4.1. Kết quả thực hiện
4.1.1. Kết quả mô phóng
Dựa vào các bước setup như trên, dưới đây sẽ là các kết quả đã đạt được
trong phần mô phỏng. Các kết qua sẽ được thé hiện dưới dạng các Plot Groups.
Gồm ba loại chính Plot Groups 1D (dạng biểu đồ), Plot Groups 2D (dạng bề mặt)
và Plot Groups 3D (dạng khối).
Plot Groups 1D
Hình 4. 2 Đồ thị đường đặc tuyến I-V của Diode ở trạng thái phân cực nghịch
I-V Characteristic of Diode
CELL PP | jot it a on L L LÌ
107
10°
Current (mA)
104
10%
0.5 1 1.5
Voltage (V)
o hà
Hình 4. 3 Đường cong InlJI so với điện áp cấp vào Đường đặc tuyến I-V trên được xác định dựa theo phương trình dưới:
J = Js(exp [l-? ) (4.1)Vd
qDnTtpuo qDp?no
Js = + (4.2)
3 HỆ Lp
Dé có thé xác định được điện áp ngưỡng của đường đặc tuyến I-V, cần phải
kẻ một đường tiếp tuyến từ đồ thị ở vị trí mà dòng Ip bắt đầu tăng xuống trục điện
áp, điểm giao nhau giữa hai đường chính là điện áp ngưỡng. Dựa vô hình 4.1, kẻ một đường tiếp tuyến như đã nói, sẽ xác định được một giá trị điện áp ngưỡng là 1,52V. Dựa vô hình 4.2, với điện áp cấp vào là -0,5V và có thé nhận thay rằng điện
ap đánh thủng sẽ là khoảng 0,48V.
Ngoài ra, như đã đề cập, diode cũng sẽ được khảo sát dựa theo sự chênh lệch của bề dày lớp vật liệu và kết quả như sau:
52
I-V Characteristic of Diode Dependent on Thickness
~~ ~~ © —— p thick = 150nm
p thick = 100nm
~~vo
neorn w +
Current (mA) Nw ee Vos @ © a a ee ee ee ee ee |
Voltage (Vì
Hình 4. 4 Sự thay đôi của đặc tuyến I-V dựa trên sự thay đổi bề day của lớp P
Dựa theo công thức (4.2), do sự thay đổi của bề dày của lớp vật liệu loại P, đường đặc tuyến I-V của diode cũng bi thay đổi. Sự thay đổi nếu nhìn tổng thé sẽ gần như là không nhiều do một số giới hạn của phần mềm. Nhưng dựa trên lý thuyết, bề dày (đồng thời cũng là độ dai kênh dẫn) khi giảm đi cũng sẽ làm tăng dòng đi qua diode và ngược lại. Với sự giảm đi của độ dài kênh dẫn, điện thế ngưỡng cũng sẽ giảm đi. Sự thay đôi được thể hiện ở bảng dưới đây.
Bảng 4. 1 Sự thay đổi của đặc tuyến I-V dựa trên sự thay đổi của bề dày lớp P
Độ dày Điện thế ngưỡng Dòng „` điện áp
100nm 1,5V 18mA
150nm 1,52V 17mA
200nm 1,56V 16mA
Ngoài ra, dưới day là đồ thị thé hiện dòng điện trong từng lớp vật liệu P và N.
Current in Each Material layer
41.1
BE
—— P current 41 5.5-
sL —— N current 199
10.8 4.3
10.7
s 4E s
E
§ 35} 5
= 405 Šš
Ls] K2
a! 3L -
40.4
2.5L
10.3
ae
4 0.2
15- 10.1
1p do
i l | l |
0 0.5 1 1.5 2
Voltage (V)
Hình 4. 5 Đồ thị dong điện trong lớp vật liệu N và P Dựa theo nhóm tác giả Colinge [7], thì hình 4.5 thể hiện dong điện của các
hạt electron ở trong các lớp vật liệu loại N (đường màu xanh lá cây, trục tung bên
phải) và loại P (đường màu xanh dương, trục tung bên trái). Do electron là hạt dẫn
đa số ở vùng N và là hạt dẫn thiêu số ở vùng P nên khi electron di chuyền từ N sang
P sẽ làm cho dòng các hat electron bị giảm xuống. Và ngược lại, khi các electron đang ở vùng P (hạt tải thiểu số) khi đi qua vùng N sẽ trở thành hạt tải đa số, dẫn tới
dòng đi từ P qua sẽ tăng lên.
Plot Groups 2D
Dưới đây lần lượt là sự phân bố của Mật độ Dòng điện và Điện trường trong
các lớp vật liệu với điện áp đâu vào là 2V:
54
Lớp P:
VDD(21)=2 V
mm
2)
lu, ị
-4 s,
6 1 0 ‹ L L ie 1 a a |
0 a 10 da 20 25 30 35 mm
Hình 4. 6 Sự phân bô Mật độ Dòng điện ở lớp P
VDD(21)=2 V Surface: Electric field norm (V/m)
mm T T T T T T T T
Hình 4. 7 Sự phân bó Điện trường ở lớp P
mm
120
100
80
60
40
20
LớpN:
VDD(21)=2 V Surface: Current density norm (A/m?}
mm
30L 4 28L 4 26L 4 24L
22L 20L 18L 16L 14L 12L 10L
on + ŒG &T
"BE ¡ 1 L L 1 L L L 3,
10 15 20 25 30 35 mm
So uw
Hình 4. 8 Sự phân bố Mật độ Dòng điện ở lớp N
VDD(21)=2 V Surface: Electric field norm (V/m)
mm T T T T T T T T T
30L 4 28L 4 26h 4 24L
22L 20L 18L 18L 14L 12L 10L
ON & OD OwT
I I I L I I I
10 15 20 25 30 35 mm
= wn
Hình 4. 9 Sự phân bó Điện trường ở lớp N
x10
10
x10”
10
56
e_ Mặt tiếp giáp:
VDD(21)=2 V Surface: Current density norm (A/m?) 2
mm
30 28
26
140 24
22
20 120
18
16 100 14
1 80
10
8
60 6
4
` 40
0
sa 20
4
6
Hình 4. 10 Sự phân bố của Mat độ Dòng điện ở mặt tiếp giáp giữa lớp P và N
VDD(21)=2 V Surface: Electric field norm (V/m) a
mm T T T T T T T
30k x10?
28L 28Ƒ 24E 22F 20- 18E 16Ƒ 14ƑE 12- 10+
2.5
15
oN & DD œT 0.5
0 5 10 15 20 25 30 35 mm
Hình 4. 11 Sự phân bồ Điện trường ở mặt tiếp giáp giữa lớp P va N
Dựa theo các mô hình sự phân bố ở các hình phía trên, ta nhận thấy rằng tại vùng P thì Mật độ dòng điện ở vùng P sẽ nhỏ hơn ở vùng N, điều này là do lượng
hạt tải loại N ở vùng P ít hơn.
Plot Groups 3D
Dưới đây là một số sự phân bố của Mật độ Dòng điện và Điện trường ở toàn
bộ mô hình diode với điện áp đầu vào là 2V:
¢ Sw phân bố Mật độ Dòng điện:
x10?
os
Hình 4. 12 Sự phân bố Mật độ dòng điện và hướng phân bó
¢ Sw phân bố Điện trường:
VDD(21)=2 V Mulslice: Electric field norm (Vim) Arrow Volume: Electric field
x10?
25
Hình 4. 13 Sự phân bố Điện trường và hướng phan bố
58
¢ Sw phân bố Điện áp:
VDI2])<2V Mullslce: Electric potental(V) @ wo0n-2v Maltisice: Electric potential (VP
Hình 4. 14 Sự phân bố Điện áp từ góc Anode (trái) và từ góc Cathode (phải)
4.1.2. Kết quả thực nghiệm
Ứng dụng màng SnO loại p vào chế tao diode bán dẫn chuyển tiếp p-n Nhóm chúng em ứng dụng màng mỏng p-SnO được chế tạo ở nhiệt độ dé 200°C dé làm lớp loại p cho diode chuyên tiếp PN trên nên loại n là a-Si:H và có cấu tạo như hình 3.26.
Đường cong I-V của chuyền tiếp PN sử dụng SnO và a-Si:H (hình 4.15) thu được có hình dạng cơ bản là đặc tuyến I-V của một diode. Có thể thấy rằng giá trị của dòng điện ở trạng thái phân cực thuận trong đường đặc tuyến này sẽ không đáng ké cho đến khi đạt đến ngưỡng của thế mở, và tiếp đó, dòng điện tăng lên đáng
kể. Ngưỡng mở của diode có lớp p là SnO lắng đọng trên đế 200°C là 0.92V, các giá trị này dao động từ 0.6 V đến 2.5 V > khớp với những nghiên cứu trước đó của diode PN trên nền oxide [12], [21]. Nếu thế mở quá thấp thì diode chuyền tiếp PN
sẽ bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiễu điện [22].
I(mA)
Hình 4. 15 Đặc tuyến I-V của diode p - SnO/n - a-Si:H với Vth = 0,92V Dựa vào đường đặc tuyến I-V thu được, có thể suy ra được một trong những thông số đặc trưng của một diode đó là chỉ sé lý tưởng. Chỉ số lý tưởng này được ngoại suy từ đồ thị đường đặc tuyến I-V trong điều kiện tối (hình 4.15) hay được xác định từ độ dốc của đường cong phân cực InlJI — V cho bởi công thức sau:
q dv (4.3)
n=—kT d\lnJ
Độ dốc (a) của đường cong hình 4.15 liên hệ với chi số lý tưởng (n) bằng
công thức:
dln] q (4.4)
a= =—
dlnV nkT
Trong đó, k là hằng số Boltzmann, V là độ dốc của đường cong InlJI — V.InJ
Theo lý thuyết Sah-Noyce-Shockley, chỉ số lý tưởng (ideality factor) nằm trong
60
khoảng từ 1-2. Tuy nhiên, chỉ số lý tưởng của diode được ngoại suy từ thực nghiệm
thường có giá trị lớn hon 2 [12].
10?
0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Vv (Vv)
Hình 4. 16 Đường cong thực nghiệm của InlJI so với thé áp vào V
Từ đặc tuyến I-V và phép ngoại suy từ đường cong thực nghiệm InlJI so với thé V áp vào hai cực của diode chuyên PN với p — SnO/n — a-Si:H cho thấy răng chỉ
sỐ lý tưởng (n) thu được đều có giá tri lớn hon 1 nên trong linh kiện sé xuất hiện
một lượng dòng rò.
4.0
~ ~ Ng(cm°) 7
3.5 >2
`. em w-—" (cm?/Vs) 6
2.5
ơMr (cn2/Vs)
Ng(107 em) 2.01.5
wo 1.0
0.5 0.0
Hình 4. 17 Đồ thị sự ảnh hưởng của nhiệt độ dé lên tính chất điện của màng SnO
Các đặc tính điện bao gồm nồng độ hạt dẫn của lỗ trống (Nu), điện trở suất (p) và độ linh động (u) của màng p-SnO được xác định bang cách sử dụng phép đo Hall. Theo như các kết quả có được từ phép do Hall của màng p-SnO trên dé ở các
mốc nhiệt độ 150°C, 200°C, 250°C và 300°C thé hiện ở bảng 4.2 và minh họa trên hình 4.17, có thể nhận thấy là chúng rất khớp với các kết quả phân tích XRD. Khi lắng đọng ở nhiệt độ thấp, cụ thể là ở 150°C, bởi vì sự tổn tai của một lượng B-Sn cao nên nồng độ lỗ trống thu được từ phép đo (3,45.10! cm) thu được nhiều hơn
so với những mẫu khác mà trong khi đó, độ linh động hạt tải đã giảm đáng ké đã giảm đáng ké 1,850 cm?/Vs. Mặt khác, ở nhiệt độ 300°C, nồng độ lỗ trống lúc này
là thấp nhất khoảng 1,251.10 cm vì sự chuyển pha sang SnOo, và đồng thời, độ
linh động lúc này không được cao và giá trị này vào khoảng 3,674cm?/Vs .
Các màng thu được ở các mốc nhiệt độ 200°C và 250°C, có thé thấy rằng nông độ lỗ trông Nu có sự tăng nhẹ cu thể là từ 1,460.10!” cm tăng lên 1,553.10!7 cm? nhưng đối với màng được chế tạo ở mốc 250°C lại có độ linh động (7,580 cm?/Vs) cao hơn han so với màng ở 200°C (3,022 cm?/Vs ). Điều này là do kích thước hạt của màng được chế tạo ở 250°C lớn hơn.
Bảng 4. 2 Sự thay đổi của màng SnO theo phép đo Hall dựa trên nhiệt độ đế
Nhiệt độ đế | Nồng độ hat tai | Độ linh động | Điện trở suất | Độ dẫn điện
(CC) (cm?) (cm?/ Vs) (Oem) (Oem!)
150 3.445.10!7 1,850 9,81 0,10
200 1,460.10! 3,022 14,10 0,07
250 1,553.10!” 7,580 5,31 0,19
300 1,251.10"7 3,674 13,61 0,07
4.1.3. So sánh va đánh giá
Sau đây là so sánh và đánh giá kết quả giữa mô phỏng bằng phần mềm COMSOL và thực nghiệm dựa trên những kiến thức căn bản đã được học ở trường
và những kiến thức tự tìm hiểu thêm.
62
uf
15
14
13}
1z
ll f
10}
Current (ma)
I (mA)
Hình 4. 18 So sánh giữa kết quả mô phỏng bằng COMSOL (trên)
và kết quả thực nghiệm (dưới) Theo hình 4.18, dựa vào ca hai kết quả thực nghiệm va mô phỏng, có thé thấy rằng, ở phần mô phỏng khi điện áp bắt đầu tăng thì vốn đã có một dòng điện > 0V xuất hiện dù chưa đạt tới điện áp ngưỡng và điều này là do sẽ luôn có một lượng dòng rò khi bắt đầu có sự chênh lệch về điện thế áp vào. Lượng dòng rò này lớn hơn
so với lượng đòng rò thực tế của thực nghiệm. Điều này là do phần mô phỏng chưa thé hiện thực hóa được điện trở ký sinh ở mặt tiếp xúc giữa các lớp vật liệu [20]. Các giá trị điện trở này sẽ lệ thuộc vào nhiều tác nhân khác nhau như độ nhẫn bề mặt, điện trở bề mặt, ..., các yếu tố này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị điện trở ở mặt tiếp xúc. Đây cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng của đường đặc tính I-V của diode. Ngoài ra, sự chênh lệch điện thế ngưỡng giữa mô phỏng (1,52V) và thực nghiệm (0,92V) là do phần mô phỏng không thể tái hiện lại một số điều kiện thực tế như cường độ hoạt động của máy móc, thiết bị, sai
sô vê nông độ pha tạp, v.v...
4.2. Tổng Kết
Trong dé tài này, phần mô phỏng đã hoàn tat việc xây dựng model của một diode chuyền tiếp PN, hoàn thành việc tính toán và đo đạc các thông số dựa trên những dữ liệu có sẵn về vật liệu. Ngoài ra, dựa vào kết quả mô phỏng thu được, có thé thấy rang các kết quả đều khớp với lý thuyết về vật liệu bán dẫn và phan lý thuyết về điode chuyền tiếp PN. Đồng thời, cũng có thê đưa ra một số mô hình, đồ thị vé sự phân bố của một số đặc tính của vật liệu mà các thiết bị hiện tại không thé
làm được.
về quá trình thực nghiệm, đã hoàn thành việc chế tạo một linh kiện diode dựa trên hai loại vật liệu mới là SnO (loại P) và a-Si:H (loại N). Dong thoi, cting da năm bắt được quy trình cơ bản dé có thé chế tạo thành công một diode và nắm bắt được một số tác nhân thực tế có thé tác động đến kết quả thực nghiệm.
Và cuối cùng, kết quả thu được từ thực nghiệm và kết quả đạt được từ mô phỏng đã gần như là khớp với nhau. Tuy nhiên, sai số thực tế so với mô phỏng là khoảng 65% và điều này như đã đề cập, là do chưa giải quyết được bài toán về giá trị điện trở ở mặt tiếp xúc giữa các lớp vật liệu. Ngoài ra, sai số đó còn do các điều kiện thực tế khác như sự không lý tưởng của linh kiện diode (hệ số lý tưởng), các
tác động từ môi trường, độ chính xác của máy móc thiệt bi, v.v...
64
4.3. Hướng phát triển đề tài
Uu tiên giải quyết bài toán về giá trị điện trở ở mặt tiếp xúc giữa các lớp vật
liệu. Ngoài ra, do module Electric Currents chỉ hỗ trợ cho việc mô phỏng dòng điện
trong vật liệu nên các yếu tố khong lý tưởng ảnh hưởng đến tính chất điện như nhiệt
độ hoạt động của thiết bị hoặc các tác nhân không lý tưởng sẽ bị bỏ qua. Vì vậy, ưu tiên tiếp theo sẽ là ứng dụng module Semiconductor vào việc mô phỏng dé thu được các kết quả tin cậy hơn.
Ứng dụng COMSOL vào mô phỏng các đặc tính quang, nhiệt của p-SnO. Ngoài ra, loại vật liệu trong đề tài được sử dụng là SnO thuần, nên mong muốn có thé ứng dụng thêm COMSOL vào điều chỉnh nồng độ pha tạp dé có thé nâng cao
hiệu năng của linh kiện.
Và cuối cùng, tận dụng sự đa năng của phần mềm COMSOL, tiến hành sử dụng vào tìm hiéu cấu tạo, cau trúc, nguyên lý hoạt động cùng với các ảnh hưởng của các hiệu ứng thứ cấp và các hiệu ứng không lý tưởng của MOSFET, FinFET và mới đây nhất là RibbonFET.
TÀI LIEU THAM KHAO
[1] M. Parpala, “The U.S. Semiconductor Industry: Growing Our Economy through Innovation.” 2014.
[2] E.J. Vardaman, “Semiconductor Industry in China.” 2017.
[3] Z. Wang, P. K. Nayak, J. A. Caraveo-Frescas, and H. N. Alshareef, “Recent Developments in p-Type Oxide Semiconductor Materials and Devices,” Adv. Mater., vol. 28, no. 20, pp. 3831-3892, 2016.
[4] Ebitha Eqbal, Rakhy Raphael, K.J. Saji, E.I. Anila, “Fabrication of p-SnO/n- SnO2 transparent p-n junction diode by spray pyrolysis and extraction of device’s intrinsic parameters.”, 2019.
[5] R. Sathyamoorthy, K. M. Abhirami, B. Gokul, Sanjeev Gautam, Keun Hwa Chae, and K. Asokan, “Fabrication of p-n Junction Diode Using SnO/SnO2 Thin Films and Its Device Characteristics.”, Electron. Mater. Lett., vol. 10, No. 4 (2014),
pp. 743-747, 2014.
[6] Farn-Shiun Hwu, Jyh-Chen Chen, Sheng-Han Tu, Gwo-Jiun Sheu, Hsueh-I Chen and Jinn-Kong Sheu, “A Numerical Study of Thermal and Electrical Effects ina Vertical LED Chip”, Journal of The Electrochemical Society, 2010.
[7] J. P. Colinge, C. A. Colinge, “PHYSICS OF SEMICONDUCTOR
DEVICES”, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, 2002.
[8] Electrical4U, “Diode: Definition, Symbol, and Types of Diodes.”, 2021.
[9] D.Depla, S. Mahieu, and J. Greene, “Sputter deposition processes.”.
[10] H. Q. Yayi Cheng, Jianfeng Huang, Jiayin Li, Liyun Cao, “Hydrothermal synthesis of shape controlled SnO as anode material for Li-ion batteries.” pp. 257—
260, 2017.
[11] I-T. Myeonghun U, Young-Joon Han Song, Sang-Hun Cho, J.-H. Lee, and
K. and Hyuck-In, “High Performance p-type SnO thin-film Transistor with SiOx
66
Gate Insulator Deposited by Low-Temperature PECVD Method,” Semicond. Technol. Sci., vol. 14, no. 5, 2014.
[12] J. G. and F. Z. Xiuxia Li, Lingyan Liang, Hongtao Cao, Ruifeng Qin, Hongliang Zhang, “Determination of some basic physical parameters of SnO based
on SnO/Si pn heterojunctions,” Appl. Phys. Lett., 2015.
[13] J. Pannetier and G. Denes, “Tin (II) oxide: structure refinement and thermal expansion.” pp. 2763-2765, 1980.
[14] G. W. Watson, “Origin of the electron distribution in SnO,” J. Chem. Phys., vol. 114, no. 2, pp. 758-763, 2001.
[15] J. Terra and D. Guenzburgert, “Electronic structure and electric field gradients of crystalline Sn(II) and Sn(IV) compounds.”, 1991.
[16] <A. Togo, F. Oba, I. Tanaka, and K. Tatsumi, “First-principles calculations of native defects in tin monoxide,” Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys., vol.
74, no. 19, 2006.
[17] Zhenwei Wang, Pradipta K. Nayak, Arwa Albar, Nini Wei, Udo Schwingenschlégl, and Husam N. Alshareef, “Transparent SnO-SnO 2 p-—n Junction Diodes for Electronic and Sensing Applications”, 2015.
[18] _COMSOL Multiphysics User’s Guide 1998-2012 COMSOL
[19] Agwai A, Giiven I, Madenci E., “Damage prediction for electronic package drop test using finite element method and peridynamic theory”. In: Electronic components and technology conference, 2009. ECTC 2009. 59th, 565-569, 2009.
[20] Saraswat, “Metal/Semiconductor Ohmic Contacts”.
[21] R.K. Gupta, K. Ghosh, and P. K. Kahol, “Fabrication and characterization of NiO/ZnO p-n junctions by pulsed laser deposition,” vol. 41, no. 4, pp. 617-620, 2009.