Proton irradiation and gamma-ray irradiation testing studies on the commercial grade ganfets to investigate their characteristics under the space radiation environment
Uzay radyasyon ortamındaki karakterlerini gözlemlemek üzere ticari sınıf ganfetler üzerinde proton ışınlaması ve gama ışınlaması test çalışmaları
- Tez No: 595788
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ OZAN KEYSAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Nükleer Mühendislik, Electrical and Electronics Engineering, Physics and Physics Engineering, Nuclear Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 132
Özet
Bu tezde, gelecekteki uyduların güç alt sistemlerinde, temel anahtarlama elemanı olarak silikon tabanlı MOSFET'ler yerine entegre edilebilmesi amacıyla, ticari sınıf GaNFET'lerin radyasyon altındaki performansı incelenmiştir. Proton ışınlama ve Gama ışınlama testleri olmak üzere GaNFET'ler üzerinde iki ana ışınlama testi yapılmıştır. GaNFET'lerin radyasyon performansının anlaşılabilmesi için uzayın zorlu radyasyon ortamı bu testler ile simule edilmiştir. Proton ışınlaması testinde, yüksek enerjili parça isabet etmesi sonucu oluşan tek olay etkilerine karşı komponentin performansının incelenmesi hedeflenmiştir. 100 V baralı uydu güç alt sistemleri için anahtar olarak kullanılması ihtimali göz önünde bulundurularak Efficient Power Conversion Corporation (EPC) firmasından EPC2034 (200V, 48A) GaNFET'i seçilmiştir. İki test kartı üzerine dört adet test örneği yerleştirilmiştir. Bu komponentler anahtarlama yaparken, 30 MeV enerjili hızlandırılmış protonlarla ışınlanmıştır. İlgili ESCC standardında işaret edilmiş olan 1011 protons/cm2 toplam akı değerine ulaşmak için 12.5 saniye süre ile 8.2x109 protons/cm2/s fluks uygulanmıştır. Işınlama öncesinde, esnasında ve sonrasında gerçek zamanlı olarak Vgs-Ids karakterleri ölçülmüş ve kaydedilmiştir. Tüm komponentlerin fonksiyonelliğini koruduğu gözlemlenmiştir. Tüm komponentler sağlıklı kalmış ve çalışmaya devam etmektedir. Herhangi bir hata gözlenmemiştir. Test kartlarından bir tanesi için bozucu olması amacıyla 30 dakika süre ile ilave ışınlama gerçekleştirilmiştir. Fluks seviyesi korunarak ESCC standardında belirlenen değerden oldukça yüksek olan 1.476x1013 protons/cm2 toplam akı değerine ulaşılmıştır. Test edilen parçalar, oldukça yüksek bu radyasyon seviyesi altında tamamen fonksiyonel olarak kalmıştır ve yıkıcı veya kalıcı bir hata meydana gelmemiştir. Bu çalışma, ışınlanan GaNFET'lerin uygulanan proton radyasyonuna dayanıklı olduğunu açıkça ortaya koymuştur. Gama ışınlaması testinde, zaman içinde biriken etki olan toplam iyonlaşan doza karşı komponentin performansının incelenmesi amaçlanmıştır. EPC2034 ve GaN Systems firmasından GS61004B (100 V-45 A) olmak üzere iki farklı test örneği seçilmiştir. Test örneklerinden GS61004B, 28 V veya 50 V uydu güç baraları için muhtemel anahtar adayı olarak düşünülmüştür. Her markadan 9 adet test örneği iki farklı test kartına ayrı olarak yerleştirilmiştir. Işınlama esnasında, her test kartında, gerilimin parçanın radyasyon performansına etkisinin de gözlenebilmesi amacıyla, test örneklerinden üçünde kapı-kaynak pinleri arasına, diğer üçünde akaç kaynak pinleri arasına gerilim uygulanmış, kalan üçü de gerilimsiz halde bırakılmıştır. Radyasyon dozu 12.5 kRad (Si)/hour olarak ayarlanmıştır. 12.5, 25, 50 ve 100 kRad seviyelerinde ölçümler alınmıştır. Bu ölçümlerde kapı-kaynak gerilimleri, akaç-kaynak gerilimleri ve akaç akımları dalga şekilleri anahtarlama periyotları için kaydedilmiştir. Test altındaki her malzeme için kapı-kaynak eşik gerilimi, kapı-kaynak plato gerilimi, kapı-kaynak yükselme ve düşme süreleri ve akaç kaynak yükselme ve düşme süreleri detaylıca analiz edilmiştir. Test edilen 18 parçanın tamamı sağlığını korumuş ve işlevsel kalmıştır. Komponentlerin kapı kaynak eşik değerlerinde, plato gerilimlerinde, yükselme ve düşme sürelerinde anlamlı veya tek yönde bir değişim tespit edilmemiştir. Parçaların karakterleri veya performansları değişmemiştir. Test edilen komponentlerin, uygulanan gerilim koşullarından bağımsız olarak 100 kRad'a toplam iyonize dozuna dayanıklı olduğu açık şekilde gözlenmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the radiation performances of the commercial GaNFETs were investigated for the possible future integration of these devices to the power subsystems of the satellites as a main switching power element instead of the Silicon MOSFET. Two main irradiation tests were applied to the GaNFETs, namely proton irradiation test, and gamma-ray irradiation test. By these tests, tough space radiation environment was simulated to understand the GaNFET's radiation performances. In the proton irradiation test, it is aimed to investigate the device's performance of the Single Event Effect (SEE) which is the failure caused by the strike of the single high energetic particle. A GaNFET EPC2034 (200V, 48A) from Efficient Power Conversion Corporation (EPC) was chosen as a test sample considering the fact that it could be a possible candidate of the switch for the 100 V space bus designs. Four test samples were positioned on two test cards. They were irradiated with the 30 MeV protons while the devices are switching. A flux of 8.2x10^9 protons/cm^2/s is applied for 12.5 seconds for both test cards to reach ultimate fluence of 10^11 protons/cm^2 as declared in ESCC Specification No. 25100. Real-time measurements were taken. Vgs - Ids characteristics are measured and recorded for each device before, during and after irradiation. It is observed that the devices retained their functionally. All the devices remained healthy and continued to operate. No failure was observed. Further irradiation is applied for one of the test cards (having two GaNFETs) with a destructive purpose. Same flux level is applied for 30 minutes up to a total fluence level of 1.476x10^13 protons/cm^2 which is quite higher level than that of appointed in the ESCC standard. It is observed that the GaNFETs stayed fully functional under this elevated level of radiation and no destructive events and irreversible failures took place for transistors. This study showed that the irradiated GaNFETs are reasonably resistant to applied proton radiation. In the gamma-ray irradiation test, the objective was to investigate the Total Ionizing Dose (TID), which corresponds to the cumulative radiation effect, performance of the devices. Two test samples were chosen, EPC2034 and GS61004B (100 V-45 A) from GaN Systems, respectively. GS61004B was considered as a possible candidate of switch for the 28 V or 50 V power system buses. Nine irradiation test samples for each brand were assembled to two irradiation boards separately. In each board, three of the devices were biased from gate to source, three of them were biased from drain to source and the remaining three were unbiased to observe the bias effects on the device's radiation performance. The radiation dose was adjusted to 12,5 kRad (Si)/hour. Measurements were taken for the levels of 12.5, 25, 50 and 100 kRad respectively between the 1, 1, 2, and 4 hours of gamma-ray irradiation intervals. Gate to source voltages, drain to source voltages and drain current waveforms were recorded for the switching periods. Gate to source threshold voltages, gate to source plateau voltages, gate to source rise and fall times, and drain to source rise and fall times were analyzed for each device under test in detail. All the 18 devices stayed healthy and fully operational. No irreversible or destructive effects were observed. No meaningful or one-way change was noticed on the devices' gate to source threshold voltages and plateau voltages or rise and fall times. Characteristics and the performances of the devices have not changed. It was clearly observed that the irradiated samples were radiation-resistant up to a total dose level of 100 kRad regardless of the bias condition.
Benzer Tezler
- Gama geçirgenlik tekniği ile yoğunluk tayini
Density measurements by using gama transmission technique
NESLİHAN BALTACIOĞLU
- Gama geçirgenlik prensibi ile malzemelerin ağırlıklarının ölçülmesi
Weight measurements by using gama transmission principle
S.ÜNAL ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ NEZİHİ BİLGE
- Design of a si-pin based gamma detector used for the assessment of environmental radioactivity
Çevresel radyasyon seviyesinin ölçümü için kullanılabilecek sı-pın bazlı bir gama dedektörünün tasarımı
GÖKÇEN TATAROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN
- Çeşitli madensuyu ve sodaların radyoaktivite seviyelerinin tayini
Determination of radioactivity levels in mineral waters and sodas
ZUHAL ER
- An observational study of accreting millisecond x-ray pulsars: From accretion to the rotation powered stages
Milisaniye X-ışını pulsarlarının gözlemsel incelenmesi: Kütle aktarım evresinden radyo pulsarı evresine
CAN GÜNGÖR
Doktora
İngilizce
2016
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAZIM YAVUZ EKŞİ
PROF. DR. ERSİN GÖĞÜŞ