Estimation of Diode Parameters Using the Secretary Bird Optimization Algorithm

Abstract

The accurate characterization of semiconductor devices is crucial for optimizing modern electronic and optoelectronic systems. Extracting the precise electrical parameters of Schottky diodes from experimental Current-Voltage (I-V) measurements constitutes a highly non-linear and complex optimization problem. Traditional analytical methods often fail to capture the physical realities of these devices, particularly in the presence of highly resistive interfacial layers, leading to inaccurate modeling. To overcome these limitations, this thesis proposes the application of a novel and robust metaheuristic approach: the Secretary Bird Optimization Algorithm (SBOA). The computational effciency and stability of the SBOA were first rigorously validated against a challenging set of standard benchmark test functions, demonstrating an exceptional balance between global exploration and local exploitation. Subsequently, the algorithm was practically applied to extract the fundamental parameters namely, the zero-bias barrier height (ΦB0), series resistance (Rs), and ideality factor (n) of a standard Metal-Semiconductor (MS) diode and a Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) diode with a TiO2 interfacial layer. By minimizing the Sum of Absolute Errors (SAE) against recent authentic experimental datasets, the SBOA yielded highly accurate simulated models. The extracted parameters revealed profound physical insights, successfully quantifying the passivation effect of the TiO2 layer, which increased the barrier height from 0.7531 eV to 0.8375 eV while mathematically translating the significant structural resistance. تُعد عملية التوصيف الدقيق لأجهزة أشباه الموصلات أمراً بالغ الأهمية لتحسين أداء الأنظمة الإلكترونية والضوئية الإلكترونية الحديثة. وتُشكل عملية استخلاص المعلمات الكهربائية الدقيقة لثنائيات "شوتكي" (Schottky diodes) - استناداً إلى القياسات التجريبية للعلاقة بين التيار والجهد (I-V) - مسألة تحسين معقدة للغاية وتتسم بطابع غير خطي بارز. وغالباً ما تعجز الطرق التحليلية التقليدية عن محاكاة الخصائص الفيزيائية الواقعية لهذه الأجهزة، لا سيما في ظل وجود طبقات بينية ذات مقاومة عالية، مما يؤدي إلى نماذج غير دقيقة. وللتغلب على هذه القيود، تقترح هذه الأطروحة تطبيق نهج "ميتا-استدلالي" (metaheuristic) جديد وفعال يُعرف بـ "خوارزمية تحسين طائر السكرتير" (SBOA). وقد جرى أولاً التحقق بدقة من الكفاءة الحسابية واستقرار أداء هذه الخوارزمية من خلال اختبارها على مجموعة صعبة من الدوال المعيارية القياسية، حيث أظهرت توازناً استثنائياً بين مرحلتي الاستكشاف الشامل (global exploration) والاستغلال المحلي (local exploitation). وعقب ذلك، طُبقت الخوارزمية عملياً لاستخلاص المعلمات الأساسية - وهي ارتفاع الحاجز عند انعدام الانحياز (ΦB0)، والمقاومة المتسلسلة (Rs)، ومعامل المثالية (n) - لكل من ثنائي "معدن-شبه موصل" (MS) قياسي وثنائي "معدن-عازل-شبه موصل" (MIS) يحتوي على طبقة بينية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2). ومن خلال تقليل "مجموع الأخطاء المطلقة" (SAE) ومقارنة النتائج بمجموعات بيانات تجريبية حديثة وموثوقة، أثمرت الخوارزمية عن نماذج محاكاة عالية الدقة. وقد كشفت المعلمات المستخلصة عن رؤى فيزيائية عميقة، إذ نجحت في تحديد وقياس تأثير التخميل (passivation) الذي توفره طبقة TiO2، والذي أدى إلى رفع ارتفاع الحاجز من 0.7531 إلكترون-فولت (eV) إلى 0.8375 إلكترون-فولت، مع التعبير رياضياً عن المقاومة الهيكلية الملحوظة.