Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tabanlı radyasyon sensörlerinin uzay uygulamaları için geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Nanoteknoloji ve Nanotıp A.B.D., Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2020
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: BUĞRA KOCAMAN
Danışman: Eylem Güven
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Transistörler, nanoteknolojinin sunmuş olduğu avantajlardan en fazla yararlanılan uygulama alanlarının başında gelmektedir. Üretim tekniklerinin gelişmesiyle birlikte daha küçük, daha verimli ve daha hızlı çalışabilen transistörlerin üretilmesi mümkün olmaktadır. Anahtarlama ve güç düzenleme gibi amaçlarla elektronik devre elemanı olarak kullanılabilmelerinin yanında, transistörler başka amaçlar içinde kullanılabilmektedir. Transistörlerin en sık kullanılan çeşitlerinden biri olan metal oksit yarı iletken alan etkili transistörlerin (MOSFET) radyasyon sensörü olarak kullanıldığı birçok çalışma mevcuttur. Bununla birlikte, 100 nm altında oksit tabaka kalınlıklarına sahip sensörlerin, uzay radyasyonu uygulamalarına yönelik olan çalışmaların literatürde yetersiz olduğu görülmüştür. Bu tez çalışmasında, uzay uygulamalarına yönelik olarak nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör (NürFET) olarak adlandırılan radyasyon sensörlerinin kullanıldığı bir radyasyon dedektörünün geliştirilmesi ve radyasyon altında karakterizasyonu amaçlanmıştır. Bu amaçla, sensörlerin çalışma performanslarının radyasyon altında gerçek zamanlı ölçülmesine imkân sağlayan, uydularda da kullanılabilecek bir radyasyon dedektörü tasarlanmış ve üretilmiştir. Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistörün kapı ucu malzemesi olarak silikon dioksit (SiO2) kullanılmıştır. 40 nm, 60 nm ve 100 nm'lik 3 farklı oksit tabaka (SiO2) kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin çalışma performansları, daha önce çeşitli uzay görevlerinde kullanılmış olan Radiation Sensing Field Effect Transistor (RADFET) ve Floating Gate Dosimeter (FGDOS) sensörleri ile karşılaştırılmıştır. Dedektörün ve sensörlerin çalışma performansları, Kobalt-60 (Co-60) radyasyon kaynağı ile test edilerek ilgili sonuçlar sunulmuştur. Radyasyon dedektörü 256 saniye ve 416 saniye olmak üzere iki farklı zaman aralığında radyasyona maruz bırakılmıştır. İlk radyasyon testi 256 saniye sürmüştür. İlk test basamağında tüm sensörler (nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör, RADFET ve FGDOS) başarılı bir şekilde çalıştırılmıştır. Maruz kalınan radyasyon doz seviyesinin çok yüksek olmasından dolayı FGDOS sensörü ilk ışınlama sırasında dedektör devresinin tıkanmasına (kilitlenmesine) sebep olmuştur. Bu sebeple, ikinci radyasyon testi öncesi, FGDOS sensörü yazılım yardımıyla devreden çıkarılmıştır. İkinci radyasyon testi 416 saniye sürmüştür. İkinci test basamağında nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörleri ve RADFET sensörleri başarılı bir şekilde çalıştırılmıştır. Oksit tabaka kalınlıklarının artmasıyla birlikte nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin radyasyona olan hassasiyetinin arttığı gözlemlenmiştir. Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin eşik gerilimlerinde meydana gelen kayma miktarlarının üretici tarafından 10 A'lık sabit akım kaynağı ile ölçülmesi önerilmektedir. Uzay ortamının zorlayıcı koşulları sebebiyle 10 A'nın hassas bir şekilde verilmesi kolay değildir. Bu sebeple, dedektör devresi üzerinde kullanılması göreceli olarak daha kolay olan 100 A'lık ikinci bir sabit akım kaynağı daha kullanılmıştır. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörünün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ilk radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 3,698 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 3,884 mV olarak ölçülmüştür. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ikinci radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 5,668 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 6,081 mV olarak ölçülmüştür. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ilk radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 7,134 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 8,091 mV olarak ölçülmüştür. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ikinci radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 10,103 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 10,330 mV olarak ölçülmüştür. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ilk radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 8,826 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 9,342 mV olarak ölçülmüştür. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ikinci radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 13,603 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 14,066 mV olarak ölçülmüştür. Radyasyon dedektörü, uzay radyasyonunun yarattığı etkilerden biri olan toplam iyonize doz (TID) etkisini ölçmek amacıyla tasarlanmıştır. Maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyesi, uydunun yapısal modelinde (dış yüzeyinde/panellerinde) kullanılan malzeme tipi ile ilişkilidir. Bu sebeple, kavramsal bir uydu modeli yaratılarak, dört farklı malzeme tipi (uydu dış yüzey malzemesi) için yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon dozu analiz programı ile hesaplanmıştır. Uydu yapısal modelinde, uydu dış yüzey malzemesi olarak, polimetil metakrilat (PMMA), cam (SiO2), alüminyum (Al) ve kurşun (Pb) malzemeleri kullanılmıştır. Malzemelerin kalınlıkları 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm olarak seçilmiştir. Bu malzemelerin üzerine uydu içinde ve uydu dışında olacak şekilde silisyum (Si) nokta dedektörleri tanımlanarak her bir nokta için ilgili radyasyon doz değerleri elde edilmiştir. Uydu dış yüzey malzemesi olarak polimetil metakrilat kullanıldığında yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyeleri, uydunun merkez noktasında tanımlanmış olan silisyum nokta dedektörüne göre, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm kalınlıkları için sırasıyla 291 krad, 90,56 krad, 31,69 krad, 17,03 krad, 10,57 krad ve 7,171 krad olarak hesaplanmıştır. Uydu dış yüzey malzemesi olarak cam kullanıldığında yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyeleri, uydunun merkez noktasında tanımlanmış olan silisyum nokta dedektörüne göre, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm kalınlıkları için sırasıyla 74,53 krad, 26,25 krad, 8,504 krad, 4,320 krad, 2,945 krad ve 2,428 krad olarak hesaplanmıştır. Uydu dış yüzey malzemesi olarak alüminyum kullanıldığında yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyeleri, uydunun merkez noktasında tanımlanmış olan silisyum nokta dedektörüne göre, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm kalınlıkları için sırasıyla 74,39 krad, 26,10 krad, 8,356 krad, 4,281 krad, 2,965 krad ve 2,472 krad olarak hesaplanmıştır. Uydu dış yüzey malzemesi olarak kurşun kullanıldığında yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyeleri, uydunun merkez noktasında tanımlanmış olan silisyum nokta dedektörüne göre, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm kalınlıkları için sırasıyla 5,822 krad, 3,270 krad, 2,428 krad, 2,067 krad, 1,839 krad ve 1,641 krad olarak hesaplanmıştır. Radyasyon analiz sonuçlarına göre malzeme kalınlıklarının ve özkütlelerin artmasıyla, uydu içerisinde maruz kalınacak olan doz seviyelerinin azaldığı gösterilmiştir. Tez çalışması kapsamında elde edilen tüm bulgular değerlendirildiğinde, tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiş olan nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tabanlı radyasyon sensörlerinin kullanıldığı radyasyon dedektörünün uzay uygulamalarında önemli bir potansiyele sahip olduğu düşünülmektedir.