BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri

Transkript

1 BMM 205 Malzeme Biliminin Temelleri Malzemelerin Elektriksel Özellikleri Dr. Ersin Emre Ören Biyomedikal Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Bölümü TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Ankara - TÜRKİYE eeoren@etu.edu.tr

2 YARI İLETKENLER: Yarı iletkenlerin elektrik iletimi iletkenler kadar iyi değildir, ama bazı özellikleri ile bugün teknolojimiz için vazgeçilmez bir konuma gelmişlerdir. Yarı iletkenler İçsel (Intrinsic) (Saf elementler ve bileşikler) Dışsal (Extrinsic) (Safsızlık atomları) Si: Ge: GaP: GaAs: InSb: CdS: ZnTe: 1.1 ev 0.7 ev 2.25 ev 1.42 ev 0.17 ev 2.40 ev 2.26 ev Safsızlık elementleri ile sistemin elektronik yapısı değiştirilir. Hemen hemen tüm ticari yarıiletkenler dışsal yarı iletkendir.

3 Değerlik bandı İletim bandı Değerlik bandı İletim bandı İçsel (intrinsic) Yarı İletkenler: T = 0 o K T > 0 o K Boşluk (hole) kavramı: İçsel yarı iletkenlerde iletim bandına çıkan her bir elektron için kovalent bağ yapan elektronlarda (değerlik bandında) bir tane eksilme olur. Band gap Band gap E F E = g 2 Fermi düzeyi: olarak % 50 doluluk oranına sahip hipotetik enerji seviyesidir. İçsel iletkenlik (intrinsic conductivity): = n e e + p e h i o exp Eg n = p = n = n 2 kt Sonuçta eksik olan bu elektronun konumu elektrik alan altında kristal içerisindeki başka elektronlarca doldurulur ve sanki bir boşluk elektrik alan yönünde hareket ediyormuş gibi davranır. ( ) = n e + 5 k = ev/k i e h

4 İçsel (intrinsic) Yarı İletkenler: Elektrik alan Elektrik alan

5 Soru GaAs için oda sıcaklığındaki elektrik iletkenliği 10-6 kullanarak içsel yük yaşıyıcı yoğunluğunu bulunuz. mho/m ölçülmüştür. Aşağıdaki verileri e = 2 m 0.85 Vs h = 2 m 0.04 Vs ( ) = n e + i e h n i = e ( + ) e h n i mho/m = 19 m C V s 2 2 m V s n i 12 3 = m

6 Değerlik bandında boşluk İletim bandında serbest e- Dışsal (extrinsic) Yarı İletkenler: n-tipi: Elektrik alan T = 0 o K T > 0 o K Ana yük taşıyıcılar elektronlardır: n >> p ne e Verici (donor) p-tipi: Elektrik alan Ana yük taşıyıcılar boşluklardır: p >> n pe h Alıcı (acceptor)

7 Yarı İletkenlerde Sıcaklık Etkisi:

8 Yarı İletken Cihazlar küçük boyut, düşük güç tüketimi ısınmasına gerek yok Diyot (diode): yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Doğrultucu (Rectifier): alternatif akımı doğru akıma çeviren elektriksel bir devredir. p n doğrultucu kavşağı (The p n Rectifying Junction): forward bias reverse bias

9 p n doğrultucu kavşağı (The p n Rectifying Junction): reverse bias forward bias

10 Transistör veya Geçirgeç (Transistor): Günümüz mikroelektronik devrelerinin en önemli yarı iletken cihazlarıdır. Transistor = transfer + resistor Transistörlerin iki ana işlevi vardır: Bir elektrik sinyalini yükseltmek (yükselteç) Bilgi işleme ve depolama için bilgisayarlarda anahtar (switch) işlevi görmek Transistörlerin iki ana tipi vardır: Junction Transistors The MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)

11 Kavşak Transistörü ( Junction Transistor): n p n veya p n p

12 MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) Bilgisayar: 0 ve 1 yani iki farklı duruma ihtiyacımız var. İletken (conducting) / yalıtkan (nonconducting) on / off

13 MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)

14 Dolu düzeyler Boş bant Seramik ve Polimerlerde Elektrik İletkenlik Seramik ve Polimerler oda sıcaklığında genellikle yalıtkandır. E g 2 ev Band gap İyonik Seramik ve Polimerlerde Elektrik İletkenlik İyonik malzemelerde hem katyonlar (down +) hem de anyonlar (up -) elektrik alan içerisinde ivmelenirler. toplam = elektronik + iyonik

15 Dielektrik (Dielectric) Davranış: Uygulanan elektrik alan ile polarize edilebilen yalıtkandır. Kapasite (Capacitance) C = Q C Farad: F= V V Kondansatör (Capacitor) plakalar arasında kullanılan yalıtkanın cinsi, çalışma ve dayanma gerilimleri, depolayabildikleri yük miktarı C = A Yalıtkanlık sabiti (permittivity) Boşluğun (vacuum) yalıtkanlık sabiti 12 0 = F/m

16 Dielektrik (Dielectric) Davranış: Paralel Kondansötörler: CT = C1+ C C N Seri Kondansötörler: = C C C C T 1 2 N Dielektrik (Dielectric) Sabiti: r = k = o

17 Önümüzdeki Ders Saatinde MALZEME TASARIMI adlı konuya devam edeceğiz!