Yarıiletken gaz boşalma sisteminde akımın davranışı ve kararlılığı
Stabilization and behavior of current in a semiconductor gas discharge system
Yazar: EMRAH KOÇ
Danışman: PROF. DR. BAHTİYAR G SALAMOV ; PROF. DR. MEHMET ÇİVİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Elektriksel boşalma = Electrical discharge ; Gaz boşalmaları = Gas discharges ; Soğuk plazma = Cold plasma

Özet:
Yarıiletken Gaz Boşalma Sisteminde (YGBS) soğuk boşalma plazma dağılımının kararlılığının sürdürülmesini sağlayan ve etkileyen süreçler ışığa duyarlı GaAs:Cr yarıiletken katotlu argon plazmada geniş boşalma aralıklarında (45-525?um) deneysel olarak incelendi. Nicel sonuçlar, ikincil elektron salınım süreciyle boşalmayı besleyen uzaysal dağılım dirençli yarıiletken katodun, boşalmanın bütün tesir kesiti boyunca basınç.elektrotlararası mesafenin geniş aralığında (<47,25 Torr.cm) boşalma plazmasının kararlılığının yönetilmesinde sorumlu olduğunu göstermektedir. Bu aralıklarda, filamental akım dağılımların yarıiletken katot tarafından anlık yanıtlarla durdurulduğu gözlendi. Boşalma akımının kararlı davranışı, boşalmanın artan katot-potansiyel düşmesi sırasında akım-voltaj ve zaman karakteristiklerinden elde edildi.

İyon ve foton plazma türlerinin yarıiletken katotla etkileşimleriyle sonuçlanan yüzeyden salınan ikincil elektronların büyüklükleri soğuk yarıiletken katot akımının niteliksel etkileri için araştırıldı. Townsend katsayıları yaklaşımını içeren ölçüm ve hesaplamalar gaz boşalma uzayında iyonize çarpışmaların sayısını ve katot yüzeyinden salınan ikincil elektronların büyüklüklerini elde etmek için yapıldı. İlk defa gaz boşalması üzerine ikincil elektronlara dayanan çeşitli yarıiletken katotların (GaAs, InP ve Si) etkisi çeşitli gaz ortamlarında (argon, azot, hava, helyum ve neon) incelendi. Boşalma aralığında oluşan yüksek elektrik alanlar iyonlaştırıcı çarpışmaların ve ikincil elektronların sayılarının artışında önemli katkılar vermektedir. Yarıiletken yüzeyden elde edilen iyon ve foton-kaynaklı ikincil elektronların boşalmanın başlangıcında sırasıyla elektrik alan/gazın yoğunluk sayısının artan ve azalan değerlerinde yüksek değerlere ulaştığı gözlendi. 

Boşalma kararlılığının kaybolması, gaz hacminde uzay-yük etkisinin girişine dayanan artan katot-potansiyel düşmesinin dereceli olarak geliştiği durumda incelendi. Özellikle katot yakınlarında kurulan yüksek elektrik alanların etkisinde katot elektron akışı ve plazmada iyonize çarpışma süreçleri sırasında, bu bölgeden kaynaklanan N-tipi negatif diferansiyel direnç oluşumlarını içeren akım osilasyonları akımın düşük değerlerinde elde edildi. Bununla beraber, boşalma akımında dalgalanmalar ve geniş histerezis çevrimleri katot-potansiyel düşmesinin gelişimi sırasında atmosferik ve atmosfere-yakın boşalma rejimlerinde plazma hacminde çarpışma süreçlerinin ileri gelişimiyle oluşmaktadır. YGBS'den elde edilen sonuçların, boşalma kararlılığının geliştirilmesi ve değerlendirilmesinde mikroplazma sistemleri için önemli olacağını umuyoruz.

Abstract:
In a semiconductor gas discharge system (SGDS), processes affecting and providing the maintenance of stabilization of a cold-discharge plasma distribution are experimentally investigated in the broad range of discharge gap (45-525 um) in argon plasma with photosensitive semiconductor cathode GaAs:Cr. Quantitative results point out that semiconductor cathode having a spatial distribution resistance feeding the discharge with secondary electron emission process is responsible for government of stabilization of discharge plasma in the broad range of pressure.discharge gap (<47.25 Torr.cm) through all cross section of discharge. For this range, it was observed that the filamentary current distribution is stopped by semiconductor cathode with instantaneous responses. The stability behavior of discharge current was obtained from current-voltage and -time characteristics during the increasing cathode-potential fall of discharge. 

The magnitude of secondary electrons emitted from surface resulting in interactions with semiconductor cathode of ion and photon plasma species is investigated for the qualitative effects of cold semiconductor cathode current. Measurements and calculations including Townsend coefficients approach were performed for obtainment the magnitudes of secondary electron emitted from cathode surface and the number of ionized collision in gas discharge space. For the first time, the influence of various semiconductor cathodes (GaAs, InP and Si) based on secondary electrons on gas discharge is studied in various gas environments (argon, air, helium, neon and nitrogen). High electric fields occuring in discharge gap give the important contributions in the increasing of number of secondary electrons and ionized collision. It is observed that ion and photon-induced secondary electrons obtained from semiconductor surface reach towards high values in the onset of discharge at the enhanced and reduced values of electric field/number density of gas, respectively. 

Loss of discharge stabilization was investigated when the increasing cathode-potential fall based on the onset of space-charge effect in gas volume gradually develops. In particular, during the cathode electron flow and ionized collision processes in plasma in the effect of high electric fields establishing in near cathode, current oscillations including N-shaped negative differential resistance formations originating from near cathode were obtained at the low values of current. Hovewer, the discharge current fluctuations and wide hysteresis loops occur with further development of collision processes in plasma volume at atmospheric or atmospheric near-discharge regimes during the development of cathode-potential fall. We hope that the results obtained from SGDS will become important for microplasma systems in evaluation and development of discharge stabilization.