16216

16216

طراحي و شبيه سازي آشكارسازهاي فرابنفش مبتني بر نانوساختارهاي ZnO

كارشناسي ارشد

الكترونيك

آذر ماه 1394

دكتر شهرام محمدنژاد

برق

چكيده در سال هاي اخير، بسياري از تحقيقات بر روي آشكارسازهاي نوري فرابنفش با كارايي بالا متمركز شده است. كاربردهاي اين ادوات در زمينه¬هاي نظامي و غيرنظامي كاملا مشهود است. نياز روبه رشد سيستم¬هاي آشكارسازي فرابنفش مطمئن و كوچك شده، آن‌ها را به سمت توسعه¬ي آشكارسازهاي فرابنفش مبتني بر نيمه‌رسانا‌ها برده¬اند. در مقايسه¬ي يك ماده حجمي و يك ماده كوچك، نانوساختارها به طور خاصي به نور حساس هستند. ZnO با داشتن شكاف باند مستقيم و بزرگ، انتخاب خوبي براي ساخت آشكارسازهاي فرابنفش است. به خاطر پهناي باند وسيع، هزينه¬ي كم، تشعشع قوي و پايداري شيميايي بالا، نانوساختارهاي ZnO انتخاب مناسبي براي آشكارسازي فرابنفش مي¬باشند. تاكنون تحقيقات روي آشكارسازهاي فرابنفش مبتني بر نانوساختارهاي ZnO به صورت عملي انجام شده است، اما شبيه-سازي راه را براي تحقيقات گسترده¬تر روي اين آشكارسازها هموار مي¬كند. هدف از انجام اين پايان¬نامه طراحي و شبيه¬سازي آشكارسازهاي فرابنفش مبتني بر نانوساختارهاي ZnO است. براي انجام شبيه¬سازي ابتدا ماده¬ي ZnO در نرم¬افزار FDTD و DEVICE تعريف مي¬گردد. سپس براي طراحي آشكارسازي متناسب با كارهاي عملي موجود، به بررسي مشخصات ساختاري مورد نياز پرداخته شده است. نتايج گزارش¬هاي ساخت اين ادوات نشان مي¬دهد كه شعاع نانوميله¬ها عموما در بازه¬ي 25 تا 70 نانومتر و طول آن¬ها در محدوده¬ي 0.5 تا 2.5 ميكرومتر تغيير مي¬كند. بر اساس نتايج اين پايان¬نامه، با داشتن نانوميله¬هاي مختلف همراه با لايه¬ي دانه با ضخامت¬هاي مختلف، مي¬توانيم شكاف باند قابل تنظيمي از ev 3.107 تا ev 3.142 داشته باشيم. در ضمن براي نانوميله¬هاي با شعاع nm 25، حداقل جريان تاريكي در حدود fA 21 به دست آمده است. علاوه بر اين، براي ساختار پيشنهاد شده در اين پايان¬نامه در مقايسه با دو ساختار رايج ذكر شده در متن، كمترين مقدار جريان تاريكي (حدود pA 16) و بيشترين ميزان SNR (در حدود db 78) به دست آمده است. مقادير پاسخ طيفي و بازدهي كوانتومي بر حسب طول¬موج نشان مي¬دهند كه آشكارساز ZnO در طول¬موج nm 365 داراي بيشترين مقدار پاسخ¬دهي و جريان نوري است. واژه‌هاي كليدي: آشكارسازهاي فرابنفش، نانوساختارهاي ZnO، خواص نوري، خواص الكتريكي

1395/10/14

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: In the recent years, many studies have been focused on high-performance UV photodetectors. The applications of this devices in military an​d civilian fields is well known. Because of the growing demands to make reliable an​d miniaturized ultraviolet detection systems, it should be to develop semiconductor-based ultraviolet photodetectors. Among different semiconductors, ZnO with direct an​d large band gap is a good choice to make ultraviolet photodetector. In comparison to the bulk materials, nanostructures are very sensitive to light. ZnO nanostructures are suitable for UV detection due to the wide bandwidth, low cost, strong radiation an​d high chemical stability. So far, many researches on ultraviolet photodetectors based on ZnO nanostructures are practical, but simulation of these structures is the smooth way for more extensive research on these detectors. The purpose of this thesis is the design an​d simulation of ultraviolet photodetectors based on ZnO nanostructures. To carry out the simulation, ZnO is initially defined in FDTD an​d DEVICE software. Therefore, the structural characteristics are needed to be explored to design photodetector proportional to existing practical works. The reported results for construction of these devices show that the radius of the nanorods is in the range of 25 to 70 nm an​d their length is in the range of 0.5 to 2.5 micrometers generally. According to the results of our thesis, we can adjust band gap of structure in the range of 3.107 eV to 3.142 eV by means of different nanorods an​d seed layer thicknesses. The minimum dark current was obtained about 21 fA for nanorods with 25 nm radius. In addition, for the structure proposed in this thesis in comparison with conventional structures mentioned in the context, the lowest dark current (about 16 pA) an​d the maximum SNR (about 78 dB) was obtained. Values of spectral response an​d quantum efficiency versus wavelength show that ZnO photodetector have maximum of response an​d optical current in 365 nm wavelength. Keywords: Ultraviolet photodetector, ZnO nanostructures, optical properties, electrical properties