Yarıiletken malzemelerin bir mikroplazma hücredeki optik ve elektriksel davranışlarının incelenmesi
Examination of the optical and electrical behaviours of semiconductors in a microplasma cell
Yazar: ERHAN ONGUN
Danışman: PROF. DR. HATİCE HİLAL YÜCEL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Atmosferik soğuk plazma = Atmospheric cold plasma ; Fotokatotlar = Photocathodes ; Soğuk plazma = Cold plasma ; Tabakalı yarı iletkenler = Layered semiconductors

Özet:
Tez çalışmamızda doğru akım (DC) -beslemeli gaz boşalma-yarıiletken mikroplazma (GDSµP) sistemlerinin özellikleri deneysel ve sayısal yöntemler ile ayrıntılı olarak incelendi. Sayısal analiz çalışmaları, sonlu elemanlar yöntemi (FEM) çözücü COMSOL Multifizik simülasyon programının DC plazma platformunda gerçekleştirildi. Analiz edilen GDSµP sistemlerinin yapısal bileşiminde; çinko selenit (ZnSe), alüminyum galyum antimonid (AlGaSb) ve indiyum galyum arsenit fosfit (InGaAsP) bileşik yarıiletken malzemeler katot olarak, elektriksel iletken görünür bant optik geçirgen indiyum kalay oksit (ITO) ince film kaplı silika (SiO2) malzeme ise anot olarak kullanıldı. GDSµP sistemleri mikro ölçekte iki boyutlu düzlemsel topolojide dikdörtgen ve eliptik geometriye sahip beş farklı hücre modelinde tasarlandı. Mikroplazma reaktör hücresinde anot-katot elektrotlar arası boşalma aralığı (d) 50 µm ve 100 µm olmak üzere iki farklı değerde modellendi. Mikroplazma reaktör hücresinde plazma süreci, gaz tipi argon (Ar) ve argon/hidrojen (Ar/H2) ile tanımlandı. Gaz basıncı (P), atmosfer altı seviyede 150 Torr, 200 Torr ve 250 Torr değerlerinde tanımlandı. Hücrenin elektriksel eşdeğer devre modeli, DC besleme şartları altında 1,0 kV, 1,2 kV ve 1,3 kV değerlerinde tanımlandı. Tez çalışmamızda incelenen GDSµP sistemlerinin tanımlanan tüm değişken tasarım parametreleri, analiz edilecek model esas alınarak gerçekleştirilen çok sayıdaki simülasyon çalışmaları neticesinde modele özel olarak belirlendi. GDSµP sistemleri, normal glow DC boşalma modunda çalıştırıldı ve her bir modelin hesaplanan çalışma noktası, Paschen eğrisi üzerinde ve akım-gerilim (I/V) karakteristik grafikleri üzerinde gösterildi. GDSµP sistemlerinin farklı modeller için yapılan simülasyon çalışmaları neticesinde elde edilen; elektron yoğunluğu (ED), elektron akım yoğunluğu (ECD), elektrik potansiyel dağılımı (EPD) ve kapasitif güç depolama (CPD) parametrelerinin uzay-zamansal değişimleri iki boyutlu ve üç boyutlu grafik ortamlarda ayrıntılı olarak analiz edildi. Deneysel ve sayısal analizler neticesinde; grup II-VI ve III-V ikili, üçlü ve dörtlü bileşik yarıiletken malzemelerin basit düzlemsel ya da mikro-desenli düzlemsel elektron emisyon yüzeyli katot elektrot yapılarında argon ya da argon/hidrojen reaktör gaz ortamlarda diğer temel tasarım parametrelerinin uygulanması durumunda; ileri teknoloji endüstriyel, uzay-havacılık ve savunma sanayi uygulamalarına yönelik GDSµP tabanlı kızılötesi (IR) algılama ve görüntü çevirme aygıtlarının modellenmesi için etkili tasarım ve geliştirme araçları olarak kullanılabileceği anlaşılmıştır.

Abstract:
In this thesis study, the discharge properties of direct current (DC) gas discharge-semiconductor microplasma (GDSµP) systems were examined in detail using experimental and numerical methods. Numerical analyses were carried out on the DC plasma platform of the finite element method (FEM) solver COMSOL Multiphysics simulation program. In the structural composition of the analyzed GDSµP systems; zinc selenide (ZnSe), aluminum gallium antimonide (AlGaSb) and indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP) compound semiconductors, and electrically conductive optically transparent indium tin oxide (ITO) thin film coated silica (SiO2) substrate were used as cathode and anode electrodes, respectively. GDSµP systems were designed in five different cell models with rectangular and elliptical geometry in two-dimensional planar topology. The interelectrode discharge gaps (d) of the gas reactor chambers were set in 50 µm and 100 µm lengths. Process gas type in the microplasma reactor chamber was defined as argon (Ar) and argon/hydrogen (Ar/H2) mixtures. Process gas pressure (P) was defined at sub atmospheric pressures at 150 Torr, 200 Torr and 250 Torr. The electrical equivalent circuit model of the cell was defined under DC supply conditions at 1,0 kV, 1,2 kV and 1,3 kV. All variable key design parameters of GDSμP systems have been determined specifically for each model after numerous simulation studies on the relevant models. GDSµP systems were operated in the normal glow DC discharge regime and the calculated operating point of each model was indicated on the Paschen curve and current-voltage (I/V) curve. Spatiotemporal changes of the dynamic discharge parameters, including electron density (ED), electron current density (ECD), electric potential distribution (EPD) and capacitive power deposition (CPD) were analyzed in detail in two-dimensional and three-dimensional graphical media. It is figured out that cathode materials of binary, ternary and quaternary compound semiconductors in groups II-VI and III-V with simple planar or micro-digitated electron emission surfaces, process gasses of unary argon or binary argon/hydrogen mixtures in various ratios, and the other customizable design parameters can all be effectively utilized as design and development tools for modeling the GDSµP -based infrared sensing and visible image conversion devices for high-end industrial, aerospace and defense applications.