شماره ركورد
34797
پديد آورنده
سجاد كريتي
عنوان
شبيهسازي و بهينهسازي آشكارسازهاي فرابنفش (UV) با استفاده از مواد نيمهرساناي با گاف انرژي پهن
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
فيزيك- اپتيك و ليزر
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/12/18
استاد راهنما
بيژن غفاري
استاد مشاور
شهاب نوروزيان
دانشكده
دانشكده فيزيك
چكيده
اين پاياننامه يك مطالعه شبيهسازي و تحليل عملكرد براي آشكارساز نوري فرابنفش از نوع فلز–نيمهرسانا–فلز (MSM) با استفاده از اكسيد روي (ZnO) و تماسهاي تيتانيوم (Ti) است. در اين پژوهش از ماژول نيمهرسانا در نرمافزار COMSOL Multiphysics نسخه 6.2 براي توسعه و اعتبارسنجي يك مدل عددي كامل از ساختار Ti/ZnO/Ti MSM بهصورت مستقل استفاده شده است، بهگونهاي كه هر دو الكترود داراي تماس شاتكي با لايه نيمهرساناي ZnO هستند. دامنه باياس بين 4- تا 4+ ولت در شرايط تاريكي و نور با طولموج نوري 365 نانومتر و توان نوري 50 ميكرووات مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج شبيهسازي نشان ميدهد كه اين دستگاه داراي جريان تاريك بسيار پايين (1.5 نانوآمپر در باياس صفر) است و اين موضوع بيانگر مؤثر بودن سد شاتكي (با ارتفاع مؤثر 0.33 الكترونولت) در جلوگيري از تزريق حاملها در شرايط تاريكي است. در حضور منبع نور، جريان نوري در باياس مستقيم (4+ ولت) و معكوس (4− ولت) بهترتيب 415 نانوآمپر و 419 نانوآمپر اندازهگيري شد كه منجر به نسبت جريان نوري به جريان تاريك (PDR) برابر 277٫4 و نسبت سيگنال به نويز (SNR) برابر 48٫9 دسيبل ميشود. دستگاه تقارن بسيار خوبي از خود نشان ميدهد، بهطوريكه عدم تقارن بين باياس مستقيم و معكوس تنها 0٫86 درصد است و جريان نوري پايدار و تكرارپذير با اختلاف 3٫56 ± 0٫07 نانوآمپر در تمام شرايط ولتاژ دارد. ساير شاخصهاي عملكرد مهم شامل پاسخدهي (Responsivity) برابر 0٫0416 آمپر بر وات و بازده كوانتومي خارجي (EQE) برابر 18٫5٪ است. ناحيه اشباع (3 تا 4 ولت) پايداري بالايي دارد و تغيير تنها 0٫2٪ را نشان ميدهد كه اثبات ميكند دستگاه ميتواند در ولتاژهاي باياس بالا نيز عملكرد مناسبي داشته باشد. مقايسه با مطالعات اخير (2024–2025) نشان ميدهد كه اين دستگاه از نظر جريان تاريك پايين و نسبت PDR بالا در ميان بهترين آشكارسازهاي فرابنفش مبتني بر ZnO از نوع MSM قرار دارد. اين پژوهش شبيهسازي عميقي از آشكارسازهاي MSM بر پايه COMSOL ارائه ميدهد، نقش تيتانيوم را بهعنوان يك تماس فلزي رقابتي با ZnO نشان ميدهد، و همچنين تحليل كمي از تقارن دستگاه را معرفي ميكند كه در مقالات پيشين كمتر بدان پرداخته شده است. نتايج اين مطالعه تأييد ميكند كه ساختار Ti/ZnO/Ti MSM گزينهاي اميدبخش براي آشكارسازي فرابنفش با حساسيت بالا در كاربردهايي نظير پايش محيطزيست، آشكارساز شعله، سامانههاي مخابرات فرابنفش و ابزارهاي زيستپزشكي است.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/21
عنوان به انگليسي
Simulation and Optimization of UV Photodetectors Using Wide Bandgap Semiconductor Materials
تاريخ بهره برداري
4/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سجاد كريتي
چكيده به لاتين
This thesis is a Master simulation study and performance analysis of a Metal-Semiconductor-Metal (MSM) ultraviolet photodetector using Zinc Oxide (ZnO) and Titanium (Ti) contacts. The research applies the Semiconductor Module of COMSOL Multiphysics 6.2 to develop and validate independently a complete numerical model of Ti/ZnO/Ti MSM structure, where both electrodes have Schottky contacts to the ZnO semiconductor layer. The entire range of bias between -4V and +4V in dark and light conditions within an optical wavelength of 365 nm containing an optical power of 50 μW was investigated. The performance of the devices as shown in the simulation has shown that the device has a very low dark current of 1.5 nA at a zero bias, and this indicates that the Schottky barriers (effective height of 0.33 eV) are effective in blocking carrier injection during the dark conditions. With a light source, the photocurrent at +4V (forward bias) and -4V (reverse bias) is 415 nA and 419 nA respectively, giving an outstanding photo-to-dark ratio (PDR) of 277.4 and signal-to-noise ratio (SNR) of 48.9 dB. The device demonstrates excellent symmetry with the asymmetry between forward and reverse bias operation being 0.86 percent and a stable and reproducible photocurrent difference of 3.56 + -0.07 nA at all the voltage conditions. Other important key performance indicators are 0.0416 A/W responsivity and an external quantum efficiency (EQE) of 18.5%. The saturation region (3-4V) is highly stable with a variation at only 0.2% and proves that it can operate well at high bias voltages. The comparative analysis against the recent literature (2024-2025) identifies this device as one of the devices having an excellent performance in the terms of dark current and PDR as the best performing ZnO-based MSM UV photodetectors. The study provides an in-depth simulation of MSM photodetectors on the basis of COMSOL, demonstration of Ti as a competitive contact source to ZnO, and quantitative evaluation of the device symmetry that is not commonly described in the literature. The findings confirm Ti/ZnO/Ti MSM structure as a promising material in high-sensitivity UV detection especially in environmental monitoring, flame detector, UV communication systems and biomedical instrumentation.
كليدواژه هاي فارسي
حسگر فرابنفش نوع MSM , نيمهرساناي ZnO , الكترود فلزي T
كليدواژه هاي لاتين
MSM type ultraviolet sensor, , ZnO semiconductor , Ti metal electrode
Author
Sajad kureti
SuperVisor
bijan ghafary