GAMA RADYASYONUN PMMA/PbO YAPISI ÜZERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ. Gökçer GÜNEŞ YÜKSEK LİSANS TEZİ İLERİ TEKNOLOJİLER ANA BİLİM DALI

GAMA RADYASYONUN PMMA/PbO YAPISI ÜZERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ

Gökçer GÜNEŞ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

İLERİ TEKNOLOJİLER ANA BİLİM DALI

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

TEMMUZ 2019

Gökçer GÜNEŞ tarafından hazırlanan “GAMA RADYASYONUN PMMA/PbO YAPISI ÜZERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Danışman: Prof. Dr. Sema BİLGE OCAK İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ...………

Başkan: Prof. Dr. Mustafa POLAT

Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Hacettepe Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...

Üye: Dr. Öğretim Üyesi Hanifi ÇİNİCİ

Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...

Tez Savunma Tarihi: 16/07/2019

Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.

……….…….

Prof. Dr. Sena YAŞYERLİ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

ETİK BEYAN

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;

• Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,

• Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,

• Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,

• Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,

• Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,

bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.

Gökçer GÜNEŞ 16/07/2019

GAMA RADYASYONUN PMMA/PbO YAPISI ÜZERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ (Yüksek Lisans Tezi)

Gökçer GÜNEŞ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Temmuz 2019 ÖZET

Bu tez çalışmasında, Polimetil Metakrilat (PMMA) / Kurşunoksit (PbO) ara yüzeyli yapıların iyonize radyasyona bağlı temel elektriksel parametrelerindeki değişimler incelenmiştir. Bunun için p tipi bir silisyum alttabaka üzerine öce PbO arayüzey tabakası Termal buharlaştırma yöntemiyle kaplanmasının ardından PMMA organik yapısı dönerek kaplama yöntemiyle ince film şeklinde kaplanarak metal/oksit/organik/inorganik yapılar oluşturulmuştur. Termal buharlaştırma yöntemiyle omik ve doğrultucu kontaklar oluşturulduktan sonra yapıların oda sıcaklığında ve karanlık ortamda akım-gerilim değerleri ölçümleri yapılmıştır. Ölçümlerden elde edilen veriler yardımıyla yapının temel diyot parametreleri farklı teknikler kulanılarak incelenmiştir. Karakterizasyon işlemleri sonrasında yapılar, ⁶⁰Co gamma kaynağı kullanılarak 30kGy’lik gamma ışınlarına maruz bırakılmış, ışınlanma sonrası aygıtın temel parametrelerindeki değişimleri incelemek amacıyla karakterizasyon işlemleri tekrarlanmıştır. Radyasyonun metal/oksit/organik/

yapıları üzerine elektriksel parametreleri etkisini incelemek için Standart, Cheung metotları kullanılmıştır. Yapının radyasyon öncesi ve sonrası akım-gerilim eğrileri Schottky tipi davranış göstermiştir. İyonize radyasyon sonrası yapıların ideallik faktöründe azalma, seri direnç değerlerinde ise artma meydana gelmiştir. Bu durum radyasyonun meydana getirdiği seri direnç etkilerine ve alıcı benzeri arayüzey tuzaklarının oluşmasına atfedilmiştir.

Bilim Kodu : 90543

Anahtar Kelimeler : Kurşun oksit, iyonize radyasyonı, Polimetil Metakrilat, elektriksel karakteristik, metal/oksit/polimer yapılar

Sayfa Adedi : 55

Danışman : Prof. Dr. Sema BİLGE OCAK

INVESTIGATION OF GAMMA RADIATION EFFECT ON PMMA/PbO STRUCTURE (M. Sc. Thesis)

Gökçer GÜNEŞ GAZİ UNIVERSITY

GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES July 2019

ABSTRACT

We have investigated the effects of ⁶⁰Co gamma-ray irradiation on the electrical properties the composite structure of the poly (methyl methacrylate) /leadoxide nanoparticle (PMMA/PbO). For this purpose, PbO interface layer was coated on a p-type silicon substrate by thermal evaporation technique and PMMA organic structure has grown on oxide/ p-type silicon substrate as a thin film by using spin coating method to form metal /oxide/organic structures. After formation of ohmic and rectifier contacts by thermal evaporation technique the voltage dependent current measurements of structures have been performed at room temperature and in a dark environment. By means of obtained data from the measurements the basic diode parameters have been examined using different techniques. After characterization process, the structures have been exposed to gamma rays of 30 kGy using a ⁶⁰Co gamma source and the characterization process have been repeated in order to examine the changes of basic parameters after radiation. In order to explore the γ-ray effect on electrical parameters of metal /oxide/organic structures Standart and Cheung methods have been used. The voltage dependent current curves of structure have been showed a Schottky type behaviour before and after radiation. While ideality factor has decreased, series resistance has increased after ionized radiation. This case has been attributed to the series resistance effect and formation of acceptor-like interface states generated by radiation.

Science Code : 90543

Key Words : Leadoxide, ionized radiation, poly (methyl methacrylate), electrical characteristic, metal/oxide/polymer structure

Page Number : 55

Supervisor : Prof. Dr. Sema BİLGE OCAK

TEŞEKKÜR

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’ne yüksek lisans tezi olarak sunmuş olduğum bu çalışma Sayın Prof. Dr. Sema BİLGE OCAK danışmanlığında yürütülmüştür. Çalışma sürem boyunca, çalışmalarımı yönlendiren, araştırmalarımın bütün aşamalarında bilgi ve deneyimlerini esirgemeyerek verdiği her türlü destek ve katkılarından dolayı kendilerine teşekkürü borç biliyorum.

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET ... iv

ABSTRACT ... v

TEŞEKKÜR ... vi

İÇİNDEKİLER ... vii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... ix

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... x

RESİMLERİN LİSTESİ ... xii

SİMGELER VE KISALTMALAR... xiii

1. GİRİŞ

2. KURAMSAL BİLGİLER

2.1. Yarı İletkenler ... 5

2.2. Katkılı Yarı İletkenler ... 7

2.3. Metal-Yarı iletken (Schottky) Kontaklar ... 8

2.4. Metal/Oksit/Yarı İletken Yapılar ... 9

2.5. İdeal Olmayan Metal/Oksit/Yarı İletken Yapılar ... 13

2.6. Yarı iletken Malzemelerde Radyasyon Etkileri ... 14

2.6.1. Yerdeğiştirme kusurları ... 15

2.6.2. İyonizasyon kusurları... 15

2.7. Radyasyonun Yapılar Üzerindeki Etkileri ... 16

2.8. Radyasyon Etkisiyle Oluşan Tuzakların Teorisi ... 17

2.9. Radyasyonun Madde ile Etkileşimi ... 17

2.10. İnce Film Üretim Teknikleri ... 20

2.10.1. Buhar fazda büyütme ... 21

Sayfa

2.10.2. Döndürme ile kaplama yöntemi (Spin Coating) ... 22

2.11. Elektriksel Karakteristik İncelemeler ... 23

2.11.1. İdealite faktörü ... 23

2.11.2. Schottky diyot değerlerinin Cheung fonksiyonları ile hesaplanması ... 24

2.11.3. Schottky diyot değerlerinin Norde fonksiyonları ile hesaplanması ... 25

2.11.4. Akım – Voltaj (I-V) karakteristikleri... 26

3. MATERYAL VE FABRİKASYON

3.1. Pbo Özellikleri ... 29

3.2. Polimetil Metakrilat’in Temel Özellikleri ... 32

3.3. Al/PMMA/Pbo/P-Si Yapının Hazırlanması ... 33

3.4. Ölçüm Araçları ... 36

4. ARAŞTIRMA BULGULARI

4.1. Akım–Voltaj Karakteristiği ... 39

5. SONUÇ

KAYNAKLAR ... 49

ÖZGEÇMİŞ ... 54

ÇİZELGELERİNLİSTESİ

Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. İş fonksiyonlarına göre doğrultucu ve omik kontakların oluşumu………. 9 Çizelge 3.1. PbO özellikleri ... 31 Çizelge 4.1. Radyasyondan önce ve sonra hesaplanmış elektriksel parametreler ... 39

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 2.1. Bir yarı iletkenin enerji bant diyagramı ... 6

Şekil 2.2. Bir Schottky kontağın şematik görünümü ... 8

Şekil 2.3. Metal/Oksit/Yarıiletken (MOS) ... 9

Şekil 2.4. İdeal MOS diyotun eş değer devreleri ... 10

Şekil 2.5. Dengede ideal MOS yapının enerji-bant diyagramı n ve p-tipi yarı iletken ... 11

Şekil 2.6. V≠0 olduğu durumda ideal MOS yapıların enerji-bant diyagramları ... 12

Şekil 2.7. İdeal olmayan yapılarda görülen durumlar ... 14

Şekil 2.8. Ara yüzey tuzaklarının etkisini içeren eşdeğer devre ... 14

Şekil 2.9. MIS kapasitörde iyonlaştırıcı radyasyon etkisiyle oluşan durumların şematik gösterimi ... 16

Şekil 2.10. Compton saçılması... 18

Şekil 2.11. Fotoelektrik olay ... 19

Şekil 2.12. Çift oluşumu ... 20

Şekil 2.13. Buharlaştırma yönteminin şematik gösterilişi ... 22

Şekil 2.14. Döndürme ile kaplama yapan cihaz ... 22

Şekil 3.1. Ortorombik kristal yapı... 29

Şekil 3.2. Tetragonal kristal yapı ... 30

Şekil 3.3. PbO kristal yapı ... 30

Şekil 3.4. (a) PMMA’nın kimyasal formülü, (b) PMMA’nın üretim aşamaları ... 32

Şekil 4.1. Radyasyondan önce ve sonra düz ve ters beslem I-V karakteristiği ... 41

Şekil 4.2. Radyasyondan önce ve sonra düz ve ters beslem yarı logaritmik I-V karakteristiği ... 41

Şekil 4.3. Radyasyondan önce ve sonra düz ve ters beslem H(I)-I grafiği ... 42

Şekil 4.4. Radyasyondan önce ve sonra düz ve ters beslem yarı logaritmik dV/dln(I)-I karakteristiği ... 43

RESİMLERİN LİSTESİ

Resim Sayfa

Resim 3.1. Kurşunoksit (PbO) ... 32

Resim 3.2. p-tipi Silisyum kristali ... 33

Resim 3.3. Beher Bandelin Sonorex marka ultrasonik banyo ... 34

Resim 3.4. Innovation Water Purification marka deiyonize su sistemi ... 34

Resim 3.5. “Edwards” marka buharlaştırma sistemi ... 35

Resim 3.6. Kontaktların oluşturulmasında kullanılan maskeler ... 35

Resim 3.7. 𝐴𝑙/𝑃𝑀𝑀𝐴/𝑃𝑏𝑂/𝑝 − 𝑆𝑖 yaspının şematik gösterimi... 36

Resim 3.8. Yokogawa Gs610 source ölçüm cihazı... 37

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklamalar

A Kontak alanı

A* Richardson sabiti

Al Alüminyum

Å Angström

Ci Yalıtkan tabaka kapasitesi

c² Alıcı yoğunluk sabiti

Ea Aktivasyon enerjisi

ε0 Boşluğun elektrik geçirgenliği

εs Yarı iletkenin elektrik geçirgenliği

Hz Frekans birimi

h Planck sabiti

I Akım

I0 Doyma akımı

K Termodinamik sıcaklık

k Boltzmann sabiti

ni Gerçek taşıyıcı yoğunluğu

n İdeallik faktörü

Qm Metaldeki yük

Rs Seri direnci

Si Silisyum

SiO2 Silisyum dioksit

T Sıcaklık

U Taşıyıcı hızı

Vd Difüzyon potansiyeli

Vn İletkenlik-fermi seviye farkı

VF Düz besleme

VR Ters besleme

Simgeler Açıklamalar

m φ Metalin iş fonksiyonu

δ Yalıtkan tabaka kalınlığı

Ω Ohm

σ Elektriksel iletkenlik

σs Standart sapma

χs Elektron yakınlığı

Wd Tüketme bölgesi genişliği

Kısaltmalar Açıklamalar

AC Alternatif akım

C-V Kapasitans-voltaj

DC Doğru akım

I-V Akım-gerilim

MIS Metal/Yalıtkan/Yarı iletken

MS Metal/Yarı iletken

MOS Metal/Oksit/Yarı iletken

TAE Termoiyonik alan emisyonu

1. GİRİŞ

Metal-yarı iletken (MS), ara yüzey tabakalı metal-yalıtkan-yarı iletken (MIS) veya metal- polimer-yarı iletken (MPS) tipi Schottky diyotları yarı iletken sektöründe çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Organik yarı iletkenler, son zamanlarda organik iletken polimerlerin (elektronik cihazlarda aktif bileşen olarakkullanılan) keşfi ile birlikte büyük bir öneme sahip olmuştur. Bu malzemelerin ucuz olması, kolay üretilebilmesi, esnek olmaları gibi önemli özelliklerinden dolayı elektronik ve opto elektronik cihaz üretiminde büyük ölçüde kullanılır. Ayrıca iletken polimerler metalle kontak haline getirildiği zaman fotovoltaik, elektro lüminesans ve doğrultucu etki gösterdiğinden son zamanlarda elektronik sektöründe önemli bir yere sahip olmuştur [1-2].

Organik ışık yayan diyot [3-4], organik alan etkili transistör [5] ve organik foto detektör [6-7] gibi elektrik-optik ve optik-elektrik çevirim yapabilen organik moleküler devre elemanlarının opto elektronik alanında kullanımı artmıştır. Bunlara örnek olarak, düz panel ekranlar, bükülebilir görüntüleme sensörleri, şeffaf foto yansıtıcı cihazlar [8] verilebilir.

Polimer tabanlı detektörler yüksek verimlilikleri, geniş spektrumlu olmaları ve yüksek hızlarından dolayı son yıllarda önemli bir ölçüde ilgi çekmiş olup, metal/organik yarı iletken eklemler ve metal/inorganik yarı iletken eklemlerin yerine kullanılmaya başlanmıştır. Polyacetylene, polyaniline, polypyrrole ve polythiophene gibi organik yarı iletken kullanılarak Schottky diyotunun oluşturulması ve karakterizasyonu çoğu araştırmacı tarafından incelenilmektedir [9-14]. Organik polimerlerin gaz molekülleri ile etkileşmesi sonucu elektriksel iletkenliklerinde değişimler meydana gelir. Bu özelliklerinden dolayı organik polimerler sensör uygulamalarında kullanılabilirler. Organik yarı iletken malzemeler, ince film elektroniğinde geniş bir uygulama alanına sahiptirler [15]. Son zamanlarda, organik yarı iletkenler ve onların türevleri kullanılarak, Schottky diyotlar oluşturulmakta ve elektronik karakterizasyonu incelenilmektedir. Organik yarı iletkenler, elektronik malzemelerde aktif bileşen olarak kullanılabilir ve bu malzemeler, kolay üretilebilirliği, ucuzluk ve geniş alan malzeme karakterizasyonu gibi avantajlara sahiptir. Bu durum, organik malzemelerin inorganik malzemeler yerine kullanılması için olanak sağlar. Çoğu organik malzemeler, p-tipi elektriksel iletkenliğe sahiptir [16].

Polimerlerin mekanik olarak dayanıklı, hava ortamında kararlı, ucuz, hazırlanmasının kolay olması ve büyük alanlı numuneler hazırlanabilmesi bu numuneleri teknolojik açıdan

önemli kılmaktadır. Genellikle moleküler yapı içinde farklı gruplarının mevcut olması konjuge polimerler inorganik çözücüler içinde çözülebilmesini sağlar ve bu da malzemenin elektrik ve optik özelliklere sahip polimerlerle çalışma imkânı doğurur. Özellikle polimerlerle yapılan dedektörler maliyet açısından oldukça ekonomiktir. Organik polimerlere oksidasyon uygulanarak elektriksel özelliklerinin değiştirilebilmesinden ve termal kararlılıklarından dolayı bu polimerler avantaj kazandırmıştır. Bunların yanında çeşitli oluşturma yöntemleri sayesinde optik ve elektriksel özelliklerinde değişme olabilmektedir. Bunun sonucundada değişik özelliklere bağlı organik polimerlerle çalışabilme imkânı doğmaktadır. Polimer elektroniği, iletken polimerlerin 1977’de keşfedilmesinden beri çok hızlı bir şekilde ilerlemektedir.

Kurşun-oksit nanoparçacıkları medikal, eczacılık, nükleer ve uzay endüstrilerinde kullanılan çok kullanışlı inorganik yapılardır. Bu nanoparçacıkların radyasyon koruyucu giysi üretimi, manyetik görüntüleme, batarya, ilaç taşınması ve radyasyon sensörü gibi birçok alanda uygulama alanları vardır [17-20]. Bu yapıyı sentezlemek için birçok yöntem kullanılabilir [21-28].

Poly (methylmethacrylate) (PMMA) en çok bilinen polimerlerden olup akrilik olarak da bilinen lineer termoplastik bir yapıdır. PMMA’dan üretilen ürünler düşük su emme ve nem tutma özelliği gösterir ve bu özellikler sıcaklığın artması ile artar. Ek olarak bu polimerlerin yapısı ultraviyole radyasyon altında ve ozon içerisinde çok küçük değişiklik gösterdiği için direct olarak gün ışığı temasına dayanıklıdırlar. Bu özellikleri PMMA’yı uzun süreli açık hava uygulamaları için uygun kılmıştır. Ekonomik ve her amaca hizmet edebilen PMMA özellikle medikal ve nükleer fizik alanında çalışma konusu olmuştur [29- 30]. Radyasyona maruz kalan cihazların genellikle performansları düşsede bazı cihazların radyasyon altında performans artışı yaşadığı görülmüştür. Her polimerin iyonize edici radyasyona farklı tepki verdiği göz önünde bulundurulmalıdır. Bu yüzden maksimum radyasyon dozunun cihazın işleyişi üzerinde zararlı bir etkiye sahip olmadığından emin olmak gereklidir. Yakın zamanda yapılan araştırmalarda ⁶⁰Co gama ışını radyasyonunun polimer alaşımlarının elektronik ve yapısal özellikleri üstündeki etkisini anlamak için bir sürü çalışma yapılmıştır [31-33]. Bildiğimiz kadarıyla PMMA/PbO nanoparçacıklarının

60Co gama ışını ile ışınlandıktan sonraki I-V karakteristiğini inceleyen bir çalışma olmamıştır. Bu çalışmada ⁶⁰Co gama ışınının etkilerini anlamak için nano bileşiğin

elektriksel özellikleri ⁶⁰Co gama ışını ile oda sıcaklığında ve karanlıkta ışınlanmadan önce ve sonra incelenmiştir. İdealite faktörü (𝑛) , seridirenç (𝑅_𝑠) ve engel yüksekliği (∅_b) standart ve cheung fonksiyonu ile hesaplanmıştır. Bu materyal radyasyondan dolayı küçük modifikasyonlara sahip olmuştur. Fakat radyasyona uğramış polimerin elektriksel özelliklerindeki küçük değişiklikler bile hasta üzerinde kullanıldığında çok büyük etkilere sahip olabilir.

Yüksek lisans tezi olarak hazırlanmış olan bu çalışmanın birinci bölümü, konu ile ilgili genel bilgilendirme ve gelişimi belirtecek olan “Giriş” kısmından oluşmaktadır. İkinci bölüm, konu ile ilgili teorik bilgi ve ifadeleri içeren “Kuramsal Bilgiler” den oluşmaktadır.

Üçüncü bölüm numune fabrikasyonunun nasıl gerçekleştirildiğinden oluşmaktadır.

Dördüncü bölüm, hazırlanan numunenin akım-voltaj (I-V) karakteristiklerinin elde edilmesi ve bu karakteristiklerin değerlendirilmesi sonucu oluşturulmuş yapının değerlendirilmesi ve elde edilen parametre ve bilgilerin yorumlanmasını kapsayan

“Araştırma Bulguları” kısmından oluşmaktadır. Son bölüm olan elde edilen verilerin genel değerlendirmesinin bulunduğu “Sonuç” bölümü ile tez çalışması sonlanmaktadır.

2. KURAMSAL BİLGİLER

2.1. Yarı İletkenler

Metal malzemelerde elektrik akımı taşıyan parçacıklar elektronlardır. İyonik iletkenlerde elektrik akımı malzemenin iyonları ile taşındığı için iletkenin yapısı içinden geçen akımla değişmektedir. Yarı iletken malzemeler hem iyon iletkenliğine hem de elektronlara sahiptirler. Silisyum, germanyum, selenyum ve telluryum gibi yarı iletkenler malzemeler ve GaP, InSb, GaAs ve CdS gibi bileşik yarı iletkenler elektron iletkenliğine sahiptir.

Yarı iletkenlerde ısı enerjisi etkisiyle deşiklerin ve elektronların (serbest yük taşıyıcıların) konsantrasyonu artar. Bu yöntemle meydana gelen yük taşıyıcılarına dengeleyici veya ısıssal yük taşıyıcıları denir. Yarı iletkenlerde, serbest yük taşıyıcıları ışık, elektrik alan, basınç, gama-ışınları veya hızlı parçacıkların (proton, nötron, elektron vb.) etkisiyle oluşabilir. Bu şekilde oluşmuş yük taşıyıcılarına denkleştirilmemiş yük taşıyıcıları adı verilir.

Metallerde atomlar tam olarak iyonlaşmış durumdadırlar ve elektronların konsantrasyonu 10²² cm^-3 civarında olup, atomların konsantrasyonuna eşittir. Bu yüzden dış etkilere karşı metallerin etkileri çok az değişmektedir. Katkısız yarı iletkenlerde serbest elektronların konsantrasyonu 10¹³ ile 10¹⁵ cm^-3 mertebesindedir Yarı iletken atomlarının elektrik alanı, ışık veya basınç gibi dış etkilerle iyonlaşması sonucu serbest elektron konsantrasyonları değişir.

Yarı iletkenlerin kristal yapısına çok az miktarda (%10^-3–10^-8) katkı atomları yerleştirdiğimizde bu atomlar yarı iletkenin iletkenliğini 108 katına kadar değiştirebilirler.

Bu yüzden oda sıcaklığında yarı iletkenin öz direnci 10^-4 ile 10¹⁰ Ω.cm olabilir.

Şekil 2.1. Bir yarı iletkenin enerji bant diyagramı

Her maddenin (iletken, yalıtkan, yarı iletken gibi) valans elektronlarının belirli bir enerji seviyesi vardır ve buna valans bandı enerjisi adı verilir. Valans elektronunu atomdan ayırabilmek için verilmesi gereken bir enerji miktarı vardır. Bu enerji, iletkenlik bandı enerjisi olarak tanımlanır. Maddeler elektronların bu banda geçmesiyle iletken hale gelirler. İletkenlerin, valans bandı enerji seviyesi ile iletkenlik bandı enerji seviyesi bitişiktir. Bu nedenle verilen küçük bir enerjiyle, pek çok valans elektronu serbest hale geçer. Yarı iletkenlerin valans bandı ile iletkenlik bandı arasında belirli boşluk bandı vardır. Elektron bakımından boş bulunan ve valans bandındaki elektronların iletkenlik bandına geçmesini zorlaştıran boşluğa yasak eneji bant aralığı adı verilr. Yarı iletkeni, iletken hale geçirebilmek için valans elektronlarına, boşluk bandı kadar bir ek enerji vermek gerekir. (Fermi Enerji Seviyesi) katkılandırılmamış bir yarı iletkenin enerji bant aralığının ortasında kabul edilmiştir. Fermi enerji seviyesi malzeme içerisindeki elektronların sıfır Kelvin’deki (K) maksimum enerjileridir. Sıfır Kelvin sıcaklığında Fermi enerji seviyeleri altında izin verilen tüm enerji seviyeleri elektronlar tarafından etkisiz hale getirilmiş olup, bu seviye üstündeki tüm enerji seviyeleri boştur. Yani Fermi Enerji seviyesi elektronlar tarafından yarı yarıya dolu bir enerji seviyesi olarak da kabul edilebilir.

Bir yarı iletkende iletkenlik bandı tamamen boş iken, sıfır Kelvinde değerlik bandı elektronlarla tamamen doludur. Bu durum yalıtkanlar için de geçerlidir. Bu yüzden Fermi seviyesi enerji bant aralığı içerisinde herhangi bir yerde bulunabilir. Metal malzemelerde ise Fermi enerji seviyesi enerji bantları ile birbirlerine yakın durumdadırlar.

2.2. Katkılı Yarı İletkenler

Bir yarı iletken malzemenin yük taşıyıcılarının (elektronların) sayısı ile boşlukların sayısının eşit olmadığı durumlarda meydana gelen yarı iletken malzemelere “katkılı yarı iletken” denir. Katkılama, yarı iletken bir malzemenin elektriksel özelliklerini değiştirmek, malzeme içerisindeki elektron ya da deşik yoğunluğunu arttırmak için kristali oluşturan atomların bir kısmının yerine farklı ve uygun miktarda safsızlık (katkı) atomunun eklenmesidir [34]. Yani iletkenliği kontrollü olarak arttırmak için saf yarı iletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Germanyum ve silisyum elementlerinin iletkenliğini kontrolllü olarak arttırmak amacıyla yarı iletkenlere katkı maddesi eklenir ve bu yapılan işleme “doping” adı verilir [34]. Elektron veya boşluk (akım taşıyıcılarının) sayısının arttırılması malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direncini arttırır. Her iki doping olayı sonucunda n tipi ve p tipi yarı iletken malzemeler oluşur. Yarı iletken malzeme alıcı (akseptör) atomları ile katkılandığı durumda p tipi yarı iletken olarak adlandırılır. P tipi katkılama işleminde silisyum atomuna bor, fosfor veya arsenik gibi elementler katılmış ve kovalent bağ oluşturmuş ise silisyum elementinin son yörüngesinde bulunan bir elektron diğer atomunun kovalent bağ yapacak elektronu kalmadığından dolayı açıkta kalır. Bu açıkta kalan elektron katıldığı malzeme içerisindeki elektronlarla bağ yaparak geride elektron boşluklarının oluşmasına sebep olur. Katıldığı malzemeden elektron alan bu tür safsızlıklara alıcı (akseptör) ve oluşan bu yeni malzemeye de p tipi yarı iletken adı verilir.

Yarı iletken malzeme verici (donör) atomları ile katkılandığı durumda ise n tipi yarı iletken olarak adlandırılır. Bu durumda da saf bir yarı iletken malzemeye, periyodik tablonun beşinci sütununda bulunan fosfor, bizmut veya arsenik gibi elementlerden biri katılırsa silisyum elementinin son yörüngesinde bulunan dört elektron ile diğer atomunun son yörüngesinde bulunan elektronlar kovalent bağ yapar ve sonuçta bir elektron açıkta kalır ve bağ yapacak silisyum elektronu bulamaz. Bu elektron küçük bir ısı enerjisiyle iletkenlik bandına doğru hareket ederek yapının iletkenliği arttırır. Bu durumda yarı iletkende elektron fazlalığı oluşmuş olur. Elektronların çoğalmasına neden olan bu katkı atomlarına verici, bu yarı iletkene de n tipi yarı iletken adı verilir.

2.3. Metal-Yarı İletken (Schottky) Kontaklar

Metal, yarı iletken ve yalıtkan maddelerin iletkenlik özelliklerinin incelenmesi, bu malzemelere uygun kontakların yapılması ile mümkündür [35]. Kontak, genel anlamda iki maddenin en az dirençle (idealde sıfır) birbirine temas etmesi şeklinde düşünülür. Temas eden yüzeylerin temiz, pürüzsüz ve parlak olması ile ideal bir kontak elde edilir [36,37].

Metal/yarı iletken kontaktlarda bu iki malzeme temas ettirilip yük alışverişi ile Fermi enerji seviyesinin eşit olması sağlanır. Fermi enerji seviyesi eşit olduğunda termal denge sağlanmış olur. Daha sonra yeni bir yük dağılımı meydana gelir. Bu iki malzeme arasında başka bir malzeme olmaksızın oluşan yeni sisteme metal/yarı iletken kontakt (Schottky kontağı) adı verilir.

Schottky kontaklar, kullanılan malzemelerin iş fonksiyonlarına göre iki gruba ayrılır:

- Metal/yarı iletken kontaklarda taşıyıcı hareketinin bir taraftan diğer tarafa göre daha fazla olduğu doğrultucu kontakt,

- Metal/yarı iletken kontaklarda taşıyıcıların her iki yöne de kolayca geçebildiği omik kontak

Şekil 2.2.’de bir metal/yarı iletken kontağın şematik diyagramı verilmiştir.

Şekil 2.2. Bir Schottky kontağın şematik görünümü [35]

Seçilen bir metalin kontakt haline getirildiği yarı iletken tipi (n tipi ya da p tipi kontaklar)

ve yariletkenin iş fonksiyonları birbirlerine bağlıdır. Yariletkenin iş fonksiyonu _S , metalin iş _m fonksiyonu ise ile temsil edilir. Şekil 2.3.’de doğrultucu ve omik kontakların oluşma durumu gösterilmiştir.

Çizelge 2.1. İş fonksiyonlarına göre doğrultucu ve omik kontakların oluşumu [35]

2.4. Metal/Oksit/Yarı İletken Yapılar

Metal\yarı iletken arasında yalıtkan bir tabakanın oluşması/oluşturulması ile metal\oksit\yarı iletken MOS yapı olarak adlandırılan yapılar elde edilir. Bu yapılar yarı iletken yüzey durumlarını analiz etmek için çok uygundur. MOS yapılar yaygın olarak silisyum bir alt tabaka, tabaka üstüne oluşturulmuş omik kontak ve bir oksit/yalıtkan tabaka üstüne oturtulmuş bir metal kontak yapıdan meydana gelir.

Şekil 2.3. Metal/Oksit/Yarı iletken (MOS) yapısı

MOS yapılarda iki farklı bölgede ara yüzey incelenebilir. Bunlar metal\oksit ara yüzeyi ve oksit\yarı iletken ara yüzeyidir. Yükler ideal bir durumda yarı iletkende ve yalıtkan bölgeye yakın metal yüzeyinde birikir. DC voltaj altında yalıtkan üzerinden akım geçişi olmaz. İdeal bir MOS diyotta Şekil 2.5’de görüldüğü üzere üç farklı eşdeğer devre görülür.

Bu eşdeğer devreler yığılma (accumulation), tüketim (depletion) ve tersinim (inversion) olarak isimlendirilir. Gerçek durumda MOS diyotlarda, yarı iletken\oksit ara yüzeyi ideal durumdan sapar. Bazı durumlarda MOS diyotlarda oksit tabaka üzerinden de akım geçebilir.

Şekil 2.4. İdeal MOS diyotun eş değer devreleri

İdeal MOS yapısında, V=0 durumunda enerji-bant diyagramı Şekil 2.6 a ve b’de gösterildiği gibi olur. Aşağıdaki eşitlikleri sağlayan yapı ideal MOS olarak adlandırılır.

Denge durumunda yarı iletkenin iş fonksiyonu (∅_s) ile metalin iş fonksiyonu (∅_m) arasındaki fark sıfıra eşittir. (∅_ms =0 ) ve

∅_ms = ∅_m− (χ +^E_2q^g− ∅_B) = 0 (n − tipi) (2.1)

∅_ms = ∅_m− (χ +^Eg

2q+ ∅_B) = 0 (p − tipi) (2.2)

şeklindedir. Bu ifade de yer alan ∅_B fermi seviyesi ile yarı iletken fermi enerji seviyesi arasındaki enerji farkını göstermektedir. Metal\yarı iletken kısımlar arasındaki oksit kısmın bant aralığı fazla olması nedeniyle ideal dielektrik bir yapı gibi davranış gösterir. Yalıtkan içinde ve oksit\yarı iletken ara yüzeyinde sabit\hareketli yükler ve tuzaklar olmaz. Bununla beraber oksit\yarı iletken ara yüzeyinde, ara yüzey yükleri ve durumları da olmaz. Oksit tabakanın bant genişliği çok büyük olması nedeniyle oksit tabakanın iletkenlik bandındaki yük taşıyıcı miktarı yok sayılacak seviyede azdır. DC voltaj altında yalıtkan içinde yük

aktarımı olmaz ve sonsuz bir özdirenç varmış gibi durum oluşur.

(a) (b)

Şekil 2.5. (a) Dengede ideal MOS yapının enerji-bant diyagramı p-tipi yarı iletken (b) Dengede ideal MOS yapının enerji-bant diyagramı n-tipi yarı iletken Yığılma (accumulation)

Metal\oksit tabaka\p-tipi yarı iletken (MOS) yapısının metal elektrotuna Şekil 2.7’de görüldüğü gibi negatif gerilim (V<0) verildiğinde elektrik alan, yarı iletkene ait çoğunluk yük taşıyıcısı olan boşlukları, yarı iletkenin ara yüzey kısmına doğru harekete geçirir. İdeal bir diyotun yük akışı olmaması durumunda fermi enerji seviyesi yarı iletkende sabit olarak kalır. Taşıyıcı miktarı enerji farkına (EF-EV) bağımlı olduğu için, bant bükülmesi yarı iletken yüzeyinin yakınında çoğunluk taşıyıcılarının (boşlukların) birikmesine neden olur.

Çoğunluk yük taşıyıcılarının ara yüzeyde birikmesi ile oluşan duruma

"yığılma"(accumulation) adı verilmiştir [38].

Şekil 2.6. V≠0 olduğu durumda ideal MOS yapıların enerji-bant diyagramları

Tüketim (depletion)

Metal\oksit tabaka\p-tipi yarı iletken (MOS) yapının metal elektrotuna alçak pozitif gerilim (V>0) uygulandığında yalıtkan içerisinde oluşacak olan elektrik alan yarı iletken ara yüzeyinde bulunan boşlukları yüzeyden uzağa doğru iter. Şekil 2.7’de görüldüğü durumda yarı iletken yüzeyinde bulunan boşluk yoğunluğu, yarı iletkenin iç bölgelerinde bulunan boşluk yoğunluğuna göre daha az olur. Bantlar aşağı yönde bükülür ve iletkenlik bandının yarı iletken yüzeyine yakın yerlerinde, elektronlar birikmeye başlar. Yarı iletken yüzeyinde, gerilimin etkisiyle değişen genişlikteki bir alanda, boşlukların azaldığı bir bölge oluşur. Bu "tüketim"(depletion) olarak adlandırılır ve bu bölgeye tüketim bölgesi denir [38].

Tersinim (inversion)

Metal\oksit tabaka\p-tipi yarı iletken (MOS) yapının metal elektrotuna Şekil 2.7'de görüldüğü gibi yüksek pozitif gerilim altında (V >>0) bantlar aşağı yönlü bükülür. Normal durumdaki enerji seviyesi (Ei), fermi enerji seviyesinin aşağısına iner. Bu durumda yarı iletken yüzeyinde bulunan (azınlık taşıyıcıları olan) elektronların sayısı artar ve elektron miktarı boşluk miktarından fazla olur. P-tipi yarı iletken yüzeyi n-tipi yarı iletkenmiş gibi

davranır ve yarı iletken yüzeyinin tersinimi (inversion) şeklinde isimlendirilir. Elektron yoğunluğunun ac sinyalini takip yeteneğine bağlı olarak MOS kapasitesi belirlenir [38].

Ara yüzey ilişkisi

Bir metal\yalıtkan\yarı iletken yapısının ara yüzeyinde bulunabilen tuzaklar ve oksit yükler elektriksel ifadelerin değerlerini belirler. Yavaş ve hızlı olarak yüzey durumlarını ikiye ayırabiliriz. Yalıtkanın metal tarafındaki yüzeyde yavaş yüzey durumları, oksit tarafındaki hareketsiz yükler aracılığıyla ısısal uyarılmış olan ve elektrik alan altında hareket eden iyonlar tarafından oluşur. Yapının kapasitesinde herhangi bir etki oluşturmaz. Hızlı yüzey durumlarında, oksit tabaka\yarı iletken ara yüzey yakınında oluşur ve yarı iletkenin yasak enerji bölgesinin ortasına yakın bölgelerde enerjilere sahiptir.

2.5. İdeal Olmayan Metal/Oksit/Yarı İletken Yapılar

Bir MOS yapısında, ara yüzey tuzaklar ve oksit yüklerinin varlığından dolayı MOS yapı ideal durumdan sapar. Bu ara yüzey durumları ve yükler genelde Şekil 2.8’de ki gibi sınıflandırılabilir. Bir yarı iletkenin kristal yapısında bulunan yabancı bir atom, bir bozunma veya fabrikasyon sırasında yapıya bulaşan çok sayıdaki organik kirler sebebiyle metal ile yarı iletken ara yüzeyi yakınında yasak enerji bandında lokalize olmuş çok sayıda yasak enerji seviyeleri meydana gelir ve diyotun çalışmasını kötü yönde etkiler. MOS fabrikasyonu sırasında yarı iletken ne kadar temizlense de giderilemeyen kristal yüzeyindeki düzensizlikler sonucunda da yasak enerji bölgesinde birim alan başına ortaya çıkan enerji seviyelerinin yoğunluğu 10¹⁵ eV^-1cm^-2 civarında olması beklenirken yapılan deneyler yaklaşık 10¹²-10¹³ eV^-1cm^-2 mertebesinde olduğunu göstermektedir [38]. Bir dış ön-gerilim altında valans veya iletkenlik bantları ile fermi seviyesi sabitleşene kadar ara yüzey tuzak seviyeleri yukarı veya aşağı doğru oynarlar. Bu, MOS ideal eğrisinde ve kapasitesinde değişime sebep olur.

Şekil 2.7. İdeal olmayan yapılarda görülen durumlar [38]

Ara yüzey tuzaklarının/durumlarının etkisini kapsayan bir eşdeğer devre Şekil 2.9’de gösterilmiştir.

Şekil 2.8. Ara yüzey tuzaklarının etkisini içeren eşdeğer devre

2.6. Yarı İletken Malzemelerde Radyasyon Etkileri

Herhangi bir radyasyon ortamında yarı iletken aygıtlar ve malzemeler oldukça büyük enerjiye sahip foton ve parçacıklara maruz kalabilirler. Yüksek enerjili parçacıklar ve fotonlar, farklı şekillerde etkileşerek kinetik enerjilerini kaybeder. Oluşan bu etkileşmeler, iyonizasyon ve yer değiştirme zararlarıdır. Bu zararlar, yarı iletken aygıt ve malzemeler üzerinde performans düşüşüne ve uzun sürede iyileşmeyen hasarlara neden olur. Yarı

iletken malzemede biriken enerji sadece parçacık kütlesine ve enerjisine değil, aynı zamanda atom numarasına, hedef malzemenin kütlesine ve bırakılan hedef atomlarının numarasına da bağlıdır.

2.6.1. Yerdeğiştirme kusurları

Radyasyon, kristal örgüden elektron sökerek boşluk oluşturabilir. Sökülen elektron boşluğun yakınlarına yerleşir. Bu durum yarı iletken malzemelerde örgü yapısını bozduğu için “örgü kusuru” olarak adlandırılır. Parçacık radyasyonuyla oluşturulan nokta kusurları yüksek enerjili olduğu için, örgü içinde uzak mesafeye gidebilir. Bu durum yüksek enerji ve büyük kütle için daha yüksek bir olasılıktır. Yarı iletken malzemelerdeki yerdeğiştirme kusurları, malzemenin elektrik ve optik özelliklerini büyük ölçüde değiştirebilir. Bu etkiler;

* Radyasyon sonucu oluşan kusurlar tarafından elektron-hol çifti üretimi

* Radyasyon sonucu oluşan tuzak merkezleri tarafından elektron-hol çiftlerinin tekrar birleşimi;

* Donor ve akseptörlerin telafisi

* Taşıyıcıların tünellenmesi

Serbest taşıyıcı mobilitesi, yoğunluğu, direnci, oluşma ve yok olma ömürleri gibi önemli malzeme özellikleri yer değiştirme zararından etkilenir. Sonuç olarak radyasyonla etkileşen devre elemanları bundan olumsuz etkilenirler. Yarı iletken malzemelerde oluşan bu kusurları en aza indirme yöntemlerinden en önemlisi tavlamadır. Tavlamayla radyasyondan zarar görmüş devre elemanlarının ömrü uzatılabilir.

2.6.2. İyonizasyon kusurları

İyonizasyon, net pozitif yüke sahip bir atom üretmek için atom ya da molekülden bir ya da daha fazla elektronun uzaklaştırılmasıdır. İyonlaşma olarak radyasyonu sınıflandırma, bir elektron göndermek için yeterli kuantum enerjisine sahip olduğu bir duruma denir.

İyonlaştırıcı radyasyon, mutasyon ya da kanser riskiyle ilgili pek çok fiziksel ve kimyasal etkiye sahip olduğu için önemlidir. İyonlaşma genellikle elektromanyetik spektrumun UV bölgesinde oluşur. Bu yüzden bütün X-ışınları ve gama ışınları iyonizasyonlaştırıcı

radyasyonlardır.

2.7. Radyasyonun Yapılar Üzerindeki Etkileri

Metal-yalıtkan-yarı iletken (MIS) kapasitörde iyonlaştırıcı radyasyondan en çok etkilenen kısım yalıtkan tabakadır. MIS kapasitörde iyonlaştırıcı radyasyon etkisiyle oluşan durumlar Şekil 2.10’da gösterilmiştir. MIS kapasitöre iyonlaştırıcı bir parçacık geldiğinde elektron-deşik çiftleri oluşur (durum:a). Materyal küçük dirençli ise kapıdaki (metal veya polisilikon) elektron-deşik çiftleri hızlı bir şekilde kaybolur. Oksit içindeki tamamen farklı mobiliteye sahip olan elektronlar ve deşikler farklı davranışlar gösterirler [39]. Radyasyon etkisi ile oluşan elektron-deşik çiftlerinin bir kısmı oluştuktan sonra tekrar birleşirler.

Birleşmeyen elektron-deşik çiftleri oksit içindeki elektrik alan altında birbirinden ayrılırlar (durum:b). Örneğin girişe uygulanan bir pozitif ön gerilim durumunda elektronlar çok kısa bir sürede (10^-12 sn) girişe ulaşmalarına karşın deşikler PVA/Si arayüzeyine doğru hareket ederler (durum:c). Arayüzeye yakın fakat halen oksitte bir sabit pozitif yük verebilen deşiklerin bir kısmı da tuzak oluşturabilir (durum:d). İyonlaştırıcı radyasyon etkisiyle polimer/yarı iletken (PVA-Si) arayüzeyinde, arayüzey tuzakları meydana gelir (durum:e).

Şekil 2.9. MIS kapasitörde iyonlaştırıcı radyasyon etkisiyle oluşan durumların şematik llllllllllllllllgösterimi

2.8. Radyasyon Etkisiyle Oluşan Tuzakların Teorisi

Yalıtkan/polimer tabakada radyasyon etkisiyle (x-ışını, γ-ışını ve elektronbombardımanı) oluşan hasarlar kalıcıdır [40]. Bu hasarlar üç unsurdan oluşur:

i) Oksit içinde tuzaklanmış yüklerin sayısındaki artış.

ii) Yarı iletken- yalıtkan arayüzeyinde arayüzey tuzaklarının sayısındaki artış.

iii) Oksit gövdesindeki tuzakların sayısındaki artış.

Radyasyon etkisiyle oluşan hasar, aygıt tarafından soğurulan enerji miktarı ya da aygıt tarafından alınan radyasyon dozu ile doğrudan ilişkilidir [41]. Radyasyon etkisiyle oluşan elektronlar deşiklerden daha hızlıdır. Pozitif yüklü olan deşikler hareketsiz ve oksit içerisinde tuzaklanmış olabilir. Diğerleri, yalıtkan-yarı iletken arayüzeyinde hareket edebilirler ve burada arayüzey tuzaklarının oluşumuna sebep olurlar. Gelen radyasyon, yarı iletkenin tükenim bölgesinde elektron-deşik çiftlerinin meydana gelmesine sebep olur.

Elektronlar arayüzeye doğru, deşikler ise tükenim bölgesindeki mevcut alan altındaki gövdeye doğru hareket ederler. Arayüzey yakınında biriken fazlalık elektronlar arayüzey potansiyelinde düşüşe ve kuvvetli tersinim altında yapının kapasitansında bir yükselişe sebep olurlar.

2.9. Radyasyonun Madde ile Etkileşimi

Genel olarak, polimerin iyonlaştırıcı radyasyonla etkileşmesiyle temel moleküler yapısında ve buna bağlı olarak da makroskopik özelliklerinde değişim gözlenir. Esas olarak polimerler ışınlamayla birlikte elektron absorpsiyonu sonucu radikal oluşması ve bağ kırılması, radikallerin birleşimi sonucu çapraz bağ gözlenmesi veya ayrı ayrı sonlanarak gaz çıkışı ve zincir kesilmesi gözlenir. Gama ışınları gibi yüksek enerjili ışınların polimerlerle etkileşimi üç fiziksel mekanizmayla açıklanır.

Compton saçılması

Işığın tanecikli yapıda olduğunu gösteren olaylardan biriside Compton saçılmasıdır. Işığın kuantum teorisi, durgun kütlesinin olmaması haricinde fotonların parçacıklar gibi davranış gösterdiğini öne sürer. Bu durum, fotonlarla elektronlar arasında iki parçacığın çarpışması

gibi bir olayın olmasını gerektirir (Şekil 2.11).

Şekil 2.10. Compton olayı [42]

Compton saçılması, bir fotonun atomun çekirdeğine çok zayıf bağlı olan bir elektrona çarpmasıdır. Fotoelektrik olay genellikle K ve L yörüngelerindeki elektronlarla gerçekleşirken, Compton saçılması daha çok dıştaki elektronlar ile ilgilidir. Compton saçılması, elektronun bağlanma enerjisinin gelen fotonun enerjisine göre ihmal edilecek kadar az olduğu zaman baskındır.

Fotoelektrik etki

Işığın tanecikli yapıda olduğunu kanıtlayan olaylardan birisidir. H.Hertz 1887 yılında gözlemlemiştir. Einstein 1905 yılında formülüze etmiştir. Fotoelektrik olay, ışığa duyarlı bir yüzeyin fotonlarla bombardıman edilmesi sonucu o yüzeyden elektronların kopması olayıdır. Madde üzerine gelen foton, atomun bağlı elektronlarından bir tanesine tüm enerjisini aktararak bu elektronu koparıp, serbest hale getirir. Bu olay için

𝐸

= ℎ𝑣 −

eşitliğinin gerçekleşmesi gerekir. Yani

ℎ𝑣 ≥

Şekil 2.11. Fotoelektrik olay [42]

Çift oluşumu

Relativistik enerjinin bir şekilden bir başka şekle dönüşmesinin bir türü çift oluşumudur.

Çift oluşumu çekirdeğin etki alanına giren bir fotonun bir elektronla bir pozitrona dönüşmesidir.

𝛾 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑢 → 𝑒

+ 𝑒

Şekil 2.12. Çift oluşumu [42]

Çift oluşumu çekirdek etrafında gerçekleştiği için herhangi bir korunum ilkesi bozulmaz.

Yani yük, çizgisel momentum ve toplam enerji korunur. Bir elektronun veya pozitronun durgun kütle enerjisi

𝑚

𝑐

Genel olarak polimerlerde compton saçılması daha baskındır [42].

2.10. İnce Film Üretim Teknikleri

İnce filmler ilk cam ve seramikler üzerinde dekorasyon olarak kullanılmıştır. Daha sonra gümüş tuzları kullanılarak cam yüzeyler üzerinde gümüş filmleri elde edilmiştir. 19.

yüzyıldan itibaren bilimsel çalışmalardaki artış daha yeni ve daha modern ince film elde etme yöntemlerini de beraberinde getirmiştir. İlk ince film, 1838’de “elektroliz” yöntemi ile elde edilmiş olup, daha sonra 1852’de Bunsen “kimyasal reaksiyon” yöntemiyle, Faraday “asal gaz içerisinde buharlaştırma” yöntemiyle, Nahrwold [43] ve Kundt [44]

“Joule ısıtması” yöntemiyle yine ince film elde etmişlerdir. Daha sonra ince filmlerin üretim teknikleri, malzeme yüzeylerinin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin değiştirilmesine imkan sağlayan depolama teknikleri, depolanacak olan malzemesinin bulunduğu fiziksel hale göre değişik gruplara ayrılabilir.

2.10.1. Buhar fazda büyütme

Kaplamaya veya taban malzemeye herhangi bir sınırlama belirtilmeden oluşan yüksek kalitede kaplamalar elde etmeyi sağlayan buhar fazında kaplama teknikleri iki gruba ayrılır. Bunlar, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve fiziksel buhar biriktirme (PVD) yöntemleridir.

Fiziksel buhar biriktirme

Bu yöntem vakum ortamında katı veya sıvı halde bulunan malzemelerin buharlaştırılarak veya sıçratılarak (sputtering) atomlarının yüzeyden koparılması ve kaplanacak olan alttaban malzemesi yüzeyine atomsal veya iyonik olarak biriktirilmesi esasına dayanır.

Vakumlu bir ortamda, bir ısıtıcı yardımıyla kaplanacak olan malzeme ince bir film katmanı halinde alttabakaya biriktirilir. Bu işlem, kaplanacak olan katı haldeki malzemenin yüksek enerji ile iyonlaştırılarak ve reaktif gazlarla oluşturulmuş plazma haline getirilerek kontrollü bir şekilde alttabaka üzerine yapıştırılması şeklinde tanımlanabilir. Fiziksel buhar biriktirme tekniği, günümüzde mikroelektronik uygulamalardan dekoratif amaçlı çalışmalara kadar pek çok farklı alanda kullanılmaktadır [45-50].

Buharlaştırma

Şekil 2.13.’de görülen bu teknikte ince bir film halinde kaplama yapmak istediğimiz bir malzeme buharlaştırmak için kullanılır [51,52]. Vakum ortamında kaplanacak malzeme erime sıcaklığına kadar ısıtılır. Bu işlemler rezistans, indüksiyon, ark, elektron bombardımanı ve lazer ile buharlaştırma olarak gruplandırılmaktadır [45, 51-55].

Şekil 2.13. Buharlaştırma yönteminin şematik gösterilişi [51]

2.10.2. Döndürme ile kaplama yöntemi (Spin coating)

Bu yöntem bir çözeltinin hızla dönen bir yüzey üzerine merkezkaç kuvveti etkisinin kullanılarak yaydırılması işlemidir. Şekil 2.15.’de döndürme ile kaplama yapan bir cihaz görülmektedir. Kaplama yapılacak alttabaka dönen bir platforma vakum yardımıyla ile sabitlenir. Filmlerin kaplanmasının tozdan arındırılmış bir ortamda yapılabilmesi için sistem bir kapak yardımıyla dış ortama kapatılmıştır. Üretilen ince filmlerin homojen ve düzgün bir kalınlıkta olması, çözeltinin özelliklerine viskozite, yüzey gerilimi ve kuruma hızı gibi bazı önemli parametrelere bağlı olup, kalınlık genelde birkaç nanometre ile mikrometre arasında değişir.

Şekil 2.14. Döndürme ile kaplama yapan cihaz

Kaplama işlemleri farklı aşamalarda olabilir. Örneğin dönen bir alttabakaya tam merkeze

olacak şekilde çözelti uygulanabilir. Ancak bu aşamada çözelti içerisinde büyük parçacıklar olmaması ve yüzeye yapışabilir bir özellik taşıması gerekir. Durgun bir alttabaka üzerine çözelti damlatılıp daha sonra alttabaka döndürülebilir. Burada çözelti merkezkaç kuvveti etkisiyle tüm yüzeye ince film şeklinde yayılacaktır.

2.11. Elektriksel Karakteristik İncelemeler

2.11.1. İdealite faktörü

İdealite faktörü oksit tabaka kalınlığına (δ) ve ara yüzey durumlarının yoğunluğuna (Nss) bağlı olarak,

n = 1 +

δ

εi)+( ^εs Wd+qNsb) 1+(^δ

εi)qNsa

(2.5)

formülü ile verilir. Burada Wd, Nsa, Nsb, εi, εs sırasıyla tüketim bölgesinin genişliği, metal ile dengede olan ara yüzey durumlarının miktarı, yarı iletken ile dengede olan ara yüzey durumlarının yoğunluğu, oksit kısmın geçirgenliği, yarı iletkenin geçirgenliğidir. Bu bağıntı ara yüzey durumlarına bağlı olarak üç farklı durum ile açıklanabilir; (i) ara yüzey durumları yoğunluğu az olması durumu;

n = 1 +

dε_i (2.6)

şeklindedir. (ii) Tüm ara yüzey durumlarının metal ile dengede olduğu durum,

n = 1 +

W_d(ε_i+δqN_sa) (2.7)

olur. (iii) Ara yüzey durumlarının yarı iletken ile dengede olması durumunda ise,

n = 1 + (

i

) (

d+qN_sb

)

ifade edilir. (i) ve (ii) durumlarında n ideallik faktörüne, ara yüzey durumlarının ve oksit kısmın katkıları küçüktür. Örnek bir ideal Schottky diyotun davranışını gösterir. (iii) durumunda oksit tabakanın büyümesi ve ara yüzey durumlarının artması n ideallik faktörünü artırır. Bunlardan başka sıcaklığın yükselmesi ile de n faktörünün değeri azalır.

Böyle bir durumun nedeni ise toplam MOS akımında olan difüzyon bileşeninin artışından kaynaklanır.

2.11.2. Schottky diyot değerlerinin Cheung fonksiyonları ile hesaplanması

Cheung 1986 yılında Schottky diyot parametrelerinin hesaplanması için düz beslem I-V karakteristikleri ile farklı bir hesaplama yöntemi ileri sürmüştür (Cheung ve Cheung, 1986). Termoiyonik emisyon teorisiyle hesaplanan akım yoğunluğu diyotun A etkin alanıyla çarpılırsa, diyot üzerindeki toplam akım idealite faktörü dikkate alınırsa;

𝐼 = 𝐴𝐴^∗𝑇²ex p (−^𝑞∅_𝑘𝑇^b) ex p (−_𝑛𝑘𝑇^𝑞V0) [1 − ex p (−^𝑞V_𝑘𝑇⁰)] (2.9)

eşitliğiyle gösterilir. Burada 𝑒V₀ >> 3kT olduğu için 2.9 eşitliğindeki exponansiyel ifade 1 yanında ihmal edilebilecek kadar küçük olduğundan

𝐼 = 𝐴𝐴^∗𝑇²𝑒𝑥 𝑝 (−^𝑞∅_𝑘𝑇^b) 𝑒𝑥 𝑝 (−^𝑞V_𝑛𝑘𝑇⁰) (2.10)

şekline dönüşür. Burada V₀ diyot bölgesi üzerindeki voltajdır. Bu voltajın, uygulanan voltaj ve seri direnç sebebiyle (nötral bölgenin direnci) voltajlar arası fark gözönüne alınırsa V₀=V − IR_s şeklinde yazılabilir ve akım eşitliği;

𝐼 = 𝐴𝐴^∗𝑇²𝑒𝑥 𝑝 (−^𝑞∅_𝑘𝑇^b) 𝑒𝑥 𝑝 (^𝑞(V−IR_𝑛𝑘𝑇^s)) (2.11)

şeklinde verilir. Son eşitliğin algoritması alınır V çekilirse,

𝑉 = (^𝑛𝑘𝑡_𝑞 ) 𝑙𝑛 (_𝐴𝐴^𝐼_∗𝑇2) + 𝑛∅_b+ IR_s (2.12)

olur. Bu son eşitliğin lnI ya göre diferansiyeli alınırsa

𝑑𝑉

𝑑(𝑙𝑛𝐼) =^𝑛𝑘𝑡_𝑞 + IR_s (2.13)

eşitliği elde edilir. Bu ifade birinci Cheung fonksiyonudur. Bu ifade de _{𝑑(𝑙𝑛𝐼)}^𝑑𝑉 nın I ya karşı grafik çizimi bir doğrudur. Bu doğrunun düşey eksenini kestiği noktası ve eğiminden sırayla R_s seri direnç ve n idealite faktörü parametreleri elde edilir (Cheung ve Cheung, 1986). Engel yüksekliği ∅_b‘yi bulmak için de aşağıdaki H(I) fonksiyonu oluşturulmuştur:

𝐻(𝐼) = 𝑉 − (^𝑛𝑘𝑡_𝑞 ) 𝑙𝑛 (_𝐴𝐴^𝐼_∗𝑇2) (2.14)

Eşitlik 2.12’deki V ifadesi son ifadede yerine konursa

𝐻(𝐼) = 𝑛∅_b+ IR_s (2.15)

ifadesi bulunur ve ikinci Cheung fonksiyonu olarak verilir. H(I)’ya karşı I grafiğindeki doğrunun eğiminden ve H(I)’nın ekseninin kesim noktasından sırayla seri direnç R_s (nötral bölge direnci) ve ∅_b engel yüksekliği bulunur.

2.11.3. Schottky diyot değerlerinin Norde fonksiyonları ile hesaplanması

Norde tarafından F(V) fonksiyonu n=1 durumunda seri direnç ve engel yüksekliğini tanımlamak için oluşturulmuştur. Bu yöntem ∅_b ve R_s ’nin sıcaklıkla değişmediği durumlarda kullanıldığı için sadece bir sıcaklıkta I-V eğrisi gerekir (Norde, 1979).

Düz beslem altındaki akım-gerilim ilişkisi Schottky diyotlarında termiyonik emisyon teorisine göre;

𝐼 = 𝐴𝐴^∗𝑇²𝑒𝑥 𝑝 (−^𝑞∅_𝑘𝑇^b) [𝑒𝑥 𝑝 (^𝑞V_𝑘𝑇⁰) − 1] (2.16)

şeklindedir. Burada ilk çarpan I0 doyma akımı V0 ise engel tabakası boyunca gerilim düşmesidir. Schottky diyotları düz beslem akım-gerilim karakteristiklerinde ideal durumlardan (n>1) gibi sapmalar gösterebilir. Bu sebeple eşitlik 2.16’daki akım ifadesi;

𝐼 = 𝐴𝐴^∗𝑇²𝑒𝑥 𝑝 (−^𝑞∅_𝑘𝑇^b) 𝑒𝑥 𝑝 (^𝑞V_𝑛𝑘𝑇⁰) [1 − 𝑒𝑥 𝑝 (−^𝑞V_𝑘𝑇⁰)] (2.17)

şeklinde düzenlenir. Burada 𝑒𝑥 𝑝 (−^𝑞∅_𝑘𝑇^b) << 1 durumunda Schottky diyoduna verilen V geriliminin bir bölümünün seri direnç üzerine V0=V−ΙRs eşitliğine göre düşeceği düşünülürse eşitlik 2.17 ifadesi;

𝐼 = 𝐴𝐴^∗𝑇²𝑒𝑥 𝑝 (−^𝑞∅_𝑘𝑇^b) 𝑒𝑥𝑝 (^𝑞(V−IR_𝑛𝑘𝑇^s)) (2.18)

şeklinde düzenlenir. Burada Rs seri direnci, V de dışardan uygulanan gerilimi ifade etmektedir.

Termoiyonik emisyon teorisi diyodun düz beslem I-V grafiğinin lineer bölgesinde kullanılır. Yüksek seri dirençden dolayı lineer bölge kT/q << V << IR_s aralığıyla sınırlanır ve daralma gösterir. Bu durumda ln(I)-V grafiğinin değerlendirilmesi daha karışık bir hal alır ve bu bölgede doyma akımı I0 ve engel yüksekliği (∅_b) değeri güvenilir olarak hesaplanamaz. R_s, ∅_b ve n değerini hesaplamak için daha güvenilir yöntemler vardır.

Norde tarafından sunulan fonksiyon aşağıdadır.

𝐹(𝑉) =^𝑉₂ − (^𝑘𝑡_𝑞) 𝑙𝑛 (_𝐴𝐴^𝐼_∗𝑇2) (2.19)

Bu F(V) fonksiyonu ile n=1 için R_s, ∅_b’nin hesaplanılmasına çalışılmıştır. Bu yöntemle R_s, ∅_b’nin sıcaklıkla değişmediği zamanlarda geçerli olduğu için tek bir I-V eğrisi gerekir.

2.11.4. Akım-Voltaj (I-V) karakteristikleri

Schottky diyotlarda akım iletimini çoğunluk taşıyıcıları oluşturur. Azınlık yük taşıyıcılarının katkıları ise ihmal edilir. Akımın çoğunluk taşıyıcıları ile olması ve aynı zamanda taşıyıcıların termal uyarmalarla engeli aşması, aygıtın diğer eklem çeşitlerine göre daha hızlı çalışmasını sağlar. Diğer taraftan çok fazla katkılandırılmış Schottky diyotlarının eklem genişlikleri azalacağından dolayı meydana gelecek tünelleme akımları aygıtın hız ve performansına olumlu yönde katkıda bulunur.

Schottky diyotları yüksek mobiliteli yarı iletkenlerden oluşturulduğunda düz beslem aşırı yüksek uygulanmadıkça akım hareket mekanizması termoiyonik emisyon teorisine uyar.

Bu şekildeki yapının akım-voltaj ilişkisi,

𝐼 = 𝐼₀[𝑒𝑥𝑝 ((^𝑞𝑉_𝑘𝑇) − 1)] (2.20)

şeklindedir. Burada 𝐼₀, doyma akımı olup

𝐼 = 𝐴𝐴^∗𝑇²𝑒𝑥 𝑝 (−^𝑞∅_𝑘𝑇^b0) (2.21)

ifadesi ile verilir. Burada A, kontak alanı ve ϕb0, sıfır beslem engel yüksekliğidir. A*, Richardson sabiti olarak adlandırılır. Bu sabit, yarı iletkendeki elektronların etkin kütlesi, engeli aşan elektronların kuantum mekaniksel bir yansımaları ve potansiyel engelin tepesi ile metal yüzeyi arasındaki elektronların fonon saçılması dikkate alınarak düzenlenmiş olup,

𝐴^∗ = ^{4𝜋𝑞𝑚}_ℎ3^∗𝑘2 (2.22)

burada; h ve k sırasıyla Planck ve Boltzmann sabiti, m*, taşıyıcının etkin kütlesidir. (2.23) ifadesi ideal bir diyodu tanımlar. (2.23) ifadesinin Ln(I)- V grafiği bir doğruyu vermelidir.

Aksi takdirde ideallikten sapma var demektir. Gerçekte, yapıya etki eden birçok faktörden dolayı her zaman ideallikten sapma vardır. Ara yüzey tabakasının varlığı veya tüketim bölgesindeki yeniden birleşme durumları ideallikten sapmanın birkaç örneğidir. Bu yüzden (2.20) ifadesi bir düzeltme faktörü ile yeniden ifade edildiğinde;

𝐼 = 𝐼₀[𝑒𝑥𝑝 ((_𝑛𝑘𝑇^𝑞𝑉) − 1)] (2.23)

elde edilir. Buradan, sıcaklığa ve gerilime bağlı olabilen ve n˃1 olan ideallik faktörüdür.

n=1 şartını sağlayan diyot ideal bir diyot’dur.

3. MATERYAL VE FABRİKASYON

3.1. PbO Özellikleri

Kurşun monoksit olarak adlandırılan kurşun oksitmolekül formülü PbO olan inorganik bileşiktir. PbO iki polimorf da oluşabilir; tetragonal kristal veya ortorombik kristal yapıda.

Ortorombik kristal yapı

Kristalografide ortorombik kristal sistemi 7 kristal sisteminden biridir. Ortorombik kafesler, kübik bir kafesin dikdörtgen çiftlerinin ikisi boyunca iki farklı faktör ile gerilmesinden ve bunun sonucunda da uzunluklarının farklı olduğu dikdörtgen tabana ve yüksekliğe sahip dikdörtgen prizma meydana gelir. Her üç taban da 90 ° açılarda kesişir.

Şekil 3.1. Ortorombik kristal yapı [57]

Tetragonal kristal yapı

Kristalografide tetragonal kristal sistemi 7 kristal sisteminden biridir. Tetragonal kristal kafesleri, kafes vektörlerinden birinde kübik bir kafesin gerilmesi sonucu ortaya çıkar.

Böylece küp, kare bir tabana ve yüksekliğe sahip dikdörtgen prizma şeklinde oluşur.

Şekil 3.2. Tetragonal kristal yapı [57]

PbO yapısı

X-ışını kristalografisi ile belirlendiği üzere , hem polimorfların, hem tetragonal hem de ortorombikler, piramidal dört koordinatlı Pb merkezini teşkil etmektedir. Dört köşeli formda dört Pb-O bağının uzunluğu aynıdır, ancak ortorombikte ikisi daha kısa ve iki uzunluktadır. Piramidal doğa, stereo-kimyasal olarak aktif yalnız çift elektron varlığını gösterir [56]. PbO tetragonal kafes yapısında oluştuğunda litarge denir; ve PbO ortorombik kafes yapısına sahip olması massicot olarak adlandırılır. PbO, kontrollü ısıtma ve soğutma ile Massicot'tan litarjiye veya tersine değiştirilebilir [57]. Tetragonal form genellikle kırmızı veya turuncu renklidir; ortorombik ise genellikle sarı veya turuncu renkte ancak yapının güvenilir bir göstergesi değildir [56-60].

Şekil 3.3. PbO kristal yapı [60]

Çizelge 3.1 PbO özellikleri

ÖZELLİKLERİ

Kimyasal formül PbO

Molar kütle 223,20 g/mol

Görünüm Sarı toz

Yoğunluk 9,53 g/cm³

Erime noktası 888°C

Kaynama noktası 1477°C

Suda çözünürlük 0,017 g/L

Çözünürlük Konsantre alkalilerde (HC1 amonyum klorür) çözünür Seyreltik alkalilerde (alkol) çözünmez.

PbO uygulama alanları

Kurşun camdaki kurşun türü normal olarak PbO'dur ve cam yapımında yaygın olarak kullanılır. Cama bağlı olarak, PbO'nun cam içinde kullanımının faydaları aşağıdaki gibidir;

(1) camın kırılma indisini arttırması, (2) camın viskozitesini düşürmesi, (3) camın elektrik direncini arttırması,

(4) camın X ışınlarını emme yeteneğini arttırması olarak sıralanabilir.

PbO'nun endüstriyel seramikler üzerine ilave edilmesi, malzemeleri daha manyetik ve elektriksel olarak etkisiz hale getirir ve genellikle bu amaçla kullanılır [61]. Tarihsel olarak PbO, seramik sırlarında ev seramikleri için yaygın olarak kullanılmıştır ve halen kullanılmaktadır. Ancak yaygın olarak kullanılmamaktadır. Daha az hakim olan diğer uygulamalar arasında, kauçuğun vulkanizasyonu ve belirli pigmentlerin ve boyaların üretimi bulunmaktadır. PbO, katot ışınlı tüp camında, X-ışını emisyonunu engellemek için, ancak boyun ve hunide kullanılır. Çünkü ön kaplamada kullanıldığında renk değişikliğine neden olabilir.

Kurşun tüketimi ve dolayısıyla PbO'nun işlenmesi, otomobil sayısı ile ilişkilidir, çünkü otomotiv kurşun asitli pillerin ana bileşeni olmaya devam etmektedir.

PbO için modern uygulamalar çoğunlukla kurşun bazlı endüstriyel cam ve endüstriyel

bileşenler de dahil olmak üzere endüstriyel seramiklerdedir.

Resim 3.1 Kurşunoksit (PbO) [61]

3.2. Polimetilmetakrilat’in Temel Özellikleri

Polimetil Metakrilat (PMMA), genellikle akrilik cam ya da pleksiglas olarak bilinen renksiz ve şeffaf bir termoplastik polimerdir. Genelde cama alternatif malzeme olarak tercih edilir ve polikarbonatla benzer özelliklere sahip olduğu için polikarbonatın kullanıldığı ürünlere de alternatif olabilir. Şekil 3.4 PMMA’nın kimyasal formülünü ve üretim aşamalarını göstermektedir. Metakrilik asit ve methanol arasındaki esterleşme reaksiyonları metilmetakrilatı oluşturur.

Şekil 3.4. (a) PMMA’nın kimyasal formülü, (b) PMMA’nın üretim aşamaları [65]

PMMA camdan daha saydamdır. Özellikle, camlar daha kalın yapıldığında saydamlığını kaybederken, PMMA 35 cm kalınlığa kadar saydamlığını kaybetmeden üretilebilir. 3mm kalınlıkta PMMA görünür ışığın %92 sini geçirir, %4 oranında yansıtır ve %4 oranında dielektrik kayıba sahiptir. 300 nmnin altındaki UV ışınlarını filtre eder. Kırılma indisi 589,3 nm’de 1,4905’dir. Yaklaşık olarak 5eV yasak enerji aralığına sahipbir yalıtkandır [62]. Dielektrik sabiti 100 kHz’de 5’tir [63]. PMMA güçlü ve hafif bir materyaldir. Özgül ağırlığı 1,17-1,20 g/cm³ bu değer camın yarısından daha azdır (Cam 2,60). Cam ve polistirenden daha iyi darbe mukavemetine sahiptır. PMMA’nın çekme direnci 70MPa değerlerine kadar yükselir. Yüksek ısıl genleşme katsayısına sahiptir ((5–10).10^-5 K^-1).

Erime sıcaklığı 160°C dir [64]. Birçok kimyasala karşı dayanıklı olsada organik çözücülere karşı dirençsizdir [65].

Enjeksiyon kalıplama yöntemiyle üretilen PMMA parçalarıyla otomotiv farı, cihaz kapakları, optik ekipmanlar ve ev dekorasyon ürünleri yapılabilir. PMMA akrilik camı residantal yapı ve ticari akvaryum dizaynlarında son zamanlarda tercih edilir hale geldi.

PMMA, denizaltı gövdelerinde, lensler ve otomobillerin dış lambalarında cama alternatif olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.

3.3. Al/PMMA/Pbo/P-Si Yapının Hazırlanması

Bu çalışmada kristal üzerindeki organik ve ağır metal kirlerini temizlemek ve yüzeydeki pürüzleri en aza indirmek için kimyasal temizleme işlemi ultrasonik banyoda yapıldı (Resim 3.3). Kimyasal temizleme prosedürleri uygulanarak 10 Ω.cm öz dirençli, 280 µm (mikron) kalınlıklı p-tipi yarı iletken Si kristali levha hazırlandı.

Resim 3.2. p-tipi Silisyum kristali