NÜKLEER RADYASYONA DUYARLI ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR TABANLI RADYASYON SENSÖRLERİNİN UZAY UYGULAMALARI İÇİN GELİŞTİRİLMESİ VE KARAKTERİZASYONU DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF NUCLEAR RADIATION SENSITIVE FIELD-EFFECT TRANSISTOR BASED RADIATION SENSORS FOR SPACE APPLICATIONS BUĞRA KOCAMAN Doç. Dr. EYLEM GÜVEN Tez Danışmanı Hacettepe Üniversitesi Lisansüstü Eğitim-Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı için Öngördüğü DOKTORA TEZİ olarak hazırlanmıştır. 2020 Aileme… i ÖZET NÜKLEER RADYASYONA DUYARLI ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR TABANLI RADYASYON SENSÖRLERİNİN UZAY UYGULAMALARI İÇİN GELİŞTİRİLMESİ VE KARAKTERİZASYONU Buğra KOCAMAN Doktora, Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı Tez Danışmanı: Doç. Dr. Eylem GÜVEN Ağustos 2020, 126 sayfa 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 ii 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 iii 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 iv 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. Anahtar Kelimeler: NürFET, Radyasyon Sensörleri, Radyasyon Dedektörü, Uzay Radyasyonu, RADFET, FGDOS, Co-60, Toplam İyonize Doz v ABSTRACT DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF NUCLEAR RADIATION SENSITIVE FIELD-EFFECT TRANSISTOR BASED RADIATION SENSORS FOR SPACE APPLICATIONS Buğra KOCAMAN Doctor of Philosophy, Division of Nanotechnology and Nanomedicine Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Eylem GÜVEN August 2020, 126 pages Transistors are one of the most important application areas of nanotechnology. It has been possible to produce smaller, more efficient, and faster transistors with the development of production techniques. In addition to their use as electronic circuit components for switching and power regulation purposes, transistors can also be used for other purposes. There are many studies in which Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET) -namely one of the most common transistor types- are used as radiation sensors. However, studies on space radiation applications using sensors that have oxide layer thicknesses below 100 nm have been found to be insufficient in the literature. The main objective of this study is developing and characterizing a radiation detector using radiation sensors called Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor (NürFET) with 40 nm, 60 nm, and 100 nm gate oxide thicknesses for space applications. The material type of gate oxide layer is silicon dioxide (SiO2). A radiation detector, which can also be utilized in satellites, was designed and manufactured to measure the performances of sensors. To determine the performances of the sensors, the radiation tests were performed and all vi measurements were collected in real-time. Additionally, there are two (2) sensors on the detector which were used in space missions before to compare and analyze the performances of Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensors. One of these sensors is Radiation Sensitive Field Effect Transistor (RADFET) and the other one is Floating Gate Dosimeter (FGDOS). The performances of the detector and sensors were tested with Cobalt-60 (Co- 60) Gamma radiation source. The radiation detector was exposed to radiation in two steps. The first irradiation step lasted in 256 seconds and all radiation sensors (NürFET, RADFET, and FGDOS) were operated successfully. In the first irradiation, after a while, FGDOS did not work because of the high radiation dose and it congested the detector electrically. In the second part of the test, FGDOS was removed from the circuitry with the help of software. The second irradiation step lasted for 416 seconds. Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor and RADFET sensors were operated successfully. It has been shown that the sensitivity of radiation sensors increases with the increasing oxide layer thicknesses. It is recommended by the manufacturer of the Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor that the shifts in threshold voltages of Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensors should be read with 10 A constant current source. However, it is not easy to supply “10 A” constant current precisely because of the harsh conditions of the space environment. Therefore, a second constant current source of 100 A is used which is relatively easier to use on the detector circuit. In the first radiation test, the threshold voltage shift for a 40 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 3.698 mV with 10 A and 3.884 mV with 100 A. In the second radiation test, the threshold voltage shifts for a 40 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 5.668 mV with 10 A and 6.081 mV with 100 A. In the first radiation test, the threshold voltage shift for a 60 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 7.134 mV with 10 A and 8.091 mV with 100 A. In the second radiation test, the threshold voltage shifts for a 60 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 10.103 mV with 10 A and 10.330 mV with 100 A. In the first radiation test, the threshold voltage shift for a 100 nm Nuclear vii Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 8.826 mV with 10 A and 9.342 mV with 100 A. In the second radiation test, the threshold voltage shifts for a 100 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 13.603 mV with 10 A and 14.066 mV with 100 A. The radiation detector was designed to measure the Total Ionizing Dose (TID) effect, one of the effects of Space radiation. The radiation dose level to be exposed in orbit is related to the type of material used in the structural model (outer surface/panels) of the satellite. For this purpose, a conceptual satellite model was created and the radiation dose to be exposed in orbit for four different material types (satellite outer surface/panel) was calculated with the analysis program. Polymethyl methacrylate (PMMA), glass (SiO2), aluminum (Al), and lead (Pb) materials were used in the satellite structural model. The thicknesses of the materials were chosen as 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm. On these materials, silicon (Si) point detectors were identified on the inner and outer surface of the satellite and corresponding dose values were obtained for each point. The exposed dose levels for the silicon point detector which was assigned at the center of the satellite were calculated on orbit - for polymethyl methacrylate material - as 291 krad, 90.56 krad, 31.69 krad, 17.03 krad, 10.57 krad and 7.171 krad for shielding thicknesses of satellite 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm, respectively. The exposed dose levels for the silicon point detector which was assigned at the center of the satellite were calculated on orbit - for glass material - as 74.53 krad, 26.25 krad, 8.504 krad, 4.320 krad, 2.945 krad and 2.428 krad for shielding thicknesses 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm, respectively. The exposed dose levels for the silicon point detector which was assigned at the center of the satellite were calculated on orbit - for aluminum material - as 74.39 krad, 26.10 krad, 8.356 krad, 4.281 krad, 2.965 krad, and 2.472 krad for shielding thicknesses 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm and 5 mm, respectively. The exposed dose levels for the silicon point detector which was assigned at the center of the satellite were calculated on orbit - for lead material - as 5.822 krad, 3.270 krad, 2.428 krad, 2.067 krad, 1.839 krad and 1.641 krad for shielding thicknesses 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm, respectively. The radiation analysis result shows that the exposed dose for the point which is inside the satellite decreases with viii the increase of thicknesses and material density. According to the radiation test and analysis results obtained within the scope of this thesis study, a radiation detector using the Nuclear Radiation Sensitive Field-Effect Transistor based radiation sensors that can measure space radiation dose has been successfully designed and manufactured for space applications. When all findings obtained are evaluated, it can be concluded that the designed and produced radiation detector, utilizing Nuclear Radiation Sensitive Field-Effect Transistor based radiation sensors, could have an important potential for space applications. Keywords: NürFET, Radiation Sensors, Radiation Detector, Space Radiation, RADFET, FGDOS, Co-60, Total Ionizing Dose ix TEŞEKKÜR Tez çalışmamın her aşamasında çok büyük desteğini gördüğüm, ilgisi ve hoşgörüsü ile bana her zaman yol gösteren, değerli Hocam Doç. Dr. Eylem Güven’e, Laboratuvarlarının kapılarını açarak sensör üretimi konusunda çok kıymetli bilgiler ve tecrübeler kazanmamı sağlayan, değerli Hocam Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi Nükleer Radyasyon Dedektörleri Uygulama ve Araştırma Merkezi (NÜRDAM) Müdürü Prof. Dr. Ercan Yılmaz başta olmak üzere tüm NÜRDAM araştırmacılarına, Bu tez kapsamında üretilmiş olan radyasyon dedektörünün tasarım, üretim, analiz ve test çalışmalarının herbirinde çok büyük ve değerli katkıları olan, TÜBİTAK Uzay Teknolojileri Araştırma Enstitüsü çalışanları, değerli arkadaşlarım Mehmet Köprü, Murat Harmandalı, Bekir Solak, Aziz Koru, Dr. Osman Akkoyunlu ve Doç. Dr. M. Fatih Bay’a, Çalışmalarım boyunca desteklerini ve ilgilerini hiç esirgemeyen, özveri ve sabırlarıyla hep yanımda olan sevgili aileme, En içten teşekkürlerimi sunarım. Buğra Kocaman x İÇİNDEKİLER ÖZET ................................................................................................................... i ABSTRACT ........................................................................................................ v TEŞEKKÜR ........................................................................................................ ix İÇİNDEKİLER ..................................................................................................... x ŞEKİLLER DİZİNİ ............................................................................................. xiii ÇİZELGELER DİZİNİ ........................................................................................ xvi SİMGELER VE KISALTMALAR ........................................................................ xix 1. GİRİŞ .............................................................................................................. 1 2. GENEL BİLGİLER .......................................................................................... 4 2.1. Nanoteknoloji ve Uygulama Alanları ........................................................ 4 2.2. Nanofabrikasyon Üretim Teknikleri .......................................................... 7 2.2.1. Levhanın Temizlenmesi ................................................................... 7 2.2.2. Fotolitografi ...................................................................................... 8 2.2.3. Katman Büyütme/Katkılama ............................................................. 8 2.2.4. Aşındırma ......................................................................................... 9 2.3. Radyasyon Sensörleri/Dedektörleri ......................................................... 9 2.3.1. Metal Oksit Yarı İletken Alan Etkili Transistör Yapısı ve Çalışma Prensipleri ............................................................................................ 11 2.3.2. Nükleer Radyasyona Duyarlı Alan Etkili Transistör ve Çalışma Prensipleri ............................................................................................ 14 2.4. Uydu Teknolojileri .................................................................................. 15 2.5. Uzay Radyasyonu ................................................................................. 18 2.5.1. Uzay Radyasyonu Kaynakları ........................................................ 19 2.5.1.1. Hapsolmuş Radyasyon………………...…………………...…….20 2.5.1.2. Solar Enerjik Parçacıklar……………………………...…………..20 xi 2.5.1.3. Galaktik Kozmik Radyasyon…………………...………….......…21 2.5.2. Uzay Radyasyonu Etkileri ............................................................... 21 2.5.2.1. Toplam İyonize Doz.……………….………..……………..…...…24 2.5.2.2. Yer Değiştirme Hasarı…………….…………………..…..…....…25 2.5.2.3. Tekil Olay Etkileri.…………………………...….………….…...…27 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR ........................................................................... 28 3.1. Nükleer Radyasyona Duyarlı Alan Etkili Transistör Üretimi ................... 28 3.2. Radyasyon Dedektörü ve Tasarımı ........................................................ 28 3.3. Radyasyon Simülasyon Analizleri .......................................................... 40 3.4. Radyasyon Testleri ................................................................................ 41 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA ......................................................................... 47 4.1. Radyasyon Simülasyon Analiz Sonuçları ............................................... 47 4.1.1. Polimetil metakrilat (PMMA) Uydu Dış Malzemesi İçin Radyasyon Simülasyon Analiz Sonuçları ................................................................ 48 4.1.2. Silisyum Dioksit (SiO2-α quartz cam) Uydu Dış Malzemesi İçin Radyasyon Simülasyon Analiz Sonuçları ............................................. 53 4.1.3. Alüminyum (Al) Uydu Dış Malzemesi İçin Radyasyon Simülasyon Analiz Sonuçları ................................................................................... 57 4.1.4. Kurşun (Pb) Uydu Dış Malzemesi İçin Radyasyon Simülasyon Analiz Sonuçları .............................................................................................. 62 4.1.5. Radyasyon Simülasyon Analiz Sonuçlarının Değerlendirilmesi ...... 66 4.2. Radyasyon Testleri Sonuçları ................................................................ 66 4.2.1. FGDOS Radyasyon Sensörüne Yönelik Radyasyon Testi ve Ölçüm Sonuçları .............................................................................................. 67 4.2.2. RADFET Radyasyon Sensörüne Yönelik Radyasyon Testi ve Ölçüm Sonuçları .............................................................................................. 70 xii 4.2.3. Nükleer Radyasyona Duyarlı Alan Etkili Transistör Tipi Radyasyon Sensörlerine Yönelik Radyasyon Testi Ve Ölçüm Sonuçları ................ 73 4.2.3.1. Oksit Tabaka Kalınlığı 40 nm Olan Nükleer Radyasyona Duyarlı Alan Etkili Transistör Tipi Radyasyon Sensörü İçin Radyasyon Testi Sonuçları…………….…...……………………………………….…...…74 4.2.3.2. Oksit Tabaka Kalınlığı 60 nm Olan Nükleer Radyasyona Duyarlı Alan Etkili Transistör Tipi Radyasyon Sensörü İçin Radyasyon Testi Sonuçları …...……….…...…………………………………………....…82 4.2.3.3. Oksit Tabaka Kalınlığı 100 nm Olan Nükleer Radyasyona Duyarlı Alan Etkili Transistör Tipi Radyasyon Sensörü İçin Radyasyon Testi Sonuçları ……...…...………………………………….………….…...…90 4.2.3.4. Nükleer radyasyona Duyarlı Alan Etkili Transistör Tipi Radyasyon Sensörlerinden Alınan Sonuçların Değerlendirilmesi…..98 5. YORUM ...................................................................................................... 101 6. KAYNAKLAR .............................................................................................. 107 EKLER ............................................................................................................ 118 EK 1 – Tezden Türetilmiş Bildiriler ............................................................. 118 EK 2 – RADFET VT01 Radyasyon Sensörünün Veri Föyü (Datasheet) ..... 118 ÖZGEÇMİŞ .................................................................................................... 126 xiii ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1. a) n tipi alan etkili transistör, b) p tipi alan etkili transistör [51] .......... 12 Şekil 2.2. a) çift kutup yüzeyli transistör, b) metal oksit yarı iletken alan etkili transistör [52, 53] ...................................................................................... 13 Şekil 2.3. a) n-tipi çoğalan metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısı, b) p-tipi çoğalan metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısı, c) n-tipi azalan metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısı, d) p-tipi azalan ) metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısı [56] ............................. 13 Şekil 2.4. Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin a) üstten, b) yandan ve c) alttan görüntüsü ......................... 14 Şekil 2.5. Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısında radyasyon sebebiyle oluşan yükler ............................................................................. 15 Şekil 2.6. Uydu alt sistemleri [65] ..................................................................... 17 Şekil 2.7. Uydu yörüngeleri [66] ....................................................................... 18 Şekil 2.8. Elektromanyetik dalga enerji dağılımı (spektrum) [69] ...................... 19 Şekil 2.9. Yüksek enerjili parçacıkların metal oksit yarı iletken yapısında yarattığı radyasyon etkileri (TID: toplam iyonize doz, DD: yer değiştirme hasarı, SEE: tekil olay etkileri) ....................................................................................... 23 Şekil 2.10. Toplam iyonize dozun metal oksit yarı iletken alan etkili transistör üzerindeki etkisi [80] ................................................................................. 24 Şekil 2.11. Parçacıkların yarattığı yer değiştirme hasarı etkileri [81] ................ 26 Şekil 3.1. Tedarik edilen tarihçeli RADFET VT01 sensörü [87] ........................ 29 Şekil 3.2. Radyasyon sebebiyle RADFET sensörünün eşik voltaj değerinin artması [88] ............................................................................................... 30 Şekil 3.3. Tedarik edilen tarihçeli FGDOS sensörünün çalışma prensibi ......... 31 Şekil 3.4. Bu tez kapsamında geliştirilmiş olan radyasyon dedektörünün çalışma prensibi ..................................................................................................... 32 Şekil 3.5. LT3085 akım kaynağının blok diyagramı ve uygulama şeması [93] . 33 Şekil 3.6. LT3085 akım kaynağının sıcaklığa bağlı akım graği [93].................. 34 Şekil 3.7. REF200 akım kaynağının fonksiyonel blok diyagramı [94] ............... 35 Şekil 3.8. REF200 akım kaynağının sıcaklığa bağlı akım graği [94] ................. 35 Şekil 3.9. INA159 pin konfigürasyonu [95] ....................................................... 36 Şekil 3.10. LTC2404 analog-dijital çeviricinin fonksiyonel blok diyagramı [96] . 37 xiv Şekil 3.11. LTC2404 analog-dijital çeviricinin sıcaklığa bağlı hata oranı [96] ... 38 Şekil 3.12. Bu tez kapsamında üretmiş olduğumuz radyasyon dedektörünün önden çekilmiş fotoğrafı............................................................................. 39 Şekil 3.13. a) Alüminyum plakalarla kalkanlanmış olan dedektörün önden görünüşü, b) kalkanlanmış dedektörün üstten görünüşü ........................... 40 Şekil 3.14. a) Kavramsal uydu modeli üzerinde tanımlanan silisyum nokta dedektörleri (D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9, D10, D11, D12, D13), b) uydunun kesit görüntüsü ........................................................................... 41 Şekil 3.15. a) TAEK SANAEM gama ışınlama tesisi, b) tesis içerisinde yer alan Co-60 radyasyon kaynağı [99] ................................................................... 42 Şekil 3.16. TAEK SANAEM'de gerçekleştirilen radyasyon testinin krokisi ........ 43 Şekil 3.17. Radyasyon test sehpası ve test kutusu ........................................... 44 Şekil 3.18. a) Test kutusunun Co-60 radyasyon kaynağına göre konumu, b) Co- 60 radyasyon kaynağı ............................................................................... 45 Şekil 3.19. a) Alenin dozimetreleri, b) dedektörün güç kabloları ile enerji verilerek çalıştırılmış hali .......................................................................................... 46 Şekil 4.1. Radyasyon analiz programından alınan ekran görüntüleri, a) uydunun yapısal görüntüsü , b) uydunun iskelet görüntüsü ..................................... 48 Şekil 4.2. Tedarik edilen tarihçeli FGDOS içerisinde yer alan Sensör 0’a ait ölçüm sonuçları .................................................................................................... 68 Şekil 4.3. Tedarik edilen tarihçeli FGDOS içerisinde yer alan Sensör 1’e ait ölçüm sonuçları .................................................................................................... 69 Şekil 4.4. Tedarik edilen tarihçeli RADFET sensörüne ait ölçüm sonuçları (ilk ışınlama) .................................................................................................... 71 Şekil 4.5. Tedarik edilen tarihçeli RADFET sensörüne ait ölçüm sonuçları (ikinci ışınlama) .................................................................................................... 72 Şekil 4.6. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ilk ışınlama) .......... 75 Şekil 4.7. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ilk ışınlama) .................................................................................................... 77 xv Şekil 4.8. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ikinci ışınlama) ................................................................................................... 79 Şekil 4.9. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ikinci ışınlama) ................................................................................................... 81 Şekil 4.10. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ilk ışınlama) ................................................................................................... 83 Şekil 4.11. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ilk ışınlama) ................................................................................................... 85 Şekil 4.12. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ikinci ışınlama) ................................................................................................... 87 Şekil 4.13. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ikinci ışınlama) ................................................................................................... 89 Şekil 4.14. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ilk ışınlama) ................................................................................................... 91 Şekil 4.15. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ilk ışınlama) ................................................................................................... 93 Şekil 4.16. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ikinci ışınlama) ................................................................................................... 95 Şekil 4.17. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ikinci ışınlama) ................................................................................................... 97 xvi ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 4.1. Uydu yörünge parametreleri ......................................................... 47 Çizelge 4.2. 0,5 mm kalınlığa sahip PMMA için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ......................................................................................... 49 Çizelge 4.3. 1 mm kalınlığa sahip PMMA için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ......................................................................................... 50 Çizelge 4.4. 2 mm kalınlığa sahip PMMA için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ......................................................................................... 50 Çizelge 4.5. 3 mm kalınlığa sahip PMMA için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ......................................................................................... 51 Çizelge 4.6. 4 mm kalınlığa sahip PMMA için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ......................................................................................... 52 Çizelge 4.7. 5 mm kalınlığa sahip PMMA için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ......................................................................................... 52 Çizelge 4.8. 0,5 mm kalınlığa sahip SiO2 için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................................... 53 Çizelge 4.9. 1 mm kalınlığa sahip SiO2 için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................................... 54 Çizelge 4.10. 2 mm kalınlığa sahip SiO2 için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................................... 55 Çizelge 4.12. 4 mm kalınlığa sahip SiO2 için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................................... 56 Çizelge 4.13. 5 mm kalınlığa sahip SiO2 için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................................... 57 Çizelge 4.14. 0,5 mm kalınlığa sahip alüminyum (Al) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ....................................................................... 58 Çizelge 4.15. 1 mm kalınlığa sahip alüminyum (Al) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ................................................................................... 58 Çizelge 4.16. 2 mm kalınlığa sahip alüminyum (Al) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ................................................................................... 59 Çizelge 4.17. 3 mm kalınlığa sahip alüminyum (Al) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları ................................................................................... 60 xvii Çizelge 4.18. 4 mm kalınlığa sahip alüminyum (Al) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................. 60 Çizelge 4.19. 5 mm kalınlığa sahip alüminyum (Al) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................. 61 Çizelge 4.20. 0,5 mm kalınlığa sahip kurşun (Pb) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................. 62 Çizelge 4.21. 1 mm kalınlığa sahip kurşun (Pb) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................. 63 Çizelge 4.22. 2 mm kalınlığa sahip kurşun (Pb) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................. 63 Çizelge 4.23. 3 mm kalınlığa sahip kurşun (Pb) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................. 64 Çizelge 4.24. 4 mm kalınlığa sahip kurşun (Pb) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................. 65 Çizelge 4.25. 5 mm kalınlığa sahip kurşun (Pb) için elde edilen toplam iyonize doz analiz sonuçları .................................................................................. 65 Çizelge 4.26. Tedarik edilen tarihçeli FGDOS içerisinde yer alan Sensör 0’a ait ölçüm sonuçları ......................................................................................... 68 Çizelge 4.27. Tedarik edilen tarihçeli FGDOS içerisinde yer alan Sensör 1’e ait ölçüm sonuçları ......................................................................................... 69 Çizelge 4.28. Tedarik edilen tarihçeli RADFET sensörüne ait ölçüm sonuçları (ilk ışınlama) ................................................................................................... 71 Çizelge 4.29. Tedarik edilen tarihçeli RADFET sensörüne ait ölçüm sonuçları (ikinci ışınlama) ......................................................................................... 72 Çizelge 4.30. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ilk ışınlama) ................................................................................................... 75 Çizelge 4.31. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ilk ışınlama) ............................................................................................... 77 Çizelge 4.32. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ikinci ışınlama) .......................................................................................... 79 xviii Çizelge 4.33. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ikinci ışınlama) ........................................................................................... 81 Çizelge 4.34. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ilk ışınlama) .................................................................................................... 83 Çizelge 4.35. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ilk ışınlama) ............................................................................................... 85 Çizelge 4.36. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ikinci ışınlama) ........................................................................................... 87 Çizelge 4.37. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ikinci ışınlama) ........................................................................................... 89 Çizelge 4.38. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ilk ışınlama) .................................................................................................... 91 Çizelge 4.39. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ilk ışınlama) ............................................................................................... 93 Çizelge 4.40. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (10 A, ikinci ışınlama) ........................................................................................... 95 Çizelge 4.41. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörüne ait ölçüm sonuçları (100 A, ikinci ışınlama) ........................................................................................... 97 Çizelge 4.42. Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin 10 A ile ölçülen eşik gerilimindeki kayma miktarları (ΔV) ... 98 Çizelge 4.43. Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin 100 A ile ölçülen eşik gerilimindeki kayma miktarları (ΔV) . 99 xix SİMGELER VE KISALTMALAR Simgeler ADC Analog Dijital Çevirici Co – 60 Kobalt – 60 COTS Hazır Raf Ürünü DC – DC Direkt Akım – Direkt Akım Çevirici e- Elektron ESCC European Space Components Coordination Gy Gray HI Ağır iyon (Heavy Ion) MOS Metal Oksit Yarı İletken p+ Proton PMMA Polimetil Metakrilat rad rad (maruz kalınan radyasyon birimi) Radhard Radyasyon Dayanımlı SANAEM Sarayköy Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi SPU Sinyal İşleme Birimi Vth Eşik Gerilimi Kısaltmalar BJT Çift Kutup Yüzeyli Transistörleri DD Yer Değiştirme Hasarı (Displacement Damage) DIP Çift Sıra Uçlu Paket EM Elektromanyetik ESD Elektrostatik Deşarj (Boşalma) FGDOS Floating Gate Dosimeter GCR Galaktik Kozmik Radyasyon (Galactic Cosmic Ray) xx GEO Yer Sabit Yörünge (Geostationary Orbit) HEO Yüksek Eliptik Yörünge (Highly Elliptical Orbit) LEO Alçak Dünya Yörüngesi (Low Earth Orbit) MEMS Mikro Elektro Mekanik Sistemler MEO Orta Dünya Yörüngesi (Medium Earth Orbit) MLI Çok Katmanlı Yalıtım Battaniyesi NürFET Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör RADFET Radiation Sensing Field Effect Transistor SEE Tekil Olay Etkileri (Single Event Effects) SEP Güneş Kaynaklı Enerjik Parçacıklar TID Toplam İyonize Doz (Total Ionizing Dose) UART Haberleşme protokolü (universal asynchronous receiver – transmitter) 1 1. GİRİŞ Uzamsal boyutlarından en az birinin 1 nm ile 100 nm aralığında olduğu yapıların üretilmesi ve geliştirilmesi amacıyla yapılan çalışmalar nanoteknoloji olarak adlandırılmaktadır. Malzemeler, küçük boyutlarda yığın hallerine göre farklı (fonksiyonel) özellikler göstermektedir. Malzemelerin göstermiş olduğu bu özelliklerinden çeşitli alanlarda faydalanılmakta ve özellikle elektronik, kimya, enerji, savunma sanayi, medikal vb. uygulamalara yönelik olarak birçok teknolojik gelişme olmaktadır [1, 2]. Nanoteknoloji alanında yapılan çalışmalar ve yatırımlar sürekli olarak artmaktadır. Küresel çapta, 2000 yılında nanoteknoloji ile ilişkili ürünlerin pazar büyüklüğü yaklaşık 30 Milyar Amerikan Dolarıyken, 2008 yılında yaklaşık 200 Milyar Amerikan Dolarına ulaşmıştır. Nanoteknoloji ile alakalı ürünlerin Pazar büyüklüğünün 2020 yılı itibarıyla yaklaşık 3 Trilyon Amerikan Dolarına ulaşacağı öngörülmektedir [3, 4]. Malzemelerin nano boyutlarda, yığın hallerine göre fonksiyonel/farklı özellikler (fiziksel, optik, mekanik, elektronik, kimyasal ve manyetik) göstermelerinden ötürü, nanoteknoloji birçok alanda çok önemli avantajlar sunmaktadır. Nanoteknolojinin sunmuş olduğu birçok avantaj sadece laboratuvar ortamında değil artık gündelik hayatta da çok rahatlıkla görülebilmekte ve kullanılabilmektedir. Daha küçük boyutlara sahip ve daha az enerji tüketen bileşenler ve cihazlar, çok daha fazla kapasiteli ve hızlı çalışan bilgisayarlar, daha hafif ve daha sağlam yapılar, yenilikçi biyomedikal yaklaşımlar/uygulamalar nanoteknolojinin insan hayatına katkıda bulunduğu alanlardan sadece bazılarıdır [5]. Küçük boyutlarda çalışabilmenin sunmuş olduğu avantajların en başında hiç kuşkusuz yarı iletken teknolojisi gelmektedir. Gelişen yarı iletken teknolojisi, küçük boyutlarda üretilen malzemelerin veya elektronik bileşenlerin boyutlarının sürekli daha da küçülmesini, daha az enerji tüketmesini ve daha fazla işlem kapasitesine sahip olmalarını sağlamaktadır. 1960’lı yıllardan günümüze dek olan sürede elektronik bileşenlerin en sık kullanılan örneklerinden olan transistörlerin de boyutları sürekli olarak küçülmektedir. Moore Yasası’na göre bir mikro işlemci/entegre devre (integrated circuit) içerisindeki transistör sayısı yaklaşık her 24 ayda bir 2 katına çıkmaktadır [6]. Hem transistör boyutlarının 2 küçülmesi hem de daha fazla transistör sayılarına ulaşılması entegre devrelerin daha hızlı ve daha küçük boyutlarda yapılabilmesini mümkün kılmaktadır. 1960’lı yıllarda yaklaşık olarak 50 m olan yarı iletken litografi işleme teknolojisi (semiconductor lithography processing technology), 2019 yılı itibarıyla ticari olarak yaklaşık 5 nm’ye ulaşmıştır. Boyutların küçülmesi birim alanda daha fazla transistör kullanılabilmesini, dolayısıyla bu durum da daha hızlı çalışan entegre devrelere sahip olmayı sağlamıştır. Yaklaşık olarak 50 m’den başlayıp 5 nm’ye ulaşan transistör teknolojisi boyutu (process node/technology node), transistörlerin içerisinde yer alan kapı/geçit (gate) uzunluğunu veya kaynak (source) ile akaç/oluk (drain) arasındaki mesafeyi temsil etmektedir. 2023 yılında bu mesafenin yaklaşık olarak 3 nm civarına ulaşacağı öngörülmektedir. 1970’lı yıllarda bir mikro işlemci (entegre devre) içerisinde yaklaşık olarak 2.250 transistör varken (Intel 4004), günümüz mikro işlemcilerinde (entegre devrelerdeki) transistör sayısı 10 milyarı (109) geçmiş durumdadır [7, 8]. Bu amaçla, bu doktora tezinde uydu/uzay uygulamalarına yönelik olarak kullanılabilecek, üzerinde nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistörü tipi radyasyon sensörlerinin kullanıldığı bir radyasyon dedektörünün tasarımı, üretimi ve test edilmesi süreçleri gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, farklı oksit tabaka kalınlıklarına sahip (40 nm, 60 nm ve 100 nm) nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistörü tipi sensörlerin radyasyon altındaki performansları gerçek zamanlı olarak incelenmiştir. Maruz kalınan radyasyon dozunun ölçülebilmesini sağlayan kısımlar, nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistörü tipi sensörün içerisinde yer alan oksit tabaka kısımlarıdır. Sensörler radyasyona maruz kaldıkça, oksit tabakada meydana gelen (radyasyon sebebiyle oluşan) yükler, sensörün eşik (threshold) voltaj (gerilim) değerinin kaymasına neden olmaktadır. Maruz kalınan radyasyon dozu, eşik voltaj değerindeki kayma miktarı ile doğru orantılı olduğu için, eşik voltaj değerinin ölçülmesi ile maruz kalınan radyasyon doz seviyesi tespit edilebilmektedir. Deneyler sonunda, nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistörü tipi radyasyon sensörlerinin başarılı şekilde kullanıldığı bir radyasyon dedektörü üretilip verimli bir şekilde çalıştırılmıştır. Uzayda yer alan her türlü bileşen yoğun bir radyasyona maruz kalmaktadır dolayısıyla özellikle elektronik ekipmanlar için radyasyon dozunun tespiti ve takip edilmesi çok büyük önem arz etmektedir. 3 Elektronik ekipmanların uzayda maruz kalacakları radyasyon doz seviyeleri, uydu dış yüzey malzemesi ile ilişkilidir. Maruz kalınacak radyasyon doz seviyelerinin, uydu dış malzeme türüne (dış panellere) göre değişmesinden ötürü, farklı malzeme türleri ve faklı kalınlıklara göre, maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyelerinin belirlenmesi amacıyla radyasyon analizleri de bu tez kapsamında ayrıca gerçekleştirilmiştir. Dış panel malzemesi olarak uydu teknolojilerinde kullanılan veya kullanılabilecek, polimetil metakrilat (PMMA), silisyum dioksit (SiO2- quartz cam), alüminyum (Al) ve kurşun (Pb) malzemeleri özelinde radyasyon simülasyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu dört malzemenin, farklı kalınlıklarda (0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm) kullanıldığı kavramsal bir uydu modeli oluşturulmuştur. Bu uydu modeli üzerine, uydunun hem iç hem de dış yüzeyinde olacak şekilde silisyum nokta dedektörleri tanımlanmıştır/atanmıştır. Bu noktaların herbiri için radyasyon analizleri yapılarak maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyesi tespit edilmiştir. Bu analiz, bu tez kapsamında geliştirilen radyasyon dedektörünün, uydularda kullanılması durumunda, dedektörün maruz kalacağı radyasyon doz seviyesinin yaklaşık olarak tespit edilmesi amacıyla gerçekleştirilmiştir. 4 2. GENEL BİLGİLER 2.1. Nanoteknoloji ve Uygulama Alanları Nanoteknoloji, malzemelerin fiziksel, kimyasal, elektriksel, optik, mekanik ve manyetik özelliklerinin fonksiyonel amaçlarla birçok farklı şekilde kullanılabilmesini mümkün kıldığı için pek çok alanda yenilikçi fırsatlar sunmaktadır. Biyomedikal ve tıp, gıda, biyoteknoloji, tarım, havacılık ve uzay, elektronik ve bilgisayar, enerji ve çevre, tekstil, askeri vb. alanlar, bu fırsatlardan kuşkusuz en fazla faydalanan ve faydalanacak olan alanlar olmaktadır. Özellikle tıp, biyoloji, kimya ve biyoteknoloji uygulamalarda tespit, teşhis ve/veya tedavi gibi uygulamalar amacıyla kullanılan nano boyuttaki yapılar “nanosensör” olarak da tanımlanmaktadır [9]. Nanoteknolojinin sağlık ve tıp alanlarındaki uygulamaları genel olarak “nanotıp” adı altında toplanmaktadır. Bu amaçla halihazırda kullanılan klasik yöntemlerle tespiti, teşhisi ve/veya tedavisi mümkün olmayan hastalıklar için nanoteknolojinin sunmuş olduğu avantajlar umut vadetmektedir. İlaç ve gen taşınımı, tespit ve teşhis/tanı, yara ve anti-bakteriyel tedaviler, hücre ve DNA tedavisi/yenilenmesi vb. alanlarda nano boyuttaki malzemelerin sunmuş olduğu olanaklardan faydalanarak çeşitli çalışmalar ve uygulamalar yapılmaktadır [10, 11]. Nanoteknoloji gıda endüstrisi için de, gıdanın nasıl büyütüleceğinden, nasıl paketleneceğine kadar birçok farklı alanda çeşitli olanaklar sunmaktadır. Nanoparçacıkların fonksiyönel özellikleri sayesinde kaplama ve ambalajlar daha hafif olabilmektedir. Paketlerin içerisinde kullanılacak nanoparçacıklar sayesinde bakterilerin çoğalmasının ve yaşamasının önüne geçilebilecektir veya paketlemede kullanılacak nanoparçacıklar ile, gıdaların bozulması ve kuruması gibi sorunlar ortadan kalkabilecektir [12, 13]. Nanoteknoloji enerji sektörü için de birçok olanak sunmaktadır. Bunlar, batarya (pil), yakıt hücreleri, güneş hücreleri ve yakıt olmak üzere 4 ana başlık altında incelenebilir. Yakıt hücrelerinde katalizör olarak nanoparçacıklar kullanılmaktadır ve bu da maliyetlerin azalmasını sağlamaktadır. Standart bataryalarda (pillerde) kullanılan elektrotların nanoparçacıklar ile kaplanmış halleri, pillerin daha hafif, daha uzun ömürlü ve daha hızlı şarj olmasını sağlamaktadır. Pillerin uç kısımlarında nanotüplerin kullanılması dendrit yapıların oluşumunu engellemekte 5 ve bu sayede pillerin daha yüksek kapasiteli ve daha hızlı şarj edilebilir olması sağlanmaktadır. Ayrıca silisyumla kaplanmış karbon nanotüpler, grafen kafesli silisyum nanoparçacıklar, azot ile katkılanmış karbon nanotüpler pillerin hem daha fazla kapasiteli hem de daha uzun süre kullanılabilir olmasını sağlamaktadır., Karbon nanofiberlerin kullanımı sayesinde klasik lityum-iyon pillerin 4 kata kadar daha fazla kapasiteye sahip olmaları sağlanmıştır. Yakıt hücrelerindeki iyon geçişlerinde kullanılan membranlar nanoteknoloji sayesinde daha verimli ve kullanışlı hale gelmektedir. Katalizör olarak platinin kullanımı oldukça yaygındır ve platin kullanımı maliyetin çok büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Grafen ile kaplanmış kobalt nanoparçacıkları platinin yerini almakta ve böylelikle maliyetlerin azalması hedeflenmektedir [14]. Nanoteknoloji, güneş hücrelerinin üretim maliyetinin düşmesini sağlamaktadır. Katı kristal güneş hücreleri ve panelleri yerine eğilip-bükülebilen, ince film tabanlı paneller daha düşük maliyetlerle üretilebilecektir. Kuantum noktaların kullanımı ile birlikte daha düşük maliyetle üretilmiş daha verimli hücreler elde edilebilecektir. Titanyum dioksit nanotüp gibi nano malzemeler hem maliyetlerin düşmesini hem de hücrelerden alınan verimin artmasını sağlayacaktır. Ek olarak, morötesi ışınları daha fazla emebilen (absorbe eden) gümüş nanoteller ve titanyum dioksit gibi nanoparçacıklar, görünür ışık bölgesinde saydamlık sağlaması sebebiyle cam/pencere malzemelerinin içerisinde kullanılması da mümkün olmaktadır [15]. Nanoteknoloji yakıtlardan daha verimli şekilde ve daha fazla faydalanabilmeyi, motorların daha uzun süreli şekilde işletebilmeyi ve hammaddeden daha verimli bir şekilde yakıt elde edebilmeyi mümkün kılmaktadır. Fonksiyonel hale getirilmiş nanoparçacıklar daha verimli yakıtlara sahip olmayı sağlamaktadırlar [16]. Nanoteknolojinin tekstil sektörü için de umut vaat eden uygulamaları bulunmaktadır. Bunlar, suyu tutmayan ve kirlenmeye karşı dayanıklı kumaşlar, nano gözenekli yapıları sayesinde ısı izolasyonu sağlayan ayakkabılar, gümüş nanoparçacıklar sayesinde bakterileri öldürebilen kumaşlar olarak sıralanabilir. Ek olarak, çeşitli kimyasallara karşı dayanıklı, güneş hücresi özelliğine sahip, enerji üretip depolayabilen kıyafetlerin/kumaşların üretilmesi de mümkün olabilecektir [17 – 19]. Hava ve suyu arıtma/temizleme amacıyla filtre görevi görecek nanomalzemeler, nanoteknolojinin sunmuş olduğu bir diğer avantaj ve uygulama alanıdır. Havayı 6 daha temiz bir hale getirmek amacıyla, temizleme veya filtreleme işlemlerinde kullanılacak nanoparçacıklar, karbon dioksiti hapseden nano gözenekli kristal yapıya sahip malzemeler, sigaradan ortaya çıkan azot oksit dumanını/gazını tutan malzemeler geliştirilmekte ve üretilmektedir. Suyu arıtma ve kalitesini arttırmaya yönelik olarak ise, ağır metalleri ve yağı temizleyebilen filtreler, karbon dioksiti sudan temizlemek amacıyla enzimle fonksiyonelleştirilmiş nanomalzemeler geliştirilmekte ve üretilmektedir [20, 21]. Nanoteknoloji kimyasal ve biyolojik sensörlerin de gelişimine katkıda bulunmaktadır. Fonksiyonelleştirilmiş nanoyapılar/nanoparçacıklar çok küçük miktardaki kimyasal veya biyolojik içerikleri tespit edebilmektedirler. Birkaç gaz molekülü bile nanotıp, nanotel ve nanoparçacıklar gibi nano boyuttaki yapılar ile çok rahatlıkla tespit edilebilmektedirler. Tespit mekanizması, moleküllerin nano boyuttaki malzemelerle etkileşime girdiklerinde malzemelerin elektriksel karakteristiklerini değiştirmelerine dayanmaktadır. Özellikle güvenlik uygulamalarına yönelik olarak kullanılabilecek bu sensörler, uyuşturucu ve patlayıcıların tespitinde kullanılabilecektir. Karbon nanotüpler ile patlayıcıların tespiti yapılabilmektedir. Buna ek olarak, kandaki azot oksit seviyesinin tespiti de karbon nanotüpler ile yapılabilmektedir. Kandaki azot oksit seviyesinin iltihaplanma ile ilişkili olması sebebiyle tespiti önem arz etmektedir [22 – 25]. Nanoteknoloji uzay uygulamalarına yönelik olarak umut vaat eden imkanlar sunmaktadır. Karbon nanotüplerin kullanımı, malzemeleri hem daha hafif hem de daha sağlam hale getirdiği için hem fırlatma masrafları düşecek hem de mukavemeti daha yüksek uzay araçlarına sahip olma yeteneği kazanılacaktır. İçerisinde biyo-nano robotların olduğu uzay kıyafetleri sayesinde astronotların hem uzay çevre koşullarından en az şekilde etkilenmesi hem de olası bir tehlike durumunda bu robotların astronotları uyarması ve çeşitli etkilere karşı korumaları mümkün olabilecektir. Uzay ortamında sürtünmenin olmaması ve düşük yer çekimi sebebiyle, hareket kabiliyeti “iticiler” sayesinde olmaktadır. Mikro elektromekanik sistemler (MEMS) aygıtları ile nanoparçacıkların püskürtülerek itici olarak kullanıldığı sistemler uzay araçları için ek bir kabiliyet yeteneği sunmaktadır. Böylelikle iticilerin hem daha uzun ömürlü olması hem de daha düşük maliyetle üretilebilmesi sağlanacaktır. İçerisinde karbon nanotüplerin kullanıldığı güneş yelkenleri sayesinde, güneş ışığıyla hareket edebilen uzay 7 araçlarındaki hayati öneme sahip sistemlerin ve durumların nanosensörler sayesinde incelenmesi hedeflenmektedir [26, 27]. Nanoteknolojinin elektronik uygulamalarına yönelik olarak birçok örneği bulunmaktadır. Gelişen malzeme ve üretim teknolojileri sayesinde elektronik bileşenlerin performanslarının artması ile birlikte hem daha hafif hem de daha az enerji tüketen sistemleri üretmek mümkün olmaktadır. Mikroişlemciler içerisinde kullanılan transistör boyutlarının sürekli olarak küçülmesiyle aynı hacimde daha fazla işlem yapabilme kabiliyetinin artması bunlara örnek olarak verilebilir. Bu sayede daha hafif, daha ince, daha az güç tüketen elektronik bileşenler yapmak mümkün olmaktadır. Kadmiyum selenür nano kristallerin kullanıldığı eğilip/bükülebilen elektronik devreler, optik performansı arttıran nano parçacıkların kullanıldığı entegre devreler, daha az güç tüketen nano mıktanıslar, nanoparçacıkların kullanıldığı baskı devre kartları, daha küçük boyutlarda üretim yapılabilmesini sağlayan transistörler, uzay ortamı gibi zorlayıcı stres koşullarına dayanıklı nanoparçacıkların kullanıldığı elektronik bileşenler, nanoparçacıkların kullanıldığı daha ince, daha dayanıklı ve eğilip bükülebilen elektronik paneller/ekranlar, organik moleküller ile beraber altın nanoparçacıkların kullanıldığı yeni nesil transistörler vb., nano boyuttaki malzemeler sayesinde üretilebilen elektronik bileşenlere/ürünlere örnek olarak verilebilir [28 – 31]. 2.2. Nanofabrikasyon Üretim Teknikleri Nano veya mikro boyutta üretim aşamasında birçok farklı üretim tekniğinden faydalanılmaktadır. Bu tekniklerin belirli defalar tekrarlanarak uygulanmasıyla küçük boyutlarda yapılar/bileşenler yapılabilmektedir. Bu teknikler, levhanın temizlenmesi (wafer cleaning), kullanılan fotorezistin UV ışık ile işlenmesi (fotolitografi), katman büyütmek veya p/n kanallarını katkılamak için katkılama işlemleri (doping), katman aşındırmak veya kanal açmak için aşındırma (etching) işlemleri şeklinde özetlenebilir [32]. 2.2.1. Levhanın Temizlenmesi Üretim süreci, ilk olarak kullanılacak olan levhanın (wafer) temizlenmesi ile başlamaktadır. Levha temizleme (cleaning) işleminin amacı, mikro/nano boyutta hataya veya istenmeyen bir yapıya sebep olabilecek, levha üzerinde herhangi bir kalıntının olmamasını sağlamaktır. Bu amaçla, levha üretim döngüsü öncesi 8 temizlenir. Temizleme işlemi, kullanılan temizleyiciye göre kuru temizleme (dry cleaning) veya ıslak temizleme (wet cleaning) olarak yapılabilmektedir. Kuru temizleme, oksijen ve argon plazma ortamlarında istenilmeyen yüzeylerin veya yapıların kaldırılması işlemidir. Islak temizleme ise, H2O: H2O2: NH4OH, H2O:H2O2:HCl, DI-H2O:HF gibi çözeltiler ile levha üzerinde kalan organik, iyonik ve metalik kalıntıların temizlenmesi işlemidir [33]. 2.2.2. Fotolitografi Üretim sürecinin bir sonraki basamağı olarak fotolitografi gelmektedir. Fotolitografi levhanın/malzemenin ışığa duyarlı bir malzeme ile ince film şeklinde kaplanması, ardından levhanın maske aracılığuyla morötesi (UV) ışığa maruz bırakılması ve böylelikle levha üzerinde belirli desenlerin oluşturulmasıdır. Fotorezistin malzeme türüne göre, UV ışığa maruz kalan kısım yüzeyde kalmıyorsa (yok oluyorsa veya yapısı bozuluyorsa) pozitif fotorezist, UV ışığa maruz kalan kısım yüzeyde kalıyorsa negatif fotorezist olarak adlandırılmaktadır. Fotolitografi basamağında istenilen şekilde yapıların oluşturulması ve işlenmesi ile ilgili bölgelerde katman büyütme/katkılama gibi işlemler yapılabilmektedir [34]. 2.2.3. Katman Büyütme/Katkılama Üretim basamağının bir diğer adımı olarak katman büyütme/katkılama (deposition/growth) işlemi gelmektedir. Bu basamakta, yarı iletken, yalıtkan (dielektrik) ve metal kontak alma amacıyla ilgili katmanlar oluşturulur. Katman katkılama veya büyütme işlemleri, fiziksel ve kimyasal reaksiyonlara göre iki grupta incelenebilir. Fiziksel reaksiyonlar sonucu malzeme büyütmesi yapılan teknikler, fiziksel buhar biriktirme olarak adlandırılmaktadır. Püskürtme (sputtering) ve buharlaştırma (evaporation) gibi teknikler fiziksel buhar biriktirme yöntemlerinin en sık kullanılan çeşitlerindendir. Kimyasal reaksiyonlar sonucu malzeme büyütme yapılan teknikleri, kimyasal buhar biriktirme, epitaksi (epitaxy) ve termal oksidasyon (thermal oxidation) şeklinde sıralanabilir. Düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirme, (plazma çoğaltmalı) kimyasal buhar biriktirme bu tekniğin en sık kullanılan çeşitlerindendir [35]. 9 2.2.4. Aşındırma Üretim basamaklarının bir diğeri ise aşındırma (etching) işlemidir. Aşındırma işlemleri kuru (dry) ve ıslak (wet) aşındırma olarak iki gruba ayrılır. Kuru aşındırma (dry etching) olarak plazma aşındırması (plasma etching), reaktif iyon aşındırması (reactive ion etching-RIE) ve derin reaktif iyon aşındırması (deep reactive ion etching-DRIE) gibi teknikler kullanılmaktadır. Islak aşındırma (wet etching) işlemleri ise kimyasal solüsyonlar kullanılarak yapılan aşındırma işlemidir [36, 37]. 2.3. Radyasyon Sensörleri/Dedektörleri Radyoaktivitenin varlığı 1896 yılında ünlü Fransız Fizikçi Henri Becquerel tarafından keşfedilmiştir. Becquerel, o tarihte radyoaktivitenin varlığını radyasyona duyarlı cam levhalar sayesinde keşfetmiştir [38]. Günümüzde artık bu cam levhalar yerine radyasyona (ışığa) duyarlı filmler kullanılmaktadır. Radyasyonun varlığı bu levhalar veya filmler sayesinde tespit edilebildiği için, bu levhaların veya filmlerin bir nevi radyasyon dedektörü olduğunu söylemek de mümkündür. Radyasyona duyarlı bu filmlerden gündelik uygulamalarda (hastanelerde Röntgen çektirirken veya parçacık hızlandırıcı laboratuvarlarında) hala faydalanılmaktadır. Radyasyonun veya radyoaktivitenin varlığı bu gibi filmler ile ispatlanabilir fakat kaynakların sayısal olarak ne düzeyde radyasyona sahip oldukları hakkında çok detaylı bilgi vermemektedirler. Bu sebeple, farklı amaçlar için ve farklı yaklaşımlarla üretilmiş olan radyasyon dedektörleri geliştirilmiştir. Radyasyon dedektörleri, beş (5) ana başlık altında incelenebilir. Bunlar, gaz doldurulmuş dedektörler (gas-filled detectors), ışıldama/parıldama (sintilasyon) dedektörleri (scintillation dedectors), termolüminesans dedektörleri (thermoluminescent detectors), fotografik film dedektörleri (photographic films) ve katı hal/yarı iletken dedektörleri (solid state/semiconductor detectors) olarak sıralanabilir [39 – 41]. Gaz doldurulmuş dedektörlerin çalışma prensibi, içi gaz dolu (genellikle hava, argon, helyum vb. gazlar) olan bir kabın radyasyona maruz kaldığında, gaz içerisinde meydana gelen iyonik değişimlerin tespit edilmesi mantığına dayanır. Temel olarak, radyasyon gaz içerisinden geçerken iyon (+ yüklü) ve elektron (- yüklü) çiftleri oluşturur. Oluşan bu yükler iyonizasyon akımı denilen bir akım 10 oluşturur ve bu akımın büyüklüğü maruz kalınan radyasyon ile orantılıdır. Gaz doldurulmuş dedektörler, iyonlaşma haznesi/odası (ionization chamber), orantılı sayaçlar (proportional counters) ve Gieger-Müller dedektörleri olmak üzere üç (3) alt başlıkta incelenebilir. İyonlaşma haznesi/odası tipi dedektörler içerisinde genellikle gaz olarak hava bulunur. Radyasyon, gazın bulunduğu hazneden geçerken iyonlaştırma akımı yaratır ve bu akım direkt olarak maruz kalınan dozun ölçülmesini mümkün kılar. Orantılı sayaçlar tipi dedektörler ise, iyonlaşma haznesi/odası tipi dedektörlere göre daha yüksek voltaj altında çalışır. Alfa ve beta parçacık radyasyonunun ayrı ayrı tespit edilebilmesini sağlar. Gieger-Müller tipi dedektörler ise daha yüksek voltaj altında çalışan aslında iyonlaşma hazneleri/odalarıdır. Düşük enerjili X ve gama ışınları ve iyonlaşma enerjisi az olan yüklü parçacıkların tespitinde kullanılır fakat parçacık tipi ve yoğunluğu hakkında ayrıntılı bilgi sağlamaz [42 – 44]. Işıldama/parıldama dedektörlerin çalışma prensibi, malzemelerin radyasyona maruz kaldıklarında yaydıkları ışığın tespitine dayanır. Radyasyona maruz kaldığında radyasyon ile orantılı olarak ışık yayabilen malzemeler, radyasyonun tipi ve yoğunluğuna göre ışık yayar. Bu ışık, foto çoğaltıcı tüpler ile (photomultiplier tube) beraber algılanır ve bu şekilde radyasyon miktarının ölçülmesi mümkün olur. Işık yayan malzemeler katı veya sıvı halde bulunabilir. Işık yayan malzeme katı ise, fotonlar (ışık) için tüm enerji dağılımı (spektrumu), alfa parçacıklarının da varlığı tespit edilebilir. Işık yayan malzeme sıvı ise düşük enerjili beta ve gama ışınları tespit edilebilir [45]. Termolüminesant dedektörlerin çalışma prensibi, dedektörün içerisinde yer alan kristalin, ısındığında ışık yayması prensibine dayanır. Radyasyon, dedektörün kristalinden geçerken elektronları uyarır ve uyarılmış hale (excited state) geçmelerine sebep olur. İçerisinde uyarılmış halde elektronlar bulunduğu kristal ısıtılır ve elektronlar tekrar normal hale dönerlerken ışık yayar. Foto çoğaltıcı tüpler sayesinde ortaya çıkan bu ışınlar toplanır (sayılır) ve maruz kalınan radyasyon tespit edilir. Bu dedektörün diğer detektörlerin çalışma prensiplerinden farklı olan kısmı sürecin ısı uyarımı ile başlamasıdır. Radyasyon ortamında çalışan kişiler ve radyoaktif kaynaklara sahip tesisler özelinde bu dedektörler sıklıkla kullanılmaktadır [46]. 11 Fotografik filmlerin (dedektörlerin) çalışma prensibi, radyasyona hassas film tabakasının radyasyona maruz kaldığında, üzerinde oluşturduğu izlerin incelenmesi veya tespit edilmesi mantığına dayanır. Radyasyon, film içerisinde yer alan gümüş bromür’ün kristal yapısını bozarak/değiştirerek, kristal yapı üzerinde iz bırakır. Bu izler de film yıkandığında (banyo edildiğinde), film üzerinde kararma olarak görülebilmektedir. Fotografik filmler ile genellikle alfa ve beta parçacıkları, gama ışınları tespit edilebilir [47]. Katı hal veya yarı iletken tipi radyasyon dedektörleri, radyasyona hassas olan bölgenin (veya radyasyonun ölçülmesini sağlayan bölgenin) yarı iletken tabanlı olması sebebiyle bu şekilde adlandırılmıştır. Yarı iletken katman olarak genellikle (silisyum-Si) ya da germanyum (Ge) tabanlı malzemeler kullanılmaktadır. Bu katmanlar (radyasyona hassas olan kısımlar), radyasyona maruz kaldığında yarı iletken katman içerisinde elektron-boşluk (electron-hole) çiftleri oluşur ve bu elektrik akımına sebep olur. Oluşan bu elektrik akımı maruz kalınan radyasyonla orantılı olduğundan, yarı iletken kısımda meydana gelen bu değişikliklerin kontrolü veya incelenmesi, maruz kalınan radyasyonun tespitini mümkün kılar [48]. Nanoteknoloji bu 5 ana başlık altında toplanmış olan radyasyon dedektörlerinin her biri için potansiyel olanaklar sunmaktadır. Bu dedektörlerin, radyasyonu algılarken veya ölçerken kullandıkları radyasyona hassas kısımlar, gelişen malzeme ve üretim teknolojisi sayesinde sürekli daha iyi ve daha verimli hale gelmektedir. Bu sebeple, nanoteknoloji radyasyon dedektörleri özelinde de çok önemli olanaklar sunmaktadır. Bu olanakların kullanıldığı teknikler ile üretilen sensörlerin fiziksel, kimyasal ve biyolojik açılardan çözünürlük ve tespit performansları çok daha iyi bir hale gelmektedir. Nanoteknolojinin sunduğu ve vadettiği olanak ve gelişmelere rağmen nano boyuttaki malzemelerin çevre, canlı ve insan sağlığı üzerine etkileri ise hala araştırılmaktadır [49]. 2.3.1. Metal Oksit Yarı İletken Alan Etkili Transistör Yapısı ve Çalışma Prensipleri MOSFET, metal oksit yarı iletken alan etkili transistör (metal oxide semiconductor field effect transistor) olarak adlandırılan, oksit tabakaya sahip alan etkili transistördür (field effect transistor – FET). Metal oksit yarı iletken alan etkili 12 transistörler işlevsel olarak elektronik devrelerde genellikle anahtarlama (kapatma/açma) veya devredeki gücü düzenleme/ayarlama (regüle etme) gibi amaçlar için kullanılmaktadır. Metal oksit yarı iletken alan etkili transistörlerin çalışma prensibini anlamak için öncelikle alan etkili transistörün çalışma prensibine bakmak gerekir. Alan etkili transistörü kavramı ilk defa 1925 yılında Fizikçi Julius Edgar Lilienfeld tarafından ortaya atılmıştır. İlk ortaya çıktığı yıllarda istenilen işlevselliği/performansı tam olarak sağlayamasa da yarı iletken teknolojisinin elektronik bileşen bazındaki ilk örneklerinden olması açısından oldukça önem arz etmektedir. Transistörlerin çalışma mantığı ilk olarak Bell Laboratuvarlarında çalışan Fizikçi William Shockley ve çalışma arkadaşları John Bardeen ve Walter Brattain tarafından 1940’lı yıllarda araştırılmış ve açıklanmaya çalışılmıştır. 1947 yılında transistörlerin ilk örneklerinden olarak da tanımlanabilecek olan “nokta temaslı transistörleri (point-contact transistors)”, 1948 yılında ise BJT olarak adlandırılan çift kutup yüzeyli transistörleri (bipolar junction transistors) icat etmiştir. Bu çalışmalar kapsamında, Shockley ve arkadaşları 1956 yılında Fizik alanında Nobel ödülüne layık görülmüşlerdir. 1945 yılında ise Alman Fizikçi Heinrich Welker tarafından, ilk alan etkili transistör olarak tanımlanabilecek Bağlantı Alan Etkili Transistör (junction field-effect transistor (JFET)) icat edilmiştir [50]. Şekil 2.1. a) n tipi alan etkili transistör, b) p tipi alan etkili transistör [51] Çift kutup yüzeyli transistörler akım ile çalışırken, alan etkili transistörler uygulanan gerilimin (voltajın) oluşturduğu elektrik alanı sayesinde çalışmaktadır. a) b) a) a) 13 Şekil 2.2. a) çift kutup yüzeyli transistör, b) metal oksit yarı iletken alan etkili transistör [52, 53] Alan etkili transistör gate (kapı), drain (akaç, kanal) ve source (kaynak) olmak üzere 3 ucu/ayağı bulunan devre elemanıdır. Alan etkili transistörün, çift kutup yüzeyli transistöre göre gürültü oranı (noise) daha düşüktür ve ısıya karşı daha kararlı bir yapıya sahiptirler. [54, 55]. Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör ise, alan etkili transistörün kapı (gate) olarak adlandırılan kısmı üzerinde oksit tabaka olmasından dolayı bu şekilde adlandırılmaktadır. MOSFET’ler 1959 yılında Mohamed Atalla ve Dawon Kahng tarafından icat edilmiştir. Şekil 2.3. a) n-tipi çoğalan metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısı, b) p-tipi çoğalan metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısı, c) n-tipi azalan metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısı, d) p-tipi azalan ) metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısı [56] a) b) 14 Azalan (depletion) ve çoğalan (enhancement) olmak üzere 2 farklı tip metal oksit yarı iletken alan etkili transistör vardır. Kapı ucuna pozitif voltaj uygulandığında, drain ve source uçları arasından geçen akım artarken, negatif voltaj uygulandığında akım azalır. Azalan tip metal oksit yarı iletken alan etkili transistörlerin drain ve source uçları arasında bağlantı vardır ve bu sebeple gate ucuna voltaj uygulanmasa bile, drain ve source uçları arasında bir miktar elektron akışı (akım) olur. Çoğalan tip metal oksit yarı iletken alan etkili transistörün azalan tip metal oksit yarı iletken alan etkili transistörden farkı drain ve source uçları arasında bağlantı olmamasıdır. Kapı ucuna voltaj uygulandığında drain ve source uçları arasında doğal bir kanal oluşur ve akım akmaya başlar. Dolayısıyla drain- source akımı, gate ucuna uygulanan voltaj ile kontrol edilebilir [54 – 56]. 2.3.2. Nükleer Radyasyona Duyarlı Alan Etkili Transistör ve Çalışma Prensipleri P-kanallı bir metal oksit yarı iletken alan etkili transistör olan ve nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör olarak adlandırılan radyasyon sensörleri, Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi’nde bulunan nükleer Radyasyon Dedektörleri Uygulama ve Araştırma Merkezi’nde (NÜRDAM) üretilmektedir. Türkiye’de üretilen, uzay uygulamalarına yönelik olarak da kullanılabilecek ilk sensör olması açısından nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistörler oldukça önem arz etmektedir. Şekil 2.4. Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin a) üstten, b) yandan ve c) alttan görüntüsü a) b) c) 15 Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörlerin çalışma prensibi p-kanallı metal oksit yarı iletken alan etkili transistörler ile aynıdır. Bu doktora tezinde, maruz kalınan radyasyon dozunun ölçülebilmesini sağlayan oksit tabakalar/katmanlar 40 nm, 60 nm ve 100 nm şeklinde farklı kalınlıklar ile üretilmiş ve radyasyon altındaki performansları ölçülmüştür. Şekil 2.5. Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör yapısında radyasyon sebebiyle oluşan yükler Sensör radyasyona maruz kaldığında oksit tabakada yük oluşumuna/birikimine sebep olur. Bu yük birikimi sensörün eşik voltajında kaymaya sebep olur. Eşik voltajdaki bu kayma maruz kalınan radyasyon ile orantılı olduğu için, voltaj kaymasının ölçülmesiyle maruz kalınan radyasyon dozu tespit edilebilmektedir [57 – 62]. 2.4. Uydu Teknolojileri Uydu/uzay teknolojilerinin başlangıç tarihi 1957 yılında Sovyetler Birliği’nin, dünyanın etrafını yaklaşık 90 dakikada turlayan Sputnik 1 adındaki uyduyu uzaya göndermesi olarak kabul edilmektedir. Sputnik 1 üzerinde bulunan radyo vericileri sayesinde radyo dalgaları yaymakta ve radyo dalgaları uydunun geçtiği bölgelerden algılanabilmekteydi [63]. 16 Amerika Birleşik Devletleri 1958 yılında ilk uydusunu Explorer-1’i uzay fırlattı. Bu uydu aslında işlevsellik bakımından (üzerinde bulundurduğu faydalı yükler sayesinde) Sputnik-1’den çok daha üstündü. Explorer-1 uydusu, kozmik ışın (radyasyon) ölçer, iç ve dış ortamdaki sıcaklığı ölçmek için sıcaklık sensörleri ve mikrometeoroitlerin etkilerini ölçmek amacıyla kullanılan ekipmanları içermekteydi. Explorer-1’in üzerinde taşıdığı ölçüm ekipmanları sayesinde uzay ortamı hakkında ilk defa bilgi sağlamıştı [64]. Uyduların sahip oldukları teknoloji günümüzde artık çok daha ileri düzeydedir. Uydular artık daha güvenilir ve daha sistematik bir şekilde üretilmektedir. Uydular temel olarak faydalı yük (payload) ve faydalı yükün istenilen şekilde çalışabilmesini sağlayacak olan alt sistemlerden oluşmaktadır. Bir uydudan beklenen görev (hizmet amacı), uydunun faydalı yükünü ve bu faydalı yükün istenilen şekilde çalışmasını sağlayacak alt sistemleri belirlemektedir. Uydu faydalı yükleri uydu kamerası, haberleşme antenleri, ölçüm ve analiz aygıtları gibi uydunun asıl görevini yerine getirmesini sağlayan ekipmanlardır. Uydu, yer gözlem (görüntüleme) uydusu ise faydalı yük kamera veya uydu, haberleşme uydusu ise faydalı yük antenler olmaktadır. Bunlara ek olarak, spektografik, kimyasal, manyetik, radar veya radyasyon analizi ve ölçümü yapabilen ekipmanlar da faydalı yük olarak değerlendirilmektedir. Faydalı yükün, uydu alt sistemleri ile uyumlu bir şekilde çalışması uydudan beklenen görevin yerine getirilmesi için çok önemlidir. Uydu temel olarak, güç, yörünge ve yönelim kontrol, ısıl, yapısal, uçuş bilgisayarı, elektriksel/kimyasal itki ve haberleşme alt sistemlerinden oluşmaktadır. Bu alt sistemlerin her birinin istenilen bir şekilde çalışması uydunun kendisinden beklenen görevi gerçekleştirmesi için çok önemlidir. Güç alt sistemi uydunun ihtiyaç duyduğu gücü sağlar. Bu gücü genellikle güneş panelleri aracılığıyla sağlar. Güneş panellerine ek olarak olarak, nükleer reaktörlere sahip uzay araçları da mevcuttur. Güneş’ten veya nükleer reaksiyonlar sonucu elde edilen güç uyduda yer alan pillerde depolanır. Yörünge ve yönelim kontrol alt sistemi, uydu yörüngesinin ve yöneliminin istenilen şekilde olmasını sağlar. Yörünge ve yönelim kontrol alt sistemi yıldız izler, güneş algılayıcı, manyetometre, tork çubuğu ve tepki tekeri gibi ekipmanlardan oluşur. 17 Isıl kontrol alt sistemi uydunun ısıl dengesini sağlar. Uzayda sıcaklıkların çok yüksek veya çok düşük seviyelerde olabilmesi uydular için tehdit oluşturmaktadır. Bu sebeple, ısıl dengenin sağlanması uydunun istenilen şekilde çalışabilmesi için çok önemlidir. Isıl kontrol alt sistemi, ısıtıcı, radyatör ve çok katmanlı yalıtım battaniyesi gibi bileşenlerden (multi layer insulator – MLI) oluşmaktadır. Yapısal alt sistem uydunun yapısal bütünlüğünün sağlanmasından sorumludur. Uydu yüksek irtifalara çıkarken titreşim ve şok gibi yüksek mekanik streslere maruz kalmaktadır. Uydu tasarımının bu gibi streslere dayanacak şekilde tasarlanması yapısal bütünlüğün korunması adına çok büyük önem arz etmektedir. Uçuş bilgisayarı, uydudaki tüm işlemlerin kontrol edilmesinden sorumludur. Elektriksel/kimyasal itki alt sistemi uydunun hareket edebilmesini sağlayan alt sistemdir. Uydu, elektriksel veya kimyasal tabanlı itkiler sayesinde püskürtme yaparak hareket edebilir. Maliyeti sebebiyle bu alt sistem her uyduda kullanılmayabilir. Haberleşme alt sistemi, uydunun yer istasyonu ile haberleşmesini sağlar. Bu alt sistem sayesinde uydunun aldığı veriler yer istasyonuna indirilir ve uyduya istenilen komutlar gönderilir. Şekil 2.6. Uydu alt sistemleri [65] pil termal battaniye güneş panelleri uydu yapısalı yıldız izler tepki tekeri alıcı/verici yüksek verim antenleri sensör uçuş bilgisayarı kamera anten giriş/çıkış işlemcisi 18 Uydular farklı amaçlar doğrultusunda farklı yörüngelerde çalışabilmektedir. Bunu belirleyen en önemli faktör uydunun görevidir. Temel olarak, Dünya etrafındaki yörüngeleri, alçak dünya yörüngesi, orta dünya yörüngesi, yer sabit yörünge ve yüksek eliptik yörünge) olarak 4 ana başlık altında toplamak mümkündür. Şekil 2.7. Uydu yörüngeleri [66] Alçak dünya yörüngesine genellikle fotoğraf ve video çekme amacıyla görüntüleme uyduları gönderilmektedir. Yaklaşık olarak 2.000 km irtifaya kadar gönderilen uydular bu yörüngede yer almaktadır. Orta dünya yörüngesinde navigasyon uyduları görev almaktadır. Bu yörüngenin sınırları yaklaşık olarak 10.000-20.000 km arası değişmektedir. Yer sabit yörüngede haberleşme uyduları görev almaktadır. Bu yörünge yaklaşık 36.000 km’dir ve Dünya üzerinde sürekli belirli bir bölgeye bakması sebebiyle bu şekilde adlandırılmaktadır. Yüksek eliptik yörünge ise irtifanın sürekli olarak değiştiği bir yörüngedir. Bu yörüngede bulunan uyduların irtifası 1.000 km’ye kadar alçalıp, 40.000 km’ye kadar çıkabilir. Bu yörüngeye, kapsama alanının göreceli olarak zor olduğu Rusya gibi (büyük alanı kaplayan) ülkelerin uyduları gönderilmektedir. Uydunun yörüngesi, faydalı yükü ve alt sistemleri uydudan beklenen göreve göre belirlenmektedir [65 – 68]. 2.5. Uzay Radyasyonu Radyasyon, enerjinin elektromanyetik (EM) dalgalar ya da yüksek enerjili parçacıklar şeklinde taşınımı olarak tanımlanabilir. LEO: Alçak Dünya Yörüngesi (100 – 1500 km) MEO: Orta Dünya Yörüngesi (5000 – 10.000 km) GEO: Yersabit Yörünge (36.000 km) HEO: Yüksek Eliptik Yörünge 19 Şekil 2.8. Elektromanyetik dalga enerji dağılımı (spektrum) [69] Radyasyon, “iyonize eden” ve “iyonize etmeyen” olarak iki başlık altında incelenmektedir. İyonize eden radyasyon, elektronları yörüngelerinden hareket ettirebilecek enerjiye sahip olan radyasyondur. Uzak morötesi, X ve gama ışınlarının yanı sıra yüksek enerjili parçacıklar da (proton, nötron, elektron, alfa parçacıkları vb.) iyonize eden radyasyon grubuna girmektedir. İyonize etmeyen radyasyon ise, elektronları atom içerisindeki yörüngelerinden hareket ettirebilecek enerjiye sahip değildir. Radyo dalgalarından yakın morötesi bölgesine kadar olan dalgalar bu radyasyon grubuna girmektedir. İyonize eden radyasyon, hem elektromanyetik dalga hem de yüksek enerjili parçacıklar şeklinde uzay ortamında yoğun olarak bulunduğu için uzay görevlerinde takibinin yapılması oldukça önemlidir [70 – 73]. 2.5.1. Uzay Radyasyonu Kaynakları Uzayda çeşitli kaynaklardan gelen, uydu performansını etkileyebilecek düzeyde radyasyon bulunmaktadır. Uzay ortamında bulunan her türlü donanım Güneş ve Güneş sistemimiz dışından gelen yoğun bir radyasyona maruz kalır. Bu radyasyon kaynakları başta Güneş atmosferinde ortaya çıkan manyetik aktivite kaynaklı hareketlilikler (parlamalar, patlamalar ve püskürmeler) ve yıldız patlamaları sonucu yıldızlararası ortamdan ulaşan radyasyondur. Uzay 20 ortamındaki iyonize eden bu radyasyon kaynakları üç başlıkta incelenmektedir [70 – 73]. 2.5.1.1. Hapsolmuş Radyasyon Dünya’nın eriyik halde bulunan demir çekirdeğinin hareketleri çekirdek içerisinde elektrik akımını, bu elektrik akımı da Dünya’nın manyetik alanını (manyetosferi) oluşturmaktadır. Güneş’te meydana gelen hareketlerle bağlantılı olarak, Dünyamız sürekli Güneş rüzgârına (solar wind) maruz kalmaktadır. Bu rüzgâr Dünya’nın manyetik alanını devamlı olarak sıkıştırmakta ve sınırlamaktadır. Diğer yandan, manyetosfer de Güneş’ten gelen radyasyonu savuşturarak Dünya’yı radyasyon bombardımanından büyük oranda korumaktadır [74]. Güneş rüzgârının büyük kısmı yüksek enerjili proton ve elektronlardan oluşur. Dünya üzerine gelen yüksek enerjili parçacıkların hepsi manyetik alan tarafından savuşturulamaz ve bu parçacıkların bir kısmı Dünya’nın manyetik alanı içine hapsolur. Hapsolan parçacıklar Dünya’yı çevreleyen radyasyon kuşakları içerisinde bulunur. Van Allen Radyasyon Kuşakları da denilen bu bölgeler, iç içe geçmiş yüzük (toroidal) şeklindedir. Dünya’ya yakın olan (içteki) kuşakta çoğunlukla protonlar, dıştaki kuşakta ise çoğunlukla elektronlar bulunur. İçteki kuşağın sınırları yaklaşık olarak 1.500 – 13.000 km aralığındayken, dıştaki kuşak 19.000 – 40.000 km aralığındadır. 2012 yılında, bu iki kuşak arasında üçüncü (geçici) kuşak olarak da adlandırılan yeni bir kuşak keşfedilmiştir. Güneş’te oluşan patlamalar ve taçküre kütle atımı gibi hareketlilikler sonucu oluşan bu kuşak, yaklaşık bir ay kadar geçici bir süreliğine oluştu. Bu kuşağın sınırları yaklaşık 19.000 – 22.000 km arasındadır ve çoğunlukla elektronları içermektedir [76]. Hapsolmuş radyasyon, elektronik donanımları ve canlı sağlığını tehdit etmektedir. Bu radyasyonun yıkıcı etkileri, uzay araçlarının hangi yörüngede olduğuna, Güneş hareketliliklerine ve manyetosferik koşullara bağlı olarak sürekli değişmektedir. 2.5.1.2. Solar Enerjik Parçacıklar Bu parçacıklar, Güneş patlamaları (solar flare) ve taçküre kütle atımı (coronal mass ejection) gibi Güneş’te meydana gelen manyetik aktivite kaynaklı 21 hareketlilikler sonucu ortaya çıkar. Bu hareketlilikler sonucu yoğun miktarda proton, elektron, alfa parçacıkları ve ağır iyonlar saçılır. Güneş’te meydana gelen patlamalar çok yoğun bir enerjinin X ışını formunda salımı olarak tanımlanabilir. Ortaya çıkan enerji miktarı o kadar büyüktür ki patlamalarda ortaya çıkan plazmanın sıcaklığı milyonlarca dereceye varabilir. Güneş patlamaları genellikle Güneş yüzeyinde bulunan Güneş lekelerinde meydana gelir. Güneş lekelerinin manyetik alanı çok fazladır. Güneş’in diğer kısımlarına göre çok daha yoğun manyetik alana sahip olmaları sebebiyle bu bölgelerde sıcaklık iletimi daha azdır. Bu bölgeler çevrelerine göre daha soğuk olmaları nedeniyle siyah lekeler şeklinde görünürler. Güneş’te oluşan bir diğer hareketlilik taçküre kütle atımıdır. Taçküre kütle atımı çok büyük miktarda, yüksek enerjili, iyonize hâldeki maddenin (plazmanın) uzaya püskürtülmesi olarak tanımlanabilir. Taçküre kütle atımı, genellikle yoğun biçimde meydana gelen Güneş patlamalarının ardından gerçekleşir. Büyük bir kütle atımı, saatte milyonlarca kilometre hızla giden milyarlarca ton madde içerebilir. Bu bakımdan, uzay ortamında bulunan her türlü araç için taçküre kütle atımlarının takip edilmesi çok büyük önem taşımaktadır [77, 78]. 2.5.1.3. Galaktik Kozmik Radyasyon Galaktik kozmik radyasyon (galactic cosmic radiation), Güneş sistemimiz dışından gelen radyasyondur ve diğer iki radyasyon kaynağına ek olarak periyodik tabloda bulunan elementleri de içerebilmektedir. Bu radyasyonun yaklaşık olarak %90 protonlardan, %9 alfa (helyum) parçacığından ve %1 daha ağır element çekirdeklerinden (ağır iyonlardan) oluşmaktadır. Süpernova patlamalarının, aktif çekirdeğe sahip gökadaların, kuasarların ve gama ışını patlamalarının bu radyasyonun kaynağı olduğu düşünülmektedir. Galaktik kozmik radyasyonun, hapsolmuş radyasyona göre yoğunluğu daha azdır fakat sahip olduğu yüksek iyonlaştırma potansiyelinden ötürü uzay araçları içerisine daha fazla ilerleyebilme ve dolayısıyla elektronik donanımlara daha fazla zarar verme potansiyeline sahiptir. 2.5.2. Uzay Radyasyonu Etkileri Uydunun yapısal tasarımı görev parametrelerine göre belirlenir ve uydu iskelet malzemesi olarak genellikle alüminyum kullanılır. Alüminyumun kolay bulunması 22 ve işlenebilmesinin yanı sıra görece ucuz bir malzeme olması uydu teknolojilerinde yıllardır kullanılmasını sağlamıştır. Uydu yapısalının kalınlığı radyasyon seviyelerinin farklı olduğu yörüngelerde aynı değildir. Bunun en büyük sebeplerinden biri uydu kütlesi artıkça maliyetlerin de artmasıdır. Örneğin, radyasyon seviyelerinin çok yüksek olduğu yer sabit yörüngede daha kalın uydu yapısalı kullanılırken, radyasyon seviyelerinin daha az olduğu alçak dünya yörüngesinde daha ince uydu yapısalı kullanılır. Bu yapısal kalınlıkları belirleyen tek etmen radyasyon değildir fakat bu duvar kalınlıkları belirli bir seviyeye kadar radyasyondan korunabilmeyi sağlamaktadır. Alüminyumun kalkanlama özelliğinin yetersiz kaldığı durumlarda ise ihtiyaç hâlinde tantal, tungsten, titanyum vb. malzemeler ek kalkanlama amacıyla kullanılabilmektedir. Radyasyon sebebiyle bir ekipmanın olası kaybı durumunda görevin başarılı bir şekilde devam etmesi için ekipmanlar yedekli olarak tasarlanır. Bu tasarım yaklaşımı donanım özelinde alınan bir tedbir olarak düşünülebilir. Örneğin, bir ekipmanın işlevsiz hâle gelmesi sebebiyle tüm uyduyu kaybetmemek adına o ekipman ile aynı işleve sahip ikinci bir ekipman kullanılabilir. Her ekipmanın yedekli olarak tasarlanması daha güvenilir uydulara sahip olmayı sağlar. Ancak, yukarıda da belirtildiği üzere, kütlenin ve dolayısıyla maliyetin artması uydu tasarımını belirleyen en önemli etmenlerdendir. Radyasyon etkilerine karşı alınabilecek bir diğer tedbir ise çeşitli yazılım algoritmaları kullanılarak hata düzeltme işlemlerinin yapılmasıdır. Bu işlemler, hatalı kısımların veya verilerin göz ardı edilmesi, gerekirse ilgili kısmın yeniden başlatılmasıyla oluşan hataların normal duruma dönmesini sağlar [78]. Uzayda bulunan radyasyon, hem uzayda bulunan canlı sağlığını hem de elektronik malzemeleri ciddi anlamda tehdit etmektedir. Bu sebeple, uzay radyasyonu kaynaklı oluşabilecek etkilere dikkat edilmesi gerekmektedir. Uyduların devamlı bir şekilde radyasyona maruz kalmalarından ötürü, bazen uydu kaybıyla da sonuçlanan işlevsel hatalar ve performans kayıpları olmaktadır. Uzayda maruz kalınan radyasyon genellikle “rad” ölçü birimiyle ifade edilir. 100 rad, 1 Gy’e (Gray) eşittir [79]. 100 rad = 1 Gy = 1 Joule/kg 23 Uzay radyasyonu etkileri, toplam iyonize doz, yer değiştirme hasarı ve tekil olay etkileri olarak üç ana başlık olarak incelebilir. Yüksek enerjili parçacıklar enerjisi ve türüne (çeşidine) göre bu radyasyon etkilerini yaratmaktadırlar. Uzay ortamında yoğunlukla gama ışınları, X-ışınları, proton, elektron ve ağır iyonlar bulunmaktadır [78]. Şekil 2.9. Yüksek enerjili parçacıkların metal oksit yarı iletken yapısında yarattığı radyasyon etkileri (TID: toplam iyonize doz, DD: yer değiştirme hasarı, SEE: tekil olay etkileri) Radyasyon kaynaklarından, özellikle Güneş'ten gelen yüksek enerjili parçacıklar, Dünya atmosferi ile etkileştikten sonra proton, nötron, elektron, pion, pozitron, müon, alfa parçacıkları vb. ikincil parçacıklara bozunur. Bu parçacık radyasyonuna ikincil radyasyon denir. Yüksek hızlı parçacıklar Dünya atmosferi ile etkileşerek enerjilerini kaybederken veya ikincil parçacıklara bozunurken çeşitli renklerde ışık yayarlar. Kutup ışıkları olarak da bilinen bu görsel olaylar, 24 ikincil radyasyona gösterilebilecek en güzel örneklerdendir. Bu olaylar eğer Kuzey Kutbu’nda oluşuyorsa kuzey ışıkları (aurora borealis), Güney Kutbu’nda oluşuyorsa da güney ışıkları (aurora australis) olarak adlandırılırlar. Dünyanın manyetik alan çizgilerinin kutuplarda uzaya doğru açık olması, yüksek hızlı parçacıkların atmosferimizden içeri doğru girmesine ve bu olayların gerçekleşmesine sebep olur. 2.5.2.1. Toplam İyonize Doz Toplam iyonize doz etkisi, uzay ortamında en sık karşılaşılan etkidir. Elektronik bileşenler, sürekli olarak radyasyona maruz kaldıkları için işlevsel performansları etkilenmektedir. Sonuçları Şekil 2.10’da gösterilen referans çalışmaya göre, bir metal oksit yarı iletken alan etkili transistörün radyasyona maruz kaldıkça değişen voltaj göre akım grafiği verilmiştir [80]. Normal koşullarda transistör siyah eğri ile gösterilmiş bir şekilde çalışma performansı göstermektedir. Radyasyona maruz kaldıkça mor ile gösterilmiş olan eğriye doğru performans kayması yaşanmıştır. Meydnaa gelen bu kayma bileşenin istenilen şekilde çalışmayacağını göstermektedir. Şekil 2.10. Toplam iyonize dozun metal oksit yarı iletken alan etkili transistör üzerindeki etkisi [80] 25 Proton, elektron, X ve Gama Işınları bu etkiden sorumludur. Toplam iyonize doz, birikimli (kümülatif) ve iyonize eden bir etkidir. Bileşenlerin, özellikle yalıtkan (dielektrik) kısımlarında (oksit, nitrit tabakalarda) gerçekleşen olaylar sebebiyle bu etki oluşmaktadır. Toplam iyonize doz, kalıcı, biriken (kümülatif) ve iyonize eden bir etki olduğu için elektronik ekipmanların yarı iletken veya yalıtkan (dielektrik) kısımlarında eşik değerlerin kayması, kaçak akımların ve tüketimin artması, zamanlama değişiklikleri ve fonksiyon kayıpları gibi hasarlara yol açmaktadır. Ayrıca polimer ve cam gibi malzemelerin elektriksel, mekanik ve optik özelliklerinin değişmesine sebep olmaktadır. 2.5.2.2. Yer Değiştirme Hasarı Yer değiştirme hasarı, yüksek enerjili parçacıkların sebep olduğu çift kutuplu, optoelektronik, güneş hücreleri gibi donanımlar üzerinde meydana gelen birikimli ama iyonize etmeyen bir etkidir. Sonuçları Şekil 2.11’de gösterilen referans çalışmaya göre, yüksek enerjili (oksijen, lityum, alfa, proton ve elektron) parçacıkların silisyum içerisinde farklı seviyelerde ilerleyebilmekte ve çeşitli seviyelerde yer değiştirme hatasına neden olmaktadır [81]. 26 Şekil 2.11. Parçacıkların yarattığı yer değiştirme hasarı etkileri [81] Nötron, proton, elektron ve ağır iyonlar gibi parçacıklar malzemelerin kristal yapısındaki atomların yerlerini değiştirerek kristal yapının değişmesine neden olur. Bu etki malzemedeki kristal yapının zarar görmesi sebebiyle özellikle optoelektronik aygıtlar ve güneş hücreleri (panelleri) üzerinde etkilidir. Hapsolmuş radyasyon ve Güneş kaynaklı enerjik parçacıklar içerisinde yoğun olarak bulunan protonlar ve elektronlar, toplam iyonize doz ve yer değiştirme hasarı hasarlarına sebep olur. Bu hasarlar elektronik ve optik bileşenlerin performans ve özelliklerinde bozulmalara hatta tamamen işlevsiz kalmalarına yol açabilir. Protonların yüksek enerjiye sahip olması ve uzay aracının iç kısımlarına kadar ilerleyebilmesi, uzay araçları açısından en tehlikeli parçacıklardandır. Düşük enerjili elektronlar ise yüzey ile etkileşip, yüzeyin yüklenmesine bağlı olarak elektrostatik deşarja (ESD) (yüzeyler arasında elektrostatik boşalmaya) sebep olabilir. Bu durum elektronların daha yoğun olduğu yer sabit (geostationary) yörüngedeki uzay araçları için çok daha büyük sorunlar yaratmaktadır. Yüksek enerjili elektronlar ise uzay aracının iç kısımlarına kadar 27 ilerleyerek, yüzeyin yanı sıra uydu/araç içerisinde de elektrostatik deşarja sebep olabilmektedir [78]. 2.5.2.3. Tekil Olay Etkileri Uzay radyasyonun yarattığı üçüncü etki (hasar) olan Tekil Olay Etkileri, yüksek enerjiye sahip tek bir parçacığın (ağır iyonun) sebep olduğu etkidir. Bu etkilerin bazıları kalıcı bazıları da geçicidir. Tekil olay etkilerine, proton, nötron ve çoğunlukla ağır iyonlar sebep olur. Proton ve nötronlar, aktif yarı iletkene sahip diyotlar, transistörler, entegre devreler, optoelektronik aygıtlar vb. bileşenler ile nükleer etkileşme girerek yükün bir alanda birikmesine; ağır iyonlar ise bileşenin doğrudan iyonlaşmasına sebep olur. Bileşenin radyasyon etkisiyle yüksek akım çekerek tüm ekipmanın kaybına sebep olması, bu etkinin yol açtığı kalıcı hasarlara bir örnektir. Geçici etkiler ise verilerde bozulmalara veya cihazın farklı işlevsel durumlarda kalmasına sebep olur. Çoğunlukla geçici hasarlar sistemin kapatılıp açılmasıyla düzelmektedir. Uzay ortamındaki radyasyondan tamamen korunmak pek mümkün olmasa da uyduların maruz kalacağı radyasyon seviyeleri ve bunların etkileri, çeşitli radyasyon yazılımları ile analiz edilir. Ayrıca, laboratuvar ortamında çeşitli radyasyon testleri sayesinde, elektronik devreler üzerinde olası etkilerin saptanması, önleyici tedbirlerin alınması ve telafi edici iyileştirmelerin uygulanması mümkün olur. Bu analizler ve testler sonucu, uydunun yapısal tasarımı, uydu donanımları (yedeklilikler) ve uydu yazılımları özelinde önleyici tedbirler alınmakta ve telafi edici iyileştirmeler yapılmaktadır [78]. 28 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 3.1. Nükleer Radyasyona Duyarlı Alan Etkili Transistör Üretimi Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör (NürFET) tipi sensörler üretilirken faydalanılan mikro elektronik üretim basamakları temel olarak, silisyum levhanın (wafer) temizlenmesi, difüzyon fırını ile levha üzerinde oksit katman (SiO2) büyütülmesi, fotolitografi, kimyasal aşındırma (etching) ile kanalların oluşturulması, difüzyon fırını ile Fosfor ve Bor bileşikleri kullanılarak “p” ve “n” kanallarının oluşturulması/katkılanması, kapı (Gate) ucu için oksit tabaka büyütülmesi, püskürtme (sputtering) yöntemiyle alüminyum kaplama ile metal kontak oluşturulması/alınması, levhanın kesilmesi ve bir devre elemanı olarak kullanabilmek için 8 bacaklı çift sıra uçlu pakete (DIP) bağlama (bonding) işlemlerinin yapılması şeklinde özetlenebilir. Nükleer Radyasyon Dedektörleri Uygulama ve Araştırma Merkezi (NÜRDAM) araştırmacıları tarafından üretilen nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörleri ile ilgili detaylı bilgi ve açıklamalar referans çalışmalarda belirtilmiştir [82 – 84]. Bu tez çalışmasında kullanılan nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin oksit katman (kapı ucu, “gate”) kalınlıkları, oksit katman (SiO2) büyütme aşamasında 40 nm, 60 nm ve 100 nm olarak büyütülmüştür. Bu amaçla, farklı oksit kalınlıklara sahip sensörlerin radyasyon altında gerçek zamanlı olarak nasıl çalışacağı/tepki vereceği incelenmiştir. Oksit katman kalınlığı arttıkça radyasyona olan hassasiyet artmaktadır. Bu sebeple daha kalın oksit katmana sahip bir sensörün radyasyona olan hassasiyeti daha fazla olmaktadır. Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin, radyasyon altındaki çalışma performansları, daha önce çeşitli uzay projelerinde kullanılmış olan tarihçeli sensörler ile karşılaştırılarak ilgili sonuçlar sunulmuştur. 3.2. Radyasyon Dedektörü ve Tasarımı Bu tez çalışması kapsamında sunulan radyasyon dedektörü, uydu projelerinde de kullanılabilecek şekilde tasarlanmış ve üretilmiştir. Dedektörün elektronik devresi tasarlanırken Proteus programı kullanılmıştır. Mikro işlemcinin gömülü yazılımları ise “C Compilers for PIC” derleyicileriyle (compiler) gerçekleştirilmiştir. 29 Dedektör üzerinde farklı oksit tabaka kalınlarına sahip üç tane nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörü, bir tane RADFET (Radiation Sensing Field Effect Transistor) ve bir tane de FGDOS (Floating Gate Dosimeter) sensörü bulunmaktadır. Radyasyon altında, nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörlerden alınacak değerlerin tespit edilmesi ve karşılaştırılması amacıyla, dedektörde RADFET ve FGDOS gibi daha önce çeşitli uzay görevlerinde de kullanılan radyasyon sensörleri kullanılmıştır. RADFET radyasyon sensörü Varadis (İrlanda) firması tarafından üretilmiştir. RADFET, p-tipi bir metal oksit yarı iletken alan etkili transistörüdür ve daha önce çeşitli uzay görevlerinde kullanılmıştır [85, 86]. Sadece uzay görevlerine yönelik olarak değil, radyasyonun bulunduğu (biyomedikal, nükleer, askeri vb.) her ortamda kullanılabilecek şekilde tasarlanmıştır. 2,82 mm x 2,65 mm boyutlara sahip olan ve “Varadis RADFET VT01” üretici kodu ile üretilen RADFET sensörünün, radyasyonu ölçebilmesini sağlayan oksit tabaka kalınlığı 400 nm’dir ve çalışma mantığı nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörleriyle aynıdır. RADFET VT01 sensörüyle ilgili daha detaylı bilgilere Ekler’de belirtilmiş olan ver föyünden ulaşılabilir. Şekil 3.1. Tedarik edilen tarihçeli RADFET VT01 sensörü [87] 30 Sensör, radyasyona maruz kaldıkça eşik voltajında (geriliminde-Vth) kayma meydana gelmektedir. Eşik voltaj değerindeki kayma miktarı direkt olarak maruz kalınan radyasyon ile orantılı olduğu için, eşik voltaj değişiminin ölçülmesiyle maruz kalınan radyasyon dozu tespit edilebilmektedir. Sonuçları, Şekil 3.2’de belirtilmiş olan referans çalışmaya göre 5 V gerilim altındaki sensörlerin radyasyon altındaki performansları, geilim uygulanmamış olan sensörler ile kıyaslanmıştır. Gerilim uygulanmış olan sensörlerde meydana gelen eşik gerilimlerdeki kayma miktarı, gerilim uygulanmamış olan sensörlerde meydana gelen eşik gerilimlerdeki kayma miktarından daha fazla olmuştur [88]. Bu sebeple radyasyon doz etkisinin daha rahat ölçülebilmesi adına sensörlere gerilim uygulanması öneri