بخشی از مقاله
چکیده
ترانزیستور های فیلم نازک - TFTs - ساخته شده از نیمه هادی شفاف، تکنولوژی بسیار مهمی هستند، چون نامرئی بودن آنها در طیف نور مرئی، ساختار قطعات را ساده تر می کند. تمام ساختارهای ترانزیستورفیلم نازک کارائی لازم را ندارند، که این بدلیل حضور مرزهای بلور چگال است. ما مرزهای بلور در ترانزیستور فیلم نازک پلی کریستال اکسید روی را برای تعیین اثرات آن در عملکرد قطعه، آنالیز و بصورت دو بعدی شبیه سازی می کنیم .
ابتدا سد شاتکی دوبل شکل گرفته در مرز بلور و بعد ارتفاع این سد را، که تابعی از چگالی نقایص یا همان تله ها و بایاس گیت است، در یک مرز بلور، آنالیز وشبیه سازی می کنیم. شبیه سازی را برای ترانزیستور با کانال پلی کریستالی متشکل از چند مرز بلور بسط می دهیم و تفاوتها را در ولتاژ آستانه، موبیلیته و جریان کانال، با تعداد مرزها وتراکم تله متفاوت بررسی می کنیم و از نتایج شبیه سازی قادر خواهیم بود ولتاژ آستانه و موبیلیته کانال را تخمین بزنیم.
مقدمه
قانون پایه ترانزیستور اثر میدانی - که در حال حاضر JFET نامیده می شود - اولین بار توسط ژلیوس ادگار لیلینفلد حدود سال 1925 پیشنهاد و در سال 1930 ثبت گردید. مزیت قطعه پیشنهادی بر لامپهای خلاء آن زمان، فقط تقویت فرکانس بالای قابل دسترس در آن زمان بود
سال 1962 اولین کار عملی برروی ترانزیستورهای فیلم نازک - TFT - توسط آقای وایمر به تصویر کشیده شد. او از فیلمهای نازک پلی کریستال سولفید کادمیوم استفاده کرد. شبیه به آنچه در آن زمان برای آشکار سازهای نوری استفاده شده بود.
در اواسط دهه 60 با ظهور MOSFET های پایه گذاری شده بر تکنولوژی سیلیکون کریستالی و امکان تهیه مدارات مجتمع با آن تلاش برای توسعه کاهش یافت. اما بعداز چند سال و با مطرح شدن نمایشگرهای کریستال مایع - LCD - در اواسط دهه 70 ، باز TFTها وارد صحنه شدند. سالها بر روی خصوصیات TFTهای پلی سیلیکونی - Poly-si TFT - و TFTهای سیلیکون بی شکل TFT - - a-si به منظور استفاده در نمایشگرهای کریستال مایع ماتریس فعال - AMLCD - تحقیق شده است
TFT ها یک کلاس از ترانزیستور های اثر میدانی هستند و روابط آنها با MOSFETها یکسان است. اما TFTها در مد انباشتگی - Accumulation mode - و MOSFETها در مد وارونگی - Inversion mode - عمل می کنند. خاصیت شفاف بودن و رشد در دمای پائین اکسید روی - ZnO - آن را کاندیدای شایسته ای برای الکترونیک شفاف و نامرئی قرار داده است. همچنین امکان ساخت قطعات کوچکتر با مواد پلی کریستالی و سادگی ساخت، پلی کریستال اکسید روی را مورد توجه قرار داده است.
ZnO و ZnO TFT
ZnO به نمایش نوری پایدار مشهور است و هدایت نوری پایدار آن شدیدا به شرایط اتمسفر محیط رشد وابسته است. یکی از مزایای ZnO امکان رشد در دمای اتاق - یا نزدیک به آن - با کیفیت بالای پلی کریستالی است
شکاف پهن باند انرژی اکسید روی - 3.4HY - آن را در زمره موادی که حساسیت کمتری به نور دارند قرار داده است
فیلمهای نازک ZnO با تکنیکهائی از قبیل: پراکندگی مگنترونی - magnetron sputtering - ، رشد لیزر پالسی - PLD - ، فرآیند Sol - gel، پرتومولکولی اپیتکسیال - Molecular beam epitaxy - ونشست بخار شیمیائی - CVD - رشد می یابند .
اکسید روی کاربردهای زیادی از قبیل : پوششهای آنتی استاتیک، پانلهای لمسی، سلولهای خورشیدی، نمایشگرهای کریستال مایع، پوششهای نوری و ... دارند
اولین ترانزیستور فیلم نازک شفاف را آقای هافمن - Hoffman - و همکارانش در سال 2003 در دانشگاه ایالت اورگن ایالات متحده با استفاده از اکسید روی ساختند
ترانزیستورهای ساخته شده با اکسید روی بدلیل قابلیت ساخت در دمای پائین ، پایداری نوری بهتر و شفافیت بیشتر نسبت به سیلیکون بی شکل - a-si - و همچنین قابلیت نصب در نمایشگرهای ماتریس فعال ، توجه سازندگان نمایشگرهای کریستال مایع را به خود جلب کرده است. همچنین این ترانزیستور ها پنجره ای به سمت الکترونیک نامرئی باز کرده اند.
پلی کریستال اکسید روی در طبیعت وجود ندارد، اما بدلیل امکان ساخت قطعات کوچکتر با استفاده از پلی کریستال و سادگی ساخت پلی کریستال اکسید روی - polycrystalline ZnO - مورد توجه قرار گرفته است. فیلم های پلی کریستال از نانو کریستالهایی با سایز دانه50QP تا 100QP و در نتیجه از تعدادی مرز بلور - Grain Boundary - تشکیل شده اند. در مرز های بلور ناکاملی هایی وجود دارد که بعنوان تله عمل می کنند.
تله ها همان شبه پذیرنده ها وشبه دهنده ها هستند. شبه دهنده ها مثبت هستند، پس می توانند یک الکترون را تسخیر کنند. - بعبارت دیگر تله های شبه دهنده وقتی با یک الکترون اشغال نشده اند مثبت هستند اما وقتی اشغال شوند، خنثی هستند. - در طرف دیگر یک شبه پذیرنده بطور منفی باردار است، پس می توانند یک الکترون از دست دهند - به بیان دیگر تله های شبه پذیرنده وقتی اشغال می شوند منفی هستند، و وقتی اشغال نشده اند خنثی هستند
شکل :1 شماتیکی از سطح مقطع ZnO TFT برای شبیه شازی دو بعدی
شبیه سازیها در این مقاله بر اساس اندازه های موجود در شکل 1 ومقادیر ثابت جدول 1و مقادیر متغیر جدول 2 می باشد.
جدول :1 پارامترهای ثابت فیلم پلی کریستال اکسید روی>8@
جدول:2 پارامترهای متغیر فیلم پلی کریستال اکسید روی >8@
جدول2 پارامترهای فیلم پلی کریستال اکسید روی را نشان می دهد که بسته به شرایط ساخت بطور کنترل شده و نشده تغییر می کنند.
خصوصیات فیلم نازک پلی کریستالی اکسید روی
ما فرض می کنیم در پلی کریستال ZnO، توزیع ناکاملی های شبه دهنده و شبه پذیرنده در شکاف باند انرژی با هم برابرند. یعنی .
بارهای مثبت و منفی ایجاد شده بوسیله حالتهای تله در مرز بلور - GB - بترتیب توسط معادله های زیر تعیین می شود
که احتمال اشغال حالتهای تله، سطح فرمی تعادلی، ثابت بولتزمن، T دمای شبکه، توزیع گوسی شبه پذیرنده، توزیع گوسی شبه دهنده و بترتیب چگالی حالت تله شبه پذیرنده اشغال شده و چگالی حالت تله شبه دهنده اشغال نشده می باشند. مقدار T نیز 300N لحاظ می گردد.
پروفایل پتانسیلی در مرز های بلور - ناحیه تخلیه - و در نواحی کریستالی خالی از نقایص - خارج از ناحیه تخلیه - با استفاده از معادله پواسن بترتیب با روابط زیر تعیین می شود.
طبق مدل seto، یک تراکم بحرانی تعریف می شود که با تراکم دهنده های کمتر از آن خرده کریستال - دانه - ، کاملا تخلیه شده و با تراکم دهنده بیشتر ازآن، جزئی از خرده کریستال از بار تخلیه می شود. هرچه تراکم دهنده بیشتر شود، ناحیه تخلیه کوچکتر می شود. این تراکم بحرانی بصورت زیر تعریف می شود
کهچگالی تله شبه دهنده درمرز بلور و سایز دانه - بلور - است. ارتفاع سد انرژی بترتیب در دو حالت تراکم دهنده کمتر و بیشتر از مقدار بحرانی از روابط زیر محاسبه می شود.
که فاصله از مرز بلور، تراکم اتم دهنده در پلی کریستال و نفوذپذیری نیمه هادی اکسید روی می باشد. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده تله های موجود در مرز بلور - شبه دهنده ها - اتمهای اطراف مرز را یونیزه کرده، بارهای منفی جذب تله ها شده و بارهای مثبت در اطراف مرز تجمع می کند که باعث انحراف باند انرژی به سمت بالا و تولید سد انرژی برسر راه حاملها می شود.
شکل:2 خم باند انرژی در مرز بلور - - GB
مقادیر ماکزیمم درشکل 3 مقادیر بحرانی تراکم دهنده ها هستند. برای مقادیر کمتر از مقدار بحرانی همانطور که در شکل دیده می شود دو منحنی که سایز دانه مشابه 0.3XP دارند صرف نظر از مقدار تله با هم همپوشانی دارند و برای مقادیر بیشتر از مقدار بحرانی دو منحنی که تعداد تله مساوی دارند، صرف نظر از سایز دانه با هم همپوشانی می کنند، که بیانگر فرمولهای - 9 - و - 10 - هستند. چگالی جریان در مرز بلور - GB - اساسا براساس نشر ترمویونیک اتفاق می افتد، و هدایت فیلم نیز بوسیله پراکندگی در مرزهای بلور است. چگالی جریان در فیلم پلی کریستال اکسید روی از طریق عبارت زیر از نشرترومویونیک بیان می شود.
که جرم موثر حاملها - در اینجا الکترونها - و ولتاژ افت کرده درهر GB است، که از تقسیم ولتاژ درین - سورس بر تعداد دانه ها محاسبه می شود .
Polycrytalline ZnO TFT و نتایج شبیه سازی
در یک TFT با کانال پلی کریستالی، معمولا ماده پلی کریستال آلایش نشده بکار می رود . پلی کریستال اکسید- روی یک ماده نوع n است و بطور آلایش نشده، بعنوان کانال در TFT بکار می رود.
