­ termektedir. Bu da bulunan sonuçların R osefun teorisine uygunluğunu ispat etmek­ tedir.

Deneyde karakteristikleri incelenen film lere ait bütün özellikler Tablo l Tde gösterilm iştir. Film lerin dirençlilikleri (rezistivite)

^ S i d

bağm tısı ile hesaplanmıştır. Buradaki V, I değerleri, film lerin omik bölgedeki değer­ lerid ir. Tablonun incelenmesinden de anlaşılacağı gibi, (6) bağıntısı ile hesaplanan n^ tuzak yoğunlukları 10İ4 - 10İ6 ey - l cm- 3 arasındadır.

T A B L O I-Film Kalınlık (><nı) Alan (cm2) Sıcaklık <°K) P A - c m ) °t ( e y - 1 c m -3) CdS-1 7,1 0,16 300 2, 25.10+11 1, 56.10İ5 CdS-2 0,75 0,16 300 5, 6.10+8 8, 5.10İ5 CdS-3 2 0,16 300 1, 9.10+8 2.16.1014 CdS-4 10 0,16 300 1, 26.10İ3 3.8.10İ6

D iğer taraftan, çeşitli sıcaklıklarda yapılan iletkenlik ölçülerine göre çizilen l n s - r i — eğrisi Şekil 8 de gösterilm iştir. Bu doğrunun eğiminden tuzak akti- vasyon enerjisi hesaplanmış ve EA = 0, 51 eV olarak bulunmuştur.

Karakteristiği incelenen film lerden b ir i 10 dakika süre ile, akışı 10 3 nötron/cm2. sn. olarak pulslu nötronlara tutulmuş, fakat karakteristiklerde önemli b i r değişme gözlenememiştir. Bu konuda çalışm alar sürdürülmektedir ve ilerde so­ nuçlar yayınlanacaktır.

Cds FİLMLERDE SCL AKIMLARI (Uzay Yükü İle Sınırlı Akımlar) VE TUZAK YOĞUNLUKLARININ TAYİNİ

T J T F R A T İÎR

1- N . F. Mott and R. W. Gumey, Electronic P ro c e sse s in Ionic C rystals, Oxford University P re s s , New York, 1940,

2- R . W . Smith, and A. Rose, Phys. Rev. 97, 1531 (1955).

3- D. Türek, Polystrene İnce F ilm lerde SCL Akımı île Tuzak Yoğunluğunun Tayini, K F - 2-7 2. Ankara Nükleer A raştırm a Merkezi Başbakanlık Atom E nerji­ si Komisyonu Genel Sekreterliği.

4 - A. Rose, Phys. Rev. 97, 1938 (1955). 5- M. A. Lampert, Phys, Rev. 103, 1648 (1956).

IV. B İLİM KO NG R ESİ 5 - 8 K ASIM 1973 A N K A R A

Ş ekil.1 .(a )E lek trik a la n ı s ıfır iken bir y a l ı t - Ş e k i l. 2. Filmin y a p ıs ı, ka ndaki omik konta kla r. ( b) Sonlu

alan uygulandığında A n o k ta s ın d a z a h iri katod g ö rü lm e k te d ir Numune T e r m o k u p i Mıüvoltmetreye Isıtıcı Su 4*Buz Güç kaynağı Vakum

Ele ktrom etre Kaydedici

Cda FİLM LER D E SCL AKIMLARI (Uzay Yîikü İle anırtı Akımlar) VE T U ZA K YO Ğ U N L U K L A R IN IN T A Y İN İ

Şekil. 4 . d » 2 y m tik f ilm in In J - In V e ğ r i s i.

Cds FİLM LER D E SCL AKIMLARI ^Uzay Yıikü ile Sınırlı Akımlar) VE T U Z A K Y O Ğ U N L U K L A R IN IN TAYİNİ

IV B İL İM KONGRESİ 5 - 8 K A SIM 1973 A N K A R A

Cds FİLM LE R D E SCL AKIMLARI (Uzay Yükü ile Sınırlı Akımlar) VE T U ZA K Y O Ğ U N L U K L A R IN IN TAYİNİ

I