www.1bilgi.com

YARI Ä°LETKENLER

A – Ä°LETKEN, YALITKAN VE YARI Ä°LETKEN

1.Ä°letkenler

İletkenler, elektrik akımının geçmesine kolaylık gösteren maddelerdir. Aşağıdaki şekilde, bakır iletkeninin kesiti görülmektedir.

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image001.gif[/IMG] Valans elektronlar

Bakır iletken

Åžekil 1 – 1: Bakır iletkeninin kesiti

Bakır atomunun en dış yörüngesinde (valans yörünge) sadece bir elektron bulunur. En dış yörüngede sadece bir elektronun bulunması, iletkenlik yönünden anahtar faktördür. En dış yörüngede bulunan elektrona valans elektron adı verilir.

Çok küçük bir bakır parçasında bile, her biri valans elektrona sahip milyarlarca atom vardır. Bu valans elektronlar, atom çekirdeğine zayıf olarak bağlıdır. Bu nedenle, valans elektronları, bulundukları yörüngeden koparmak kolaydır. Bir bakır iletken uçlarına gerilim uygulanırsa, iletkendeki milyarlarca valans elektron, kendi atomlarından kopacak ve gerilim kaynağının pozitif ucuna doğru hareket edecektir. Bu nedenle, bakır çok iyi bir iletkendir ve direnci çok düşüktür.

Bakır en yaygın olarak kullanılan iletkendir. Elektrik ve elektronik devrelerinin pek çoğunda, iletken olarak bakır kullanılır. Baskılı devrelerde de iletken yollar bakırdır. İyi bir iletken oluşu, ucuzluğu ve kolay lehimlenebilmesi, bakırı tercih edilen bir iletken haline getirmiştir.

Gümüş,direnci en düşük olan iletkendir. Ayrıca lehimlemesi de kolaydır. Bakıra oranla çok pahalı olması, yaygın olarak kullanılmamasının en büyük sebebidir. Bununla birlikte, çok hassas bazı elektronik devrelerde, gümüş iletken olarak kullanılmaktadır.

Altın da iyi bir iletkendir ve bakır ile gümüşe nazaran paslanması daha azdır. Bu nedenle hareketli kontaklarda altın kaplama kullanılmaktadır.

YalıtkanlarYalıtkanlar, elektrik akımını iletmeyen maddelerdir. Yalıtkanlara örnek olarak, plastik, mika, kağıt gösterilebilir. Yalıtkan maddelerin en dış (valans) yörüngelerinde 8 elektron bulunur. Yani en dış yörüngede ne eksik, ne de fazla elektron vardır. Bu tip yörüngelere doymuş yörünge adı verilir. Doymuş yörüngelerden elektron koparmak çok zor olduğu için yalıtkan maddelerde serbest elektron sayısı çok azdır. Bu nedenle elektrik akımını iletmezler. Yalıtkan maddeler, elektrik kablolarının izolasyonunda kullanılırlar.

3.Yarı İletkenler

Yarı iletkenler, elektriksel iletkenlik bakımından, yalıtkanlarla iletkenler arasında yer alırlar. Germanyum ve silisyum, elektronik alanında yaygın olarak kullanılan yarı iletkenlerdir. Germanyum ve silisyumun en dış (valans) yörüngelerinde 4 elektron bulunur. Germanyum ve silisyum yarı iletkenler maddeleri, bu yarı iletkenlere katkı maddesi ilave edilerek elektronik devre elemanı imalinde (diyot, transistör, tristör, triyak, vb.) kullanılırlar.

B – SAF (KATKISIZ) GERMANYUMUN KRÄ°STAL YAPISI VE KOVALENT BAÄž

Germanyum atomunda 32 proton vardır. Elektronların yörüngelere göre dağılımı ise şöyledir: Birinci yörüngede 2 elektron, ikinci yörüngede 8 elektron, üçüncü yörüngede 18 elektron ve en dış yörüngede 4 elektron. Åžekil 1 –2 ‘de germanyum atomunun yapısı görülmektedir.

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.gif[/IMG]

Åžekil 1 – 3: Saf germanyum maddesindeki kovalent baÄŸlar

Kovalent BaÄŸlar

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image004.gif[/IMG]

Germanyum atomuyla ilgili olarak bilinmesi gereken en önemli husus, en son yörüngedeki 4 valans elektrondur. Bu kural, bütün yarı iletkenler için geçerlidir. Hepsinin atomlarının en dış yörüngesinde 4 elektron bulunur. Buna göre germanyum atomu basitleÅŸtirilmiÅŸ olarak çizildiÄŸinde sadece en dıştaki 4 elektron gösterilir. Åžekil 1 – 4’te germanyum atomunun basitleÅŸtirilmiÅŸ çizimi görülmektedir.

En dış yörüngelerinde 4 elektron bulunan maddeler, kimyasal olarak baÅŸka maddelerle birleÅŸme eÄŸilimi gösterirler. Bu maddeler, en dış yörüngelerindeki elektron sayısını 8’e tamamlama eÄŸilimindedirler. Herhangi bir katkı maddesi katılmazsa, birbirine komÅŸu germanyum atomları, en dış yörüngelerindeki elektronları ortak kullanarak 8 sayısına ulaşırlar. Bu paylaÅŸma iÅŸlemi sonucunda komÅŸu atomlar arasında “Kovalent BaÄŸlar” oluÅŸur. Åžekil 1 – 3’te saf germanyum maddesinde oluÅŸan kovalent baÄŸlar görülmektedir.

Söz konusu şekilde de görüldüğü gibi, saf germanyum maddesinde, komşu atomlar, son yörüngelerindeki elektronları ortak olarak kullanmaktadırlar. Bu nedenle saf germanyum maddesi, kimyasal olarak kristal bir yapıya sahiptir. Kristal yapı, komşu atomlar arasındaki kovalent bağların sonucudur.

C – SAF (KATKISIZ) SÄ°LÄ°SYUMUN YAPISI

Saf silisyum maddesinin atomunda 14 proton ve 14 elektron bulunur. Silisyumun son yörüngesinde de, germanyum atomunda olduğu gibi 4 valans elektron vardır. Bu nedenle silisyum da bir yarı iletkendir. Aşağıdaki şekilde silisyumun atom yapısı görülmektedir.

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image005.gif[/IMG]

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image006.gif[/IMG]

Silisyumun son yörüngesinde de 4 elektron bulunduÄŸu ve biz de daha ziyade bu 4 elektronla ilgilendiÄŸimiz için silisyum atomunun basitleÅŸtirilmiÅŸ yapısını ÅŸekil 1 – 6’da görüldüğü gibi çizebiliriz.

Diyot, transistör, tristör ve triyak gibi elektronik devre elemanlarının imalinde, silisyum germanyuma göre çok daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

Buraya kadar, saf germanyum ve saf silisyum maddeleri incelendi. Elektronik devre elemanları yapımında, germanyum ve silisyum maddeleri saf olarak kullanılmaz, içlerine katkı maddeleri enjekte edilerek N (negatif) ve P (pozitif) tipi yarı iletkenler elde edilirler.

D – N TÄ°PÄ° YARI Ä°LETKENLER

Saf silisyum maddesine, “Arsenik” maddesi ilavesi edilerek “N tipi yarı iletken” elde edilir. Arsenik maddesinin atomlarının en dış yörüngesinde 5 elektron bulunur. AÅŸağıdaki ÅŸekilde arsenik atomunun basitleÅŸtirilmiÅŸ ÅŸekli görülmektedir (Sadece en dış yörünge çizilmiÅŸ).

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image007.gif[/IMG]

Åžekil 1 – 7: Arsenik atomunun basitleÅŸtirilmiÅŸ çizimi

Saf silisyum maddesine, atomlarının en dış yörüngesinde 5 elektron bulunan arsenik maddesi katılırsa, silisyum atomları, komÅŸu arsenik atomlarının en dış yörüngesindeki 5 elektrondan 4 tanesiyle kovalent baÄŸlar kurar. 5. elektron ise açıkta kalır. Bu elektron, katkılı kristal yapı içerisinde serbest elektron olarak ortaya çıkar. Bu yolla, yeni kristal yapı içerisinde birçok serbest elektron meydana gelmiÅŸ olur. Åžekil 1 – 8’de, arsenik katkılı silisyum maddesinin yapısı görülmektedir.

Bu maddede elektronlar protonlara göre daha fazla olduğu için madde negatif özellik kazanır ve bu nedenle N tipi madde olarak adlandırılır.

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image008.gif[/IMG]

E – P TÄ°PÄ° YARI Ä°LETKENLER

Saf germanyum veya silisyum maddesine, “Bor” maddesi ilavesi edilerek “P tipi yarı iletken” elde edilir. Bor maddesinin atomlarının en dış yörüngesinde 3 elektron bulunur. AÅŸağıdaki ÅŸekilde, bor atomunun basitleÅŸtirilmiÅŸ çizimi görülmektedir.

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image009.gif[/IMG]

Åžekil 1 – 9: Bor atomunun basitleÅŸtirilmiÅŸ çizimi

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image010.gif[/IMG]

Silisyum maddesine, bor maddesi enjekte edildiÄŸinde, bor atomlarının en dış yörüngelerindeki 3 elektron, silisyum atomlarıyla kovalent baÄŸ kurar, buna karşılık bor atomunun en dış yörüngesindeki elektron sayısı 3 olduÄŸu için bir kovalent baÄŸ eksik kalır. Yani her bor atomu 1 elektronluk eksiklik meydana getirir. Bu elektron eksikliÄŸi veya boÅŸluÄŸu “oyuk” olarak da adlandırılır. Katkılı maddede meydana gelen elektron eksikliÄŸi, bu maddenin pozitif bir yapı kazanmasına yol açar. Bu nedenle bu madde, P tipi yarı iletken olarak adlandırılır. Åžekil 1 – 10’da bor katkılı silisyum maddesi görülmektedir.

Buraya kadar anlatılanları şöyle özetleyebiliriz:

Saf silisyum veya germanyum maddesine, bir miktar arsenik maddesi katılırsa, elde edilen bileÅŸimde elektron fazlalığı ortaya çıkar ve bu madde “N tipi yarı iletken” olarak adlandırılır.

Saf silisyum veya germanyum maddesine, bir miktar bor maddesi katılırsa, elde edilen bileÅŸimde elektron eksikliÄŸi (oyuk) ortaya çıkar ve bu madde “P tipi yarı iletken” olarak adlandırılır.

F – N VE P TÄ°PÄ° YARIÄ°LETKENLERDE ELEKTRON VE OYUK HAREKETLERÄ°

N tipi yarı iletkenlerde elektronlar, P tipi yarı iletkenlerde ise oyuklar akım taşıyıcı olarak görev yaparlar.

N tipi bir yarı iletken, DC gerilim kaynağına baÄŸlandığında, bu maddedeki elektronlar (akım taşıyıcılar), gerilim kaynağının negatif kutbu tarafından itilirler ve pozitif kutbu tarafından çekilirler. Böylece gerilim kaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna doÄŸru bir elektron akışı meydana gelir. Åžekil 1 – 11’de, N tipi bir yarı iletkende elektron hareketi görülmektedir.

P tipi bir yarı iletken, DC gerilim kaynağına baÄŸlandığında ise, akım oyuklar tarafından taşınır. Oyuklar, gerilim kaynağının pozitif kutbu tarafından itilirler ve negatif kutbu tarafından çekilirler. Böylece, gerilim kaynağının pozitif kutbundan negatif kutbuna doÄŸru bir oyuk hareketi meydana gelir. Åžekil 1 – 12’de ise, P tipi bir yarı iletkende oyuk hareketi görülmektedir.

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Yasin/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image011.gif[/IMG]

Åžekil 1 – 11: N tipi yarı iletkende elektronların akışı

- +

Åžekil 1 – 12: P tipi yarı iletkende oyukların hareketi

- +

Oyuklar, kendileri bir varlık olmayıp, bulundukları yerde bir elektron eksikliÄŸi anlamına gelirler. Oyukların hareketini ÅŸekil 1 – 13’te görülen otomobillerin hareketi sırasında ters yönde giden boÅŸlukla kıyaslayabiliriz. Söz konusu ÅŸekilde, en üstteki sırada, trafik lambasının kırmızı yanması sırasında duran arabalar görülüyor. Arabaların ilk durduÄŸu anda, en öndeki arabayla trafik lambası arasında bir arabanın durabileceÄŸi bir boÅŸluk kalmıştır. En öndeki araba bunu deÄŸerlendirecek ve ilerleyecektir. Bu durumda öndeki boÅŸluk dolacak ve en öndeki arabanın daha önce bulunduÄŸu yer boÅŸalacaktır. Bu durumda, ilk anda en önde bulunan boÅŸluk bir geriye hareket etmiÅŸ olur. Åžimdi boÅŸluk birinci araba ile ikinci araba arasındadır. Ä°kinci arabanın da aynı ÅŸekilde davranarak önündeki boÅŸluÄŸa ilerlediÄŸini düşünelim. Bu durumda boÅŸluk bir geriye doÄŸru hareket etmiÅŸ olacaktır. Bütün arabalar sırayla ilerlediklerinde boÅŸluk en önden en arkaya doÄŸru hareket etmiÅŸ olur.

N tipi yarı iletkenlerde de aynı şeyler olmaktadır. Elektronlar, önlerinde bulunan oyukların yerini aldıkça, bu elektronların bıraktığı oyuklar, tam ters yönde hareket etmiş olmaktadır.

Åžekil 1 – 13: Otomobiller arasındaki boÅŸluÄŸun ters yöndeki hareketi

F – ÇOÄžUNLUK VE AZINLIK AKIM TAÅžIYICILAR

P ve N tipi yarı iletken elde edilirken, saf germanyum veya silisyum maddelerine, yaklaşık olarak milyonda bir oranında katkı maddesi enjekte edilir. Bu demektir ki, çok az miktarda arsenik veya bor maddesi, saf germanyum veya silisyum kristaline enjekte edilmektedir. DiÄŸer taraftan germanyum ve silisyum kristallerini tam saf (pure) olarak elde etmek mümkün olmaz. ÖrneÄŸin saf germanyum veya silisyum kristalinde, son yörüngesinde 3 elektron olan veya 5 elektron olan atomlar da bulunacaktır. Bundan dolayı, P tipi yarı iletkenlerde çok az da olsa serbest elektronlar, N tipi yarı iletkenlerde de yine çok az oyuklar bulunacaktır. Ancak, P tipi yarı iletkenlerde oyuklar, N tipi yarı iletkenlerde de elektronlar çoÄŸunluktadır. P tipi yarı iletkenlerdeki oyuklar, “çoÄŸunluk akım taşıyıcı”, elektronlar ise “azınlık akım taşıyıcı” olarak adlandırılır. N tipi yarı iletkenlerde ise, elektronlar, “çoÄŸunluk akım taşıyıcı”, serbest oyuklar ise “azınlık akım taşıyıcı” olarak adlandırılırlar.

Özetle, N tipi yarı iletkenlerde elektronlar, P tipi yarı iletkenlerde oyuklar, akım taşıyıcı olarak görev yaparlar. Azınlık akım taşıyıcılar ise yarı iletken devre elemanında sızıntı akımına yol açarlar.

Günümüzde, germanyum ve silisyum, saflığa çok yakın bir şekilde elde edilebilmektedir. Böylece, azınlık akım taşıyıcılar en aza indirilmiş olmaktadır. Bununla birlikte, yarı iletken devre elemanının çalışması sırasında ısınması, azınlık akım taşıyıcılarının artmasına sebep olur ve bu da devrenin çalışma karakteristiğinin bozulmasına yol açar. Bunun önüne geçmek için, özellikle yüksek akımdan dolayı ısı artışı olabilecek yarı iletken devre elemanları (örneğin yüksek akımlı diyot, transistör ve tristörler) soğutucu metal kılıflar (case) içerisinde imal edilirler.

Bu yazı Salı, 06 Kasım 2007, 12:50 tarihinde Endüstri kategorisi altında yayınlandı. Bu yazıya yapılacak yorumlardan haberdar olmak için RSS 2.0 beslemesini kullanabilirsiniz. Yorum yapabilirsiniz, veya kendi sitenizden geri izleme yapabilirsiniz.