IBN AL- HAITHAM J. FOR PURE & APPL. SCI. VOL.24 (12) 2011 Studying Some Electrical Properties for ZnSe Films Prepared by Using the Thermal Evaporation Method in vacuum R.Y. Taha , A. M. Raouf Department of Physical ,College of Science, University of Al- Mustansiriya Received in : 10, November, 2010 Accepted in : 13, March, 2011 Abstract Thin films of zinc selenide ZnSe have been prepared by using thermal evaporation method in vacuum with different thickness (1000 – 4000) A o and a deposited on glass substrate and studying some electrical properties including the determination of A.C conductivity and real, imaginary parts of dielectric constant and tangent of loss angle. The result shows that increasing value of A.C conductivity with increasing thickness and temperature, and increasing capacitance value with increasing the temperature and decrease with increasing frequency . Real and imaginary parts of dielectric constant and tangent of loss angle decrease with increasing frequency. Keywords:Semiconductors, thin films, Znse, electrical properties 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 ــمنت دراســة الخـــواص الكهربائیــة للتوصــیلیة المتناوبـــة وثابــت العـــزل بجزئیــة الحقیقـــ ـاس وتضـ ي باســتخدام أقطــاب مـــن النحـ 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. ة مســتویات طاقــة ـاطة القفــز بطاقـات قــرب مســتوى فیرمـي وكثافــ التوصـیلیة الناتجــة عــن انتقـال االلكترونــات بوسـ :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 ـامالت الشـحنة سـوف ال تـنط فــوق حـاجز الجهـد بـین المراكـز الذریــة وٕانمـا تحفـز نفقـا خاللــه وفقـا لهـذا اال نمـوذج فـان حـ 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 wfB)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 ه فانـه سـوف یسـبب نقصـًا فـي طاقـة القریبة لمستوى فیرمي وخالل رحلة اإللكترون في الشـبكة وفـي أثنـاء سـحبه للتشـویه معـ . 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 ه فــي اثنـاء رحلــة آفـي هـذا النــوع مـن البوالرونـات تقــل طاقـة النظــام بسـبب تغیـرات الت صــر الموضـعي فــي الشـبكة النـ ا یكتسـب البـوالرون طاقتــه وان بااللكتـرون فـي الشـ كة فأنـه سـوف یسـبب اسـتقطابا ناتجـا عــن تكسـر بعـض االواصـر ومـن هنـ ـغیر عنــد درجــات وزمــن االســترخاء بالنســبة الــى البــوالرون Overlapدث تــداخًال ذرتین ال یحــالــالتشـویه حــول مركــزي الصـ [ 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 وباسـتخدام منظومــة Ao(4000 - 1000)بطریقـة التبخیــر الحـراري فـي الفـراغ بســمك ZnSeحضـرت أغشـیة وباسـتخدام ) m bar) 10-5بحیث یمكن الوصول بمنظومـة التفریـغ إلـى ضـغط بحـدود (Lybold Coting Unit)تفریغ نوع 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 ة مختلفـة وهـذا یتفـق مـع المعادلـة بینمـا نالحـظ ازدیـاد سـعة ،بـین السـعة والتـردد إذ تشـیر إلـى العالقـة العكسـیةK(16) حراریـ ـاد درجــة الحـرارة وعلیــه تــزداد ســعة (4,3)المتسـعة مــع زیــادة درجــة الحـرارة كمــا توضــح األشــكال ة تقــل بازدیـ إذ إن المقاومـ .[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 ــــ ــــو دال 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 ــــ ـــــیلیة المتناوب ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ ــــ التوصـــ ـة یمكـــن أن تعـــزى إلــى Non-Decreasing)غیــر تنازلیـــة( ــز وان مثـــل هـــذه العالقـ ــتم عــن طریـــق القفـ ـیل یـ إن التوصــ وهذا یتفق مع نظریـة أندرسـون إذ یتطـابق مـع الواقـع Thermal Activationلاللكترونات أو االیونات نتیجة اإلثارة الحراریة ة مـع التـرددات وان التوصـیلیة ،یكـون شـبه خطـي MHzالواطئـة اقـل مـن النظري الذي یشیر إلـى أن تغیـر التوصـیلیة المتناوبـ .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 ة تصــبح ذا ـا ذ عنــد التــرددات العالیــ ــات الحــرارة وأنهـ حساســیة كبیــرة لــدرجات الحــرارة عنــد التـــرددات وتغیــر طفیــف مــع درجـ ).7(كما یوضح الشكل . المنخفضة ـبب انتقـال حــامالت الشـحنة داخــل المسـتویات ة تنـتج بسـ ـاق Intestateإن التوصـیلیة المتناوبــ بوســاطة التنطـیط أو االنتفـ .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 ــة الفقــــدان ــل زاویـ ـــر قــــیم ظــ ـــان تغیـ ـم بیـ ــیم محــــددة وثــ ــد قــ ـا مبــــین الحـــرارة عنــ ة كمـــ ـــردد ولـــدرجات حراریــــة مختلفــــ 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 ـة عنــد [18]مــع زیــادة التــردد هـو انخفــاض طفیــف وهــذا یتفــق مــع المصـدر انخفـاض قــیم ـا تأخــذ القــیم العالیـ وان قیمهـ .الترددات الواطئة وتزداد بازدیاد درجات الحرارة 2011) 2( 24مجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیقیة المجلد ة ذرات المــادة بالنسـبة إلـى زمـ لتفسـیر نقصـان ـال مـع التـردد علـى أســاس حـدوث تـأخیر فـي حركـ ن ذبذبـة المجـ .[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 ة بـین التي لها أهمیة كبیرة في معرفة المیكانیكیة التي تم بها التوصیل الكهربائي ثـم حسـابها مـن رسـم العالقـ .(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 Physics, Addition-Wesley Publishing Company. 2. Akira Doi, (1988), Thin Solid Film, J. Appl. Phys, 63(1):121 3. Elliott, R. (1978), Phisycs of Thin Film, Phil. Mag., B, 37(5) :553 4. Elliott, S. R. (1987), Thin Film Technology, Adv. Phys, 36 (2) :135 5. Zawadzki, W., (1989), Mechanism of Electron Scattering in Semiconductors, Poland, 6. Long, A. R. (1982), Electronic Transport in Amorphous Semiconductors, Adv. Phys, (31) :553 7. Kaldis, E. (1982), Current Topics in Materials Science, North Holland, Elsevier Science Ltd. 8. Elliote, S. R. (1978), "Semiconductors Device Physics and Technology, Phil. Mag., B, 38 (4). 9. Austen, I. G. (1969), Optical and Infrared Detector", Adv. Phys, 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), Department of Engineering physics, Uneversity of Gaziantep, Turkey. 12. Park M. R. and Anderson, W. A. (1998), Microelectronic Fabrication Lab, Slovak University of Technology, Ilkovicova 3, 812 19 Bratislava. 13. Yakoyama, M. J. (1998), Thin Film Device and Application, Crystal Growth, 27(8). .جامعة اإلسكندریة -الفیزیاء التطبیقیة (1989) -محمد عبد المقصود ،الجمال .14 15. Serway, A. (2000) Physics for scientists and Engineers with modern Physics, 5th edition, copyright. 16. Fritzche, H. J. Non (1971), Semiconductor Physics and Application, Crystalline solid, 6, :49. 17. Brodsky , M. H. (1979) Amorphous Semiconductors, Springer- Verlage. 18. Imaizumi, M. J. (1996), Infrared Material Data, Crystal Growth, 159, :257-260. 19. Kirecv, P. S. (1978), Semiconductor Physics, Mir 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 A0 1000العالقة بین سعة المتسعة والتردد ولدرجات حراریة مختلفة بسمك :)3(شكل 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 ap a ci ta n ce ( F a r a d ) D = 1000 A Ts = 373 K Befor e Annealing 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 4.0E-11 5.0E-11 6.0E-11 7.0E-11 8.0E-11 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 4000Aoالعالقة بین التوصیلیة والتردد ولسمك ): 6(شكل 8 10 12 14 16 Ln ( HZ ) -24 -22 -20 -18 -16 -14 L n ( c m . oh m )-1 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 4 8 12 16 Ln -26 -24 -22 -20 -18 L n D=1000 A Ts=373 K Before Anneal ing 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 Ao4000 تغیر الجزء الحقیقي لثابت العزل الكهربائي مع التردد بسمك ): 8(شكل 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= 373 K Before Annealing F = 10 KHZ F = 100 KHZ F = 1000 KHZ 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 = 423 K Before Annealing F= 10 KHZ F = 100 KHZ F = 1000 KHZ 2011) 2( 24یة المجلدمجلة ابن الھیثم للعلوم الصرفة والتطبیق 1000Aتغیر الجزء الخیالي لثابت العزل الكهربائي مع التردد وبسمك 9):(شكل o 4000Aoتغیر الجزء الخیالي لثابت العزل الكهربائي مع التردد بسمك :)10(شكل 8 10 1 2 14 16 Ln 0.0E+0 2.0E-1 4.0E-1 6.0E-1 8.0E-1 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 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 Annealing 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( 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 280 300 320 340 360 380 T ( K ) 0.70 0.80 0.90 1.00 S D= 1000 A 280 300 320 340 360 380 T ( K ) 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 S D= 4000 A Ts = 373 K Before Annealing