IBN AL- HAITHAM J. FOR PURE & APPL. S CI. VOL.24 (12) 2011 Studying So me Electrical Properties for ZnSe Films Prepared by Using the Thermal Evaporation Method in vacuum R.Y. Taha , A. M. Raouf Departme nt of Physical ,College of Science, Unive rsity of Al- Mustansiriya Received in : 10, November, 2010 Accepte d in : 13, March, 2011 Abstract Thin films of zinc selenide ZnSe have been p repared by using thermal evap oration method in vacuum with different thickness (1000 – 4000) A o and a deposited on glass substrate and st udy ing some electrical p rop erties including the determination of A.C conductivity and real, imaginary p arts of dielectric constant and tangent of loss angle. The result shows that increasing value of A.C conductivity with increasing thickness and temp erature, and increasing cap acitance value with increasing the temp erature and decrease with increasing frequency . Real and imaginary p arts of dielectric constant and tangent of loss angle decrease with increasing frequency. Keywords: Semiconductors, t hin films, Z nse, electrical prop erties 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد المحضرة بطریقة التبخیر ZnSeدراسة بعض الخواص الكهربائیة ألغشیة الحراري في الفراغ یاسین طه ، أسماء محمد رؤوفرواء الجامعة المستنصریة ،كلیة العلوم ، قسم الفیزیاء 2010، تشرین الثاني ،10: استلم البحث 2011، اذار ،13: قبل البحث الخالصة بطریقـة التبخیـر الحـراري فـي الفـراغ بسـمك مختلـف یتـراوح ZnSeلخارصـین احضرت أغشیة رقیقة من مادة سلیناید (1000 - 4000)A o (373-273) على قواعد زجاجیة ودراسة الخواص الكهربائیـة المتناوبـة ضـمن مـدى درجـات الحـرارة ي باســتخدام أقطــاب مـــن النحــاس وتضـــمنت دراســة الخـــواص الكهربائیــة للتوصــیلیة المتناوبـــة وثابــت العـــزل بجزئیــة الحقیقـــ وزیـادة فـي قـیم ،وقد بینت النتائج زیادة التوصیلیة المتناوبة بزیادة كـل مـن السـمك ودرجـة الحـرارة ،والخیالي وظل زاویة الفقدان السعة مع زیادة الحرارة ونقصانها مع زیادة التردد كما لـوحظ نقصـان فـي قـیم كـل مـن ثابـت العـزل بجزئیـة الحقیقـي والخیـالي .ة الترددوظل زاویة الفقدان بزیاد الخواص الكهربائیة–زنك سلیناید - أغشیة رقیقة -أشباه الموصالت: الكلمات المفتاحیة المقدمة A.C Conductivityتوصیلیة التیار المتناوب للمــواد تـؤدي إلــى إحـداث مســتویات الكترونیـة موضــعیة لهــذه Compositionالعشـوائیة فــي الترتیـب الــذري أو التركیـب :[5,4,3,2,1]المواد وان التوصیلیة المتناوبة تستخدم لدراسة خواص المواد وتقاس التوصیلیة الكلیة بالمعادلة اآلتیة sAw dcact   .......... (1) σac التوصیلیة المتناوبة σdc التوصیلیة المستمرة S.A ثوابت تحدد حسب طبیعة المادة w تمثل طاقة اإلثارة للقفز D.Cالنتقــال الشـحنات ضــمن توصـیلیة التیـار المســتمر ةمـاوت فــان المیكانیكیـات الثالثـ -اسـتنادا إلـى دافیــز Conductivity یمكن استخدامها ضمن توصیلیة التیار المتناوبσac كما یأتي: a. النقل بوساطة حـامالت الشـحنة المثـارة إلـى المسـتویات الممتـدة قـربEc,Ev لهـذا فـان التوصـیلیةσ(w) تعطـى وفـق :]6 [المعادلة اآلتیة 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد )w1/()w( 22 )o(   ........... (2) *2 )o( m/en   ………. (3) ن ا اذ τ زمن االسترخاء ویكون مقداره صغیر جدا m * الكتلة الفعالة ( )w التوصیلیة لحامالت الشحنة ( )o التوصیلیة االبتدائیة e شحنة اإللكترون n تركیز االلكترونات b. التوصـیلیة الناتجــة عــن انتقـال االلكترونــات بوســاطة القفــز بطاقـات قــرب مســتوى فیرمـي وكثافــة مســتویات طاقــة :وتعطى قیمة التوصیلیة بالمعادلة اآلتیة N(Ef)محددة ضمن مستوى فیرمي     452 f 2 w 1wa)E(N)3/TKe()w(    ........ (4) K كلفن T درجة الحرارة  ثابت بالنك N عدد المستویات التي تساهم في عملیة التوصیل a ثابت عددي تغیر التوصیلیة دالة للتردد (1)یوضح الشكل c. طة الشحنات المثارة ضمن المستویات الموضعیة عند حافات حزم التكافؤ والتوصـیل ویعبـر عـن قیمـة ااالنتقال بوس :التوصیلیة بالمعادلة اآلتیة 4 w 1 lnw)w(                ……….. (5) (A.C Conductivity Models)نماذج التوصیلیة المتناوبة :Quantum Mechanical Tunneling (QMT)نموذج النفق المیكانیكي الكميأ -1 نمـوذج فـان حــامالت الشـحنة سـوف ال تـنط فــوق حـاجز الجهـد بـین المراكـز الذریــة وٕانمـا تحفـز نفقـا خاللــه وفقـا لهـذا اال بفعل التوازن بین هذین المركزین الذي یولده تسلیط المجال الكهربـائي الخـارجي وتعطـى التوصـیلیة المتناوبـة فـي حالـة اشـتقاق :]6[المیكانیك الكمي في المعادلة اآلتیة 2011) 2( 24ھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلدمجلة ابن ال     4222 wf B)w( Rw)E(N/TKce   ……. (6) أن اذ c ثابت عددي α دالة التحلل النصف قطریة Rw مسافة االنتفاق الممیزة: :ن ا اذ        o w w 1 ln 2 1 R  ………. (7) τo االسترخاءزمن تكون دائما موجبة ln 1/wτoوان قیمة دالة التحلل النصف قطریة :]6[نموذج تعطى ضمن العالقة االتیة ضمن هذا اال wمع σacوان تغیر قیمة     wlnd wlnd S ac   ……….. (8)        w 1 ln 4 1S ……… (9) .مع التردد ودرجة الحرارة على التوالي S یبین سلوك (2)الشكل : Correlated Barrier Hopping (CBH)نموذج تنطط الحاجز المتالزم أ -2 الموجـود بـین مواقــع ) حـاجز الجهــد (یتضــمن قفـز حـامالت الشــحنات فـوق الحـاجز اذElliott نمـوذج وضـع هـذا اال [ 3 ,8,7]:وفق المعادلة اآلتیةعلى نموذج االنتقال وتعطى التوصیلیة استناد إلى هذا اال   s1s o 6 m 22 f 2 ac w W e8 24 EN                       ………. (10) ن ا اذ ε ثابت العزل τo زمن االسترخاء B=1-s Wm فجوة الطاقة للمادة 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد : Polaron Tunneling تنفیق البوالرونات -3 نمـوذج فانـه عنـدما یقتـنص اإللكتـرون بسـبب الحـاالت یمثل البوالرون الكترونا یرافقه تشویه في البلورة ووفقا لهذا اال لمستوى فیرمي وخالل رحلة اإللكترون في الشـبكة وفـي أثنـاء سـحبه للتشـویه معـه فانـه سـوف یسـبب نقصـًا فـي طاقـة القریبة . Wpللنظام في ستقل بمقدار طاقة البوالرون) طاقة التشویه زائد طاقة االلكترونیة ( النظام أي أن الطاقة الكلیة :یقسم البوالرون الى نوعین هما : Small Polaronالبوالرون الصغیر . أ صــر الموضـعي فــي الشـبكة النـه فــي اثنـاء رحلــة آفـي هـذا النــوع مـن البوالرونـات تقــل طاقـة النظــام بسـبب تغیـرات الت كة فأنـه سـوف یسـبب اسـتقطابا ناتجـا عــن تكسـر بعـض االواصـر ومـن هنـا یكتسـب البـوالرون طاقتــه وان بااللكتـرون فـي الشـ الصــغیر عنــد درجــات وزمــن االســترخاء بالنســبة الــى البــوالرون Overlapدث تــداخًال ذرتین ال یحــالــالتشـویه حــول مركــزي [ 10 ,4 ,7 ,9]:تيمایآالحرارة العالیة ك  w B H o R2exp TK W exp         ……. (11)              TK W W 1 ln 2 1 R B H W  …….. (12) :نموذج فیكون كما في العالقة االتیةلهذا اال Sاما المعامل              TK W W 1 ln/41S B H  …….. (13) : Large Polaron (LP)البوالرون الكبیر . ب لبوالرونات المعتمدة التـي تكـون كبیـرة مقارنـة بالمسـافة بـین لنموذج فان التوصیل المتناوب یحدث نتیجة في هذا اال :[11 ,13,12 ] تعطى قیمته بالمعادلة اآلتیة Sنموذج فان العامل االسي الذرات وهذا یعرف بالبوالرون الكبیر وفي هذا اال     2 2 1 641 1    RKrW RKrW R S T T BoHo BoHo      ……. (14) WHo دالة للفاصل بین المواقع الذریة ro ان اذنصف قطر البوالرون ŕo =2  ro ،Ŕ=2  R الجانب العملي A(4000 - 1000)بطریقـة التبخیــر الحـراري فـي الفـراغ بســمك ZnSeحضـرت أغشـیة o وباسـتخدام منظومــة m bar) 10بحیث یمكن الوصول بمنظومـة التفریـغ إلـى ضـغط بحـدود (Lybold Coting Unit)تفریغ نوع -5 وباسـتخدام ) علیهـا ونظفـت كـل الشـرائح باسـتعمال سـیب األغشـیةقاعـدة أسـاس لتر cm (2.54x 7.63x 0.2)أبعـاد يشرائح زجاجیـة ذ Pureالماء المقطر ومسحوق الغسیل ثم غمرت القواعد في الماء المقطر بعدها تغمر القواعـد الزجاجـة بكحـول عـالي النقـاوة Ethanol 15في جهاز الموجات فوق الصوتیة مدة min 373وجففـت القواعـد األسـاس بوضـعها فـي فـرن بدرجـة حـرارة K .األلمنیوم لعمل األقطاب الكهربائیة یض من مادة المولبیدنیوم واستعمالحو استعمل ZnSeولتبخیر مادة min 20ة مد 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد لغـرض إجـراء القیاسـات الكهربائیـة تـم اسـتخدام جهـاز قـدرة للتیـار المسـتمر . حـویض مـن التنكسـتن اسـتعمل ولتبخیـر األلمنیـوم .( Keithly Digital Electrometer)وجهاز لقیاس التیار Philipsنوع من Thermometerالذي یتصل بعداد Thermo Coupleنموذج بوساطة مزدوج حراري وتقاس درجة حرارة اال . Eurothermنوع النتائج والمناقشة مـن خـالل دراســة الخصـائص الكهربائیــة المتناوبـة نالحـظ انخفــاض قیمـة ســعة المتسـعة مـع زیــادة التـردد لــدرجات بینمـا نالحـظ ازدیـاد سـعة ،بـین السـعة والتـردد إذ تشـیر إلـى العالقـة العكسـیةK(16) حراریـة مختلفـة وهـذا یتفـق مـع المعادلـة إذ إن المقاومـة تقــل بازدیــاد درجــة الحـرارة وعلیــه تــزداد ســعة (4,3)المتسـعة مــع زیــادة درجــة الحـرارة كمــا توضــح األشــكال .[15,14] المتسعة الن العالقة عكسیة بین كال من السعة والمقاومة RI Q V Q C  ........ ( 15) tan  = WRC 1     ( ....... 16) إذ إن تغیـر (6,5)األشـكال همـع التـردد فكـان بشـكل خطـي كمـا توضـحa.c ) ( أمـا تغیـر التوصـیلیة المتناوبـة ـــــاعدیة ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــة تصـــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــو دالــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ـــردد هــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ـــــع التـ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــة مـــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ـــــیلیة المتناوبــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ التوصـــ إن التوصـــیل یـــتم عــن طریـــق القفـــز وان مثـــل هـــذه العالقــة یمكـــن أن تعـــزى إلــى Non-Decreasing)غیــر تنازلیـــة( وهذا یتفق مع نظریـة أندرسـون إذ یتطـابق مـع الواقـع Thermal Activationلاللكترونات أو االیونات نتیجة اإلثارة الحراریة وان التوصـیلیة ،یكـون شـبه خطـي MHzالواطئـة اقـل مـن النظري الذي یشیر إلـى أن تغیـر التوصـیلیة المتناوبـة مـع التـرددات .S [17,16]المتناوبة تتناسب مع التردد للقوة swc.a  ……….. (17) المتناوبــة العـالم لونـك أعطـى نبـذة عـن جمیـع النمـاذج التـي تفسـر التوصـیلیة المتناوبـة وأشـار إلـى أن قیمـة التوصـیلیة حساســیة كبیــرة لــدرجات الحــرارة عنــد التـــرددات وتغیــر طفیــف مــع درجـــات الحــرارة وأنهــا ذ عنــد التــرددات العالیــة تصــبح ذا ).7(كما یوضح الشكل . المنخفضة بوســاطة التنطـیط أو االنتفــاق Intestateإن التوصـیلیة المتناوبــة تنـتج بســبب انتقـال حــامالت الشـحنة داخــل المسـتویات .لموجودة داخل فجوة الطاقة وتنتج بسبب العیوب التصنیعیة والشوائب والحدود الحبیبیة للمواد المتعددة التبلورا مع التردد ولدرجات حراریة مختلفة ومن ثم تغییرها مع درجـات و تغیر كل من (10,9,8) توضح األشكال ـــر قــــیم ظــــل زاویـــة الفقــــدان ـــان تغیـ ـــردد ولـــدرجات حراریــــة مختلفــــة كمــــا مبــــین الحـــرارة عنــــد قــــیم محــــددة وثـــم بیـ مــــع التـ (12,11) بالشكل بینمـا نالحـظ انخفاضـها ،تزداد مع زیادة درجات الحرارة tanو و من هذه األشكال یمكن مالحظة أن قیم عنـد التـرددات العالیـة كمـا ان Temperature Independentوأنها تصبح شبه ثابتة وال تعتمد على تغیـر درجـات الحـرارة وان قیمهــا تأخــذ القــیم العالیــة عنــد [18]مــع زیــادة التــردد هـو انخفــاض طفیــف وهــذا یتفــق مــع المصـدر انخفـاض قــیم .الترددات الواطئة وتزداد بازدیاد درجات الحرارة 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد ن ذبذبـة المجــال مـع التـردد علـى أســاس حـدوث تـأخیر فـي حركـة ذرات المــادة بالنسـبة إلـى زمـ لتفسـیر نقصـان .[19])أي ان زمن استرخاء المادة اكبر من زمن ذبذبة المجال الكهربائي( الكهربائي (الرتباطـه معـه بالعالقـة a.c ) ( فسـلوكه مشـابه لسـلوك التوصـیلیة أما الجزء الخیـالي لثابـت العـزل    ( .[7] یتناسب عكسیا مع التردد ولكن بصورة معاكسة وذلك الن فان قیمته تمثل درجة اعتماد توصیلیة التیـار المتنـاوب علـى التـردد مـن خـالل العالقـة Sالعامل األسي ()   s التي لها أهمیة كبیرة في معرفة المیكانیكیة التي تم بها التوصیل الكهربائي ثـم حسـابها مـن رسـم العالقـة بـین .(14,13)تقل بارتفاع درجات الحرارة كما یبین الشكل Sالتوصیلیة المتناوبة مع التردد ولقد تبین أن قیم المصادر 1. Omar, M . A. (1975), Elementary Solid State Phy sics, Addition-Wesley Publishing Company. 2. Akira Doi, (1988), Thin Solid Fi lm, J. App l. Phy s, 63(1):121 3. Elliott, R. (1978), Phisy cs of Thin Film, Phil. M ag., B, 37(5) :553 4. Elliott, S. R. (1987), Thin Film Technolo gy , Adv. Phys, 36 (2) :135 5. Zawadzki, W., (1989), M echanism of Electron Scattering in Semiconductors, Poland, 6. Long, A. R. (1982), E lectronic Transp ort in Amorp hous Semiconductors, Adv. Phys, (31) :553 7. Kaldis, E. (1982), Current T op ics in M aterials Science, Nort h Holland, Elsev ier Science Ltd. 8. Elliote, S. R. (1978), "Semiconductors Device Phy sics and Technology , Phil. M ag., B, 38 (4). 9. Austen, I. G. (1969), Op tical and Infrared Detector", Adv. Phy s, 18 (71). ة، ) 1989( مؤید جبرائیل،یوسف . .10 والثاني،الجزء األول / مطبعة جامعة بغداد-فیزیاء الحالة الصلب 10 11. Bedir, M .; Oztaz, M. ;Aloglu, O.F and Ormans, R. (2004), Dep artment of Engineering p hy sics, Uneversity of Gaziantep , Turkey . 12. Park M . R. and Anderson, W. A. (1998), M icroelectronic Fabrication Lab, Slovak University of Technology , Ilkovicova 3, 812 19 Br atislava. 13. Yakoyama, M . J. (1998), T hin Film Device and Ap p lication, Crystal Growth, 27(8). .جامعة اإلسكندریة -الفیزیاء التطبیقیة (1989) -محمد عبد المقصود ،الجمال .14 15. Serway, A. (2000) Phy sics for scientists and Engineers with modern Phy sics, 5th edition, cop y right. 16. Fritzche, H. J. Non (1971), Semiconductor Physics and App lication, Crystalline solid, 6, :49. 17. Brodsky , M. H. (1979) Amorp hous Semiconductors, Springer- Verlage. 18. Imaizumi, M . J. (1996), Infrared M aterial Data, Crystal Growth, 159, :257-260. 19. Kirecv, P. S. (1978), Semiconductor Phy sics, M ir Published, 2nd edition,. 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد [6] تغیر التوصیلیة المتناوبة مع تغیر التردد (1):شكل [7]على كل من التردد ودرجة الحرارة Sیمثل اعتماد العامل : (2)شكل Ln w Ln ( w) w   2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد A 1000العالقة بین سعة المتسعة والتردد ولدرجات حراریة مختلفة بسمك :)3(شكل 0 A 4000العالقة بین سعة المتسعة والتردد وبسمك ): 4(شكل o 8 12 16 20 Ln 4.4E-11 4.8E-11 5.2E-11 5.6E-11 6.0E-11 C a p a ci ta n ce ( F a r a d ) D = 1000 A Ts = 373 K Befor e Annea ling T=2 93 K T=3 03 K T=3 13 K T=3 23 K T=3 33 K T=3 43 K T=3 53 K T=3 63 K T=3 73 K 8 12 16 20 Ln 4.0E-1 1 5.0E-1 1 6.0E-1 1 7.0E-1 1 8.0E-1 1 C a p a c it a n c e ( F a r a d ) D= 4000 A T =293 K T =303 K T =313 K T =323 K T =333 K T =343 K T =353 K T =363 K T =373 K 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد 1000Aالعالقة بین التوصیلیة والتردد ولسمك ): 5(شكل o 4000Aالعالقة بین التوصیلیة والتردد ولسمك ): 6(شكل o 8 10 12 14 16 Ln ( HZ ) -24 -22 -20 -18 -16 -14 L n ( cm . o h m )- 1 D=400 0 A T= 293 K T= 303 K T= 313 K T= 323 K T= 333 K T= 343 K T= 353 K T= 363 K T= 373 K 4 8 12 16 Ln -26 -24 -22 -20 -18 L n D =1000 A Ts=373 K Before A nneal in g T= 293 K T=303 K T=313 K T=323 K T=333 K T=343 K T=353 K T=363 K T=373 K 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد بین التوصیلیة مع مقلوب درجة الحرارةالعالقة ): 7(شكل A تغیر الجزء الحقیقي لثابت العزل الكهربائي مع التردد بسمك ): 8(شكل o 4000 2. 6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 1000 / T ( K ) -24 .0 -23 .0 -22 .0 -21 .0 -20 .0 -19 .0 L n ( o h m . c m ) -1 -1 D= 1000 A Ts= 37 3 K Before Annealing F = 10 KHZ F = 100 K HZ F = 100 0 K HZ 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 1000 / T ( K ) -24. 0 -23. 0 -22. 0 -21. 0 -20. 0 -19. 0 L n ( o h m . c m ) -1 -1 D= 10 00 A Ts = 4 23 K Be fore Annealing F= 10 KHZ F = 100 KHZ F = 100 0 KHZ 2011) 2( 24یة المجلدمجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیق 1000Aتغیر الجزء الخیالي لثابت العزل الكهربائي مع التردد وبسمك 9):(شكل o 4000Aتغیر الجزء الخیالي لثابت العزل الكهربائي مع التردد بسمك :)10(شكل o 8 10 1 2 14 16 L n 0.0E+0 2.0E -1 4.0E -1 6.0E -1 8.0E -1 D= 4000 A T=29 3 K T=30 3 K T=31 3 K T=32 3 K T=33 3 K T=34 3 K T=35 3 K T=36 3 K T=37 3 K Curve 10 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد 1000Aتغیر ظل زاویة الفقدان مع التردد بسمك :)11(شكل o 4000Aظل زاویة الفقدان مع التردد ولدرجات حراریة مختلفة وبسمك :)12(شكل o 8 10 12 14 16 Ln 0.0E+0 1.0E+0 2.0E+0 3.0E+0 4.0E+0 T a n D =4000 A T= 293 K T= 303 K T= 313 K T= 323 K T= 333 K T= 343 K T= 353 K T= 363 K T= 373 K 8 12 16 20 Ln 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 T a n D=1000 A Ts=373 K Before A nnealing T=29 3 K T=30 3 K T=31 3 K T=32 3 K T=33 3 K T=34 3 K T=35 3 K T=36 3 K T=37 3 K 2011) 2( 24المجلد مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة 1000Aمع درجات الحرارة وبسمك Sقیم المعامل :)13( شكل o 4000Aمع درجات الحرارة ولسمك Sقیم المعامل ): 14(شكل o 280 300 3 20 340 360 380 T ( K ) 0.70 0.80 0.90 1.00 S D= 100 0 A 28 0 30 0 320 340 360 380 T ( K ) 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 S D= 4000 A Ts = 373 K Before Annealing