| Titre : | Simulation et Analyse des caractéristiques électriques de la diode à barrière de Schottky (SBD) Métal/Carbure de Silicium |
| Auteurs : | Kamal Zeghdar, Auteur ; Lakhder Dehimi, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Biskra [Algerie] : Université Mohamed Kheider, 2019 |
| Langues: | Anglais |
| Mots-clés: | Schottky diode,Silicon Carbide,Inhomogenity,Silvaco |
| Résumé : |
Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur prometteur pour les applications de détection d’environnements difficiles grâce à ses propriétés de matériau supérieures à celles du silicium et d’autres matériaux semi-conducteurs. La large bande interdite, la conductivité thermique élevée et le champ de claquage élevé permettent aux dispositifs à base de SiC de fonctionner dans des conditions extrêmes. Dans ce projet on s’intéresse à Ti/Al, Mo, W/ 4H-SiC comme capteurs de température, donc l’étude de leur propriétés électriques est très important dans le but d’avoir les différents effets sur les caractéristiques courant-tension .
L’analyse des caractéristiques courant-tension (I-V) des diodes Schottky à température ambiante ne donnent pas des informations détaillées sur leur processus de conduction ou de la nature de la formation de la barrière à l’interface M/S. La dépendance en température des caractéristiques (I-V) nous permet de comprendre les différents aspects des mécanismes de conduction. Le logiciel SILVACO-ATLAS nous a permis de simuler les caractéristiques courante tension (I-V), de voir l’influence de la température sur l’évolution des courbes, et d'évaluer les principaux paramètres qui caractérisent la diode Schottky tel que le facteur d'idéalité, la hauteur de la barrière, la résistance série...etc. En effet, l'application de la méthode standard suivie par la plupart des chercheurs qui est basée sur l’extraction des paramètres homogènes (ΦB, n, Rs) présente certaines anomalies telle que la diminution de la hauteur de barrière (ΦB) et l' augmentation du facteur d’idéalité (n) avec la diminution de la température, L’utilisation du modèle inhomogène proposé par Werner permet d’interpréter d’un coté les anomalies observées sur les paramètres électriques extraits et de s’approcher d’un autre coté la valeur de la constante de Richardson qui est en accord avec celle donnée par la théorie (146 A/K2cm2). Les résultats obtenus révèlent que les dispositifs en question sont bien adaptés aux applications de détection de température. |
| Sommaire : |
Table of Contents
Abstract……………………………………………………………………………………….. I ملخص …………………………………………………………………………………………… II Résumé……………………………………………………………………….………………. III Table of Contents …………………………………………………………………………….. IV List of Figures………………………………………………………………………………… VIII List of Tables…………………………………………………………………………………. XII Introduction ………………………………………………………………………………….. 1 Chapter 1: Material properties and applications…………………………..……………… 3 1.1. Introduction…… ………………………………………………………………………… 3 1.2. History……………………………………………………………………..………….….. 3 1.3. SiC Properties……………………………………………….……………………….…… 4 1.3.1. SiC crystal structure…………………………………………………..………..…... 4 1.3.1.1.Basic Structure……………………………………………..…………..…… 4 1.3.1.2. Polytypism…………………………………………………..…………….… 5 1.3.1.3. Impurities in Different Polytypes…………………………………………… 6 1.3.2. Electrical and Optical Properties……………………………………………..…….. 7 1.3.2.1. Band Structure……………………………………………………….…..… 7 1.3.2.2. Optical Absorption Coefficient and Refractive Index……………………… 10 1.3.2.3. Impurity Doping and Carrier Density……………………………………… 12 1.3.2.4. Mobility…………………………………………………………………….. 16 1.3.2.5. Drift Velocity……………………………………………………………….. 20 1.3.2.6. Breakdown Electric Field Strength………………………………………… 22 1.3.3. Thermal and Mechanical Properties……………………………………………..… 25 1.3.3.1. Thermal Conductivity……………………………………………………… 25 1.3.3.2. Phonons…………………………………………………………………..… 26 1.3.3.3. Hardness and Mechanical Properties………………………………………. 27 1.4. SiC Device Applications …………………………………………………………………. 28 1.4.1.Power Conversion……………………………………………………………. 29 1.4.2.SiC Devices As Gas Sensors…………………………………………………. 29 1.4.3.UV Detection………………………………………………………………… 29 1.4.4.Microwave Applications……………………………………………………… 29 Chapter 2: Metal semiconductor contacts to SiC: Physics and Applications 31 2.1. Introduction……………………………………………………………..………………… 31 2.2. Homogeneous Schottky barrier formation models……………………………..………… 31 Table of Contents V 2.2.1. Mott.Schottky model……………………………………………………………… 31 2.2.1.1. Schottky barrier formation………………………………………………… 32 2.2.1.2. Space charge region……………………………………………………….. 34 2.2.1.3. Capacitance………………………………………………………………… 35 2.2.2. Bardeen model……………………………………………………………………. 36 2.2.3. Cowley et Sze model……………………………………………………………… 37 2.2.4. Metal induced gap states model……………………………………….…………… 39 2.2.5. Unified Defect Model (UDM) ……………………………………….…………… 39 2.2.6. Image force barrier lowering of the Schottky barrier……………………………… 40 2.2.7. Current Conduction Mechanism…………………………………………………… 42 2.2.7.1. Emission of electrons over the barrier………………………..……………. 42 2.2.7.2. Tunneling…………………………………………………………………… 46 2.2.7.3. Electron.hole recombination in the space.charge region…………………… 47 2.2.7.4. Hole Injection in the neutral region of semiconductor……………………… 48 2.2.8. Forward Characteristics…….……………………………………………………… 48 2.3. Barrier inhomogeneities…………………………………………………………………… 52 2.3.1. Werner and Guttler model………………………………………………………… 53 2.3.2. Tung model……………………………………………………………………….. 55 2.4. Examples of SiC schottky diodes applications…………………………………………… 59 2.4.1. Applications in power electronics…………………………………………………. 59 2.4.2. Temperature sensors………………………………………………………………. 61 2.4.3. UV-detectors………………………………………………………………………. 61 Chapter 3: Models and parameters of 4H-SiC for device simulation……………….…… 63 3.1. Introduction…………………………………………………………………………… 63 3.2. Application of Device Simulation…………………………………………………….. 63 3.3. Silvaco’s atlas device simulator……………………………………………………….. 63 3.3.1. Deckbuild………………………………………………………………….………… 64 3.3.2. ATHENA………………….………………………….…………………………… 65 3.3.3 Devedit ………………………………………………….………………………… 65 3.3.4. Tonyplot ………………………………..………………………………………… 65 3.4. ATLAS approach in designing the SiC Schottky Diodes……………………………… 65 3.4.1. Structure Specifications…………………………………………………………… 66 3.4.1.1. Mesh Generation……………………………………………………………. 66 3.4.1.2. Region……………………………………………………………………… 68 Table of Contents VI 3.4.1.3. Electrode……………………………………………………………………. 68 3.4.1.4. Doping………………………………………………………………………. 69 3.4.2. Material and model specification………………………………………………… 70 3.4.2.1. Specifying material properties…………………………………………….. 70 3.4.2.2. Specifying Physical Models………………………………………………. 71 3.4.2.3. Specifying Contact Characteristics………………………………………… 72 3.4.2.4. Specifying Interface Properties……………………………………………. 72 3.4.3. Numerical method selection……………………………………………………… 72 3.4.4. Solution specification…………………………………………………………….. 73 3.4.5. Results Analysis…………………………………………………………………… 75 3.4.5.1. Tony plot…………………………………………………………………… 75 3.4.5.2. Extract……………………………………………………………………… 76 3.5. Calibration of Device Simulator………………………………..………………………… 76 3.6. Modeling of 4H-SiC physical models and parameters………………………………….. 77 Chapter 4: Results and discussion………………………………………………………….. 80 4.1. Introduction………………………………………………………………………………. 80 4.2. Simulation and analysis of the current–voltage–temperature (I-V -T) characteristics of Ti/Al 4H-SiC Schottky diode for high performance temperature sensor……………….. 80 4.2.1. Device structure……………………………………………………………………. 80 4.2.2. Study of the I-V characteristics of Ti/Al 4H-SiC Schottky diode using numerical simulation analysis………………….……………………………………………………… 80 4.2.3. Study of the I-V characteristics of Ti/Al 4H-SiC Schottky diode by means of a combined numerical and analytical simulation…………………………………………… 85 4.2.4. The image force effect……………………………………………………………. 89 4.2.5. Flat-band barrier height and modified Richardson plots……………………..…… 90 4.2.6. Inhomogeneous barrier analysis…………………………………………………… 93 4.2.7. Thermionic field emission transport……………………………………………….. 100 4.2.8. State of Ti/Al 4H-SiC interface……………….………………………………….. 101 4.2.9. Ti/Al 4H-SiC SBD Sensor Performances………………………………………… 102 4.3. Simulation and analysis of the current–voltage–temperature (I-V -T) characteristics of Mo/4H-SiC Schottky diode for high performance temperature sensor……………….…. 105 4.3.1. Device structure……………………………………………………………..……. 105 4.3.2. I-V -T characteristics…………………………………………………………… 106 4.3.3. Effect of image-force lowering 107 4.3.4. Flat-band barrier height and modified Richardson plots 107 Table of Contents VII 4.3.5. Effect of thermionic field emission 111 4.3.6. Inhomogeneous barrier analysis…………………………………………………… 112 4.3.7. State of Mo/4H-SiC interface 116 4.3.8. Mo/4H-SiC SBD Sensor Performances………………………………………….. 117 4.4. Simulation and analysis of the current–voltage–temperature (I-V -T) characteristics of W/4H-SiC Schottky diode for high performance temperature sensor 120 4.4.1. Device structure…………………………………………………………..………. 120 4.4.2. I-V -T characteristics…………………………………………………………… 121 4.4.3. Effect of image-force lowering 123 4.4.4. Flat-band barrier height and modified Richardson plots 124 4.4.5. Effect of thermionic field emission 125 4.4.6. Inhomogeneous barrier analysis………………………………………………….. 126 4.4.7. State of W/4H-SiC interface 130 4.4.8. W/4H-SiC SBD Sensor Performances……………………………………………. 131 4.5. Analysis of main results……………….……………………………..……………………. 134 Conclusion………………………………………………………………..……………………. 137 References………………………………………………………………….………………….. 139 Publication and conferences ……………………………………………………………………. 149 |
| Type de document : | Thése doctorat |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
|---|---|---|---|---|---|
| TH/1012 | Thèse de doctorat | BIB.FAC.ST. | Empruntable | Salle de mémoires et de théses |
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