Transport elektrického náboje v tantalovém kondenzátoru

Cílem této práce bylo studium vlastností tantalových kondenzátorů s pevným elektrolytem. Kondenzátor typu Ta – Ta2O5 – MnO2 svým složením představuje MIS strukturu, kde tantalová anoda má kovovou vodivost a burel – MnO2 je polovodič. Izolační vrstva je tvořena pentoxidem tantalu Ta2O5 s relativní permitivitou r = 27. Tloušťka izolační vrstvy je v rozmezí 30 až 150nm. Náboj kondenzátoru není akumulován jen na elektrodách, ale také na lokalizovaných stavech (kyslíkových vakancích) v izolační vrstvě. Kondenzátor zapojený v normálním režimu představuje strukturu typu MIS zapojenou v závěrném směru, kdy přiložené napětí zvyšuje potenciálovou bariéru mezi polovodičem – burelem a izolantem – Ta2O5. V normálním modu – při přiložení kladného napětí na Ta, je transport nosičů náboje izolační vrstvou určený Poole-Frenkelovým mechanismem a tunelováním. Při nízké intenzitě elektrického pole je dominantní Poole-Frenkelův mechanismus transportu náboje, při vyšší intenzitě elektrického pole je proud určen tunelováním. Při nízké intenzitě elektrického pole se projeví i ohmická složka proudu určená odporem příměsového pásu vytvořeného v izolantu donorovými stavy kyslíkových vakancí. Na základě modelování naměřených VA charakteristik lze odhadnout efektivní tloušťku dielektrika Ta2O5 a určit podíl Poole-Frenkelova a tunelového proudu na transportu náboje. V mé práci je popsáno rozložení náboje na tantalovém kondenzátoru v oblasti nízkých frekvencí a provedena analýza charakteristik kondenzátoru ve frekvenční oblasti. Prvotním podmětem pro tuto práci je snaha vytvoření náhradního modelu tantalového kondenzátoru z hlediska jeho fyzikálního a elektrického chování. Na základě náhradního elektrického modelu lze pak dále zkoumat a stanovit rozložení a transport elektrického náboje v kondenzátoru. Změřením elektrických parametrů lze taktéž dospět k určení potenciálových bariér a rozložení potenciálu ve struktuře kondenzátoru. Tato metodika spočívá v analýze elektrických charakteristik konden
The task of the thesis was studding of tantalum capacitors with solid electrolytes properties. Ta – Ta2O5 – MnO2 capacitor by its construction represents MIS structure, where tantalum anode has metal conductivity and MnO2 cathode is semiconductor. Isolation layer consists of tantalum pentoxide Ta2O5 with relative permitivity r = 27. Dielectric thickness is typically in range from 30 to 150nm. The capacitor charge is not only stored and accumulated on electrodes but also in localised states (oxide vacancies) in isolation layer. The capacitor connected in normal mode represents MIS structure polarized in reveres direction when the applied voltage higher potential barrier between semiconductor - MnO2 cathode and isolation of Ta2O5. The transport of charge carriers via isolation layer is determined by Poole-Frenkel mechanisms and tunnelling. Poole-Frenkel mechanism of charge transport is dominant in low intensity of electric field. Tunnelling determines current at higher electric field intensity. During low intensity of electric field ohmic component is also presented which is determined by volume of resistance of impurities in isolation layer due to donor states of oxygen vacancies. Based on the modelling of measured VA characteristics is possible to estimate determine dielectric thickness of Ta2O5 and determine share of Poole-Frenkelov and tunnel current and charge transportation. The thesis is described charge transport and charge concentration on tantalum capacitor in low frequency area and analysis of capacitor behaviour at frequency band. The first impulse for the thesis was an effort to create equivalent circuit diagram of tantalum capacitor in respect of its physical and electrical behaviour. There is an opportunity to study and determine electric charge transport and its accumulation based on the equivalent circuit diagram structure. There is also a chance to define and trace potential barriers and charge distribution in the capacitor structure based on an meas