YARI İLETKEN DEVRE ELEMANLARI

Transkript

1 YARI İLETKEN DEVRE ELEMANLARI Elektronik sanayinin gelişmesinde en önemli pay yarı iletken kullanımından dolayıdır. Bilgisayarlarda bu uygulama ile, 1994 yılında geliştirilmiştir, 1 cm 2 lik ve 200 μm kalınlıkta bir yongaya Si esaslı yarı iletken elektrik devrelerin binlercesinin konulması bu işin temelini oluşturmuştur. Si gibi bir yarı iletkenden tek kristalde pn eklemleri oluşturularak çeşitli yarı iletken devre elemanları yapılabilir. Bu elemanlar p-türü ve n-türü malzemeler arasındaki sınırın özelliğinden yararlanmaktadır. Örneğin pn eklem diyotları ve npn transistorları bu tür eklemler kullanılarak üretilir. Bir pn eklem diyotu, bir katkısız Si tek kristali büyütülerek ve daha sonra bu kristali önce n-türü bir malzemeyle, ardından p-türü bir malzemeyle katkılayarak üretilebilir. Fakat, pn ekleminin daha yaygın bir üretim yöntemi, bir tür katkının (örneğin p türü) var olan bir n-türü malzemeye katı halde yayındırılması şeklindedir. Si ve Ge bugün elektronik sanayinde kullanılan eşsiz birer yarı iletkendir lı yıllardan sonra inanılmaz bir atılım gerçekleştirilmiştir.

2 Doğrultucular (p-n bağlantı elemanları): Doğrultucular, alternatif akımı doğru akıma dönüştürürler ve p-n bağlantısı oluşturan bir n-tipini bir p-tipine bağlamakla üretilir. Elektronlar n tipi bağlantıya hareket ederken; boşlukları p tipi bağlantıya doğru hareket ederek elektrik dengesizliği bir voltaj veya bağlantı boyunca temas potansiyeli meydana getirir. Negatif ucun n tipi tarafında olması için p-n bağlantısına bir dış voltaj yerleştirilirse net bir akım üretilir. Bu ileri kutuplama gerilimi olarak tanımlanır. 2

3 Uygulanan voltaj geri döndürülürse bir geri kutuplama gerilimi oluşur, boşlukların ve elektronların her ikiside bağlantıdan uzağa hareket eder, bağlantı yalıtkan gibi davranır ve nerdeyse hiç akım geçmez. P-n bağlantısı bir yönde akımın akmasına izin verdiği için alternatif akımın sadece yarısı geçer.

4 YARI İLETKEN MALZEMELERİN UYGULAMA ALANLARI Güneş Pilleri: Güneş pilleri, yarı-iletkenlerden yapılır. Yarı-iletken özellik gösteren birçok malzeme arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar; Si, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi malzemelerdir. Yarı-iletken malzemelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır.

5 Tablo: Ticari olarak satılan pillerin cinsleri, laboratuar şartlarında hücre verimleri ve modül halindeki verimleri

6 Transistörler: Transistörler, küçük ve sağlamdır, bir flaman ısıtma devresine ihtiyacı yoktur, çalışma gerilimleri alışılmış gerilimler değildir, aksine küçük gerilimler ile çalışabilirler. Transistör genel olarak, bir yarıiletken kristalde bulunan yük taşıyıcı akımın kontrolü ile yükseltme etkisinin elde edildiği bir yarı iletken elemandır. Video

7 Bugünün mikroelektronik devreleri için oldukça önemli olan yarı iletkenlerden meydana gelen transistörler iki temel fonksiyona sahiptir: Birincisi, daha önceleri vakum tüplerinin yaptığı elektrik işaretlerini kuvvetlendirme işidir. Ayrıca, bilgisayarlarda bilgi işleme ve depolama için anahtarlama görevi gören bir cihazdır. Birleşmeli transistör ve metal-oksit yarı iletken alan etkili transistör (kısaca MOSFET: Metal-oxide semiconductorfield-effect transistor) olmak üzere iki temel türü vardır.

8

9 MOFSET: Metal-oxide semiconductor- field-effect transistor metal-oksit yarı iletken alan etkili transistör

10 Transistörler zayıf akımların kuvvetlendirilmesi amacı ile n-p-n veya p-n-p yarıiletken takımından oluşurlar. N tipi yayıcı (emitör), ortada p tipi taban ve n tipi sağda toplayıcıdan oluşurlar. GERİLİM UYGULANINCA Yayıcıdan e lar sınırı aşarak tabana geçer, taban çok ince (10 mikron) olduğundan e ların çoğu toplayıcıya atlar ve hızla (+) uca doğru ilerler ve Ic toplayıcı akımını oluşturur. Böylece zayıf bir kaynaktan gelen akım birkaç yüz kat arttırılmış olur. Bundan dolayı transistörler akım yükseltici olarak kullanılır. Video

11 BASİT BİR METAL OKSİT YARI İLETKEN TRANSİSTÖRÜN İMALAT SÜRECİ Polisilikon kapısı top nitrit Metal kaynak bağlantısı Kapı metal bağlantı Katkılı silikon metal bağlantı borusu Oksit alanı oksit kaynak Silikon yüzey geçit kanal oksit Oksit geçidi

12

13

14 LED (Işık Yayan Diyot) LED ler elektrik enerjisini ışığa dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır. LED in en önemli kısmı yarı iletken malzemeden oluşan ve ışık yayan LED çipidir. LED çipi noktasal bir ışık kaynağıdır ve kılıf içine yerleştirilmiş yansıtıcı eleman sayesinde ışığın belirli bir yöne doğru yayılması sağlanır. Şeffaf kılıflı bir LED e dikkatli bakılırsa LED çipi gözle görülebilir. LED lerin yaydığı ışık, LED çipi içerisindeki yarı iletken katkı maddeleri ile ilgilidir. LED in hangi renkte ışık yayması isteniyorsa galyum, arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum nitrit gibi kimyasal malzemelerden uygun oranda yarı iletken malzemeye katkı yapılır (GaAIAs, GaAs, GaAsP, GaP, InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LED çipinin istenen dalga boyunda ışıma yapması sağlanır. Örneğin kırmızı renk (660nm) için GaAlAs, sarı renk (595nm) için InGaAIP, yeşil renk (565nm) için GaP, mavi renk (430nm) için GaN kullanılır.

15 Diyot (iki uçlu) ve transistör (üç uçlu) kontrol işlevli devre elemanlarıdır.

16 OLED (organic light-emitting diode) teknolojisi ışık yayan organik diyot (OLED) görüntüleyicisi, elektrik verildiğinde ışık yayan organik moleküllerden yapılmış ince filmdir. OLED'ler daha parlak, daha canlı görüntü sağlarken, LED ve LCD görüntü panellerinden daha az enerji tüketir.

17 P-N

18 Direnç Çeşitleri YARIİLETKEN DİRENÇLER Yarıiletken dirençlerin ısı, voltaj, ışık ve gerilmeyle dirençlilik değerleri değişen elemanlardan oluşan çeşitleri vardır. a) a) Isı bağımlı dirençler - Termistörler b) Işık bağımlı direnç-foto Direnç-LDR (Light Dependent Resistance) c) Voltaj bağımlı direnç VDR (Voltage Dependent Resistör) d) Gerilmeye bağımlı direnç- Strain Gage c) d) b)

19 Dirençler elektriksel devrelerde gerilim düşürücü ve akım düşürücü olarak görev yapan pasif devre elemanlarıdır. Bir noktadan geçen akımı veya bir noktadaki gerilimi istenilen seviyeye düşürmek için dirençler kullanılır. Fazla olan enerji direnç tarafından ısı enerjisine çevrilerek harcanır.

20 Sıcaklık ile direnci değişen elektronik malzemelere; term (sıcaklık), rezistör (direnç), kelimelerinin birleşimi olan termistör denir. Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden imal edilmektedir. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı kullanılır. Termistörler ; PTC (Pozitif Isı Katsayılı Termistör) ve NTC (Negatif Isı Katsayılı Termistör) olmak üzere ikiye ayrılır.

21 Sıcaklığın artmasıyla direnci artan termistörlere PTC denir. PTC ler - 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışır. 0.1 ºC ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılır. Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde kullanılabilir.

22 Sıcaklığın artmasıyla direnci azalan termistörlere NTC denir. NTC ler +50 C ye kadar kararlı bir şekilde çalışırlar. 0.1 Cº ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerin de, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda kullanılırlar. PTC lere göre kullanım alanları daha fazladır.

23 Yarıiletken Dirençler Termistör: a. Isı bağımlı dirençler-termistörler Termistörler, negatif sıcaklık katsayılı- NTC ve pozitif sıcaklık katsayılı- PTC olmak üzere 2 tipte imal edilmektedir. Isı ölçme ve denetiminde ısı kararlılığını sağlama ve akım-gerilim dalgalanmalarını yok etmede, yarıiletken elemanların ısıtılması, zaman gecikmesi ve ısı etkilerinin eliminasyonu gibi uygulamalarda kullanılan termistörler birkaç mw dan 25 W a kadar, çeşitli güçlerde üretilebilmektedir.

24 Termistörler yangın alarmında kullanıldığında, yangın esnasında ısınan termistör devreye daha büyük bir akım geçirerek alarmı harekete geçirir.

25 Alan (Hall) Etkili Transdüserler Hall sensörü hall etkisine dayanır Bir yarı iletkenden elektronlar akarken akım yönüne dik bir manyetik alan uygulanınca elektronlar belli bir bölgede yoğunlaşır. Bu da yarı iletkenin diğer uçlarında gerilim oluşmasına neden olur. Bu duruma hall etkisi denir. Bu gerilimin değeri manyetik alan, levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensibe göre alan etkili transdüserler yapılır. Alan etkili transdüserler hassas mesafe, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır. Şekil. Alan etkili transdüserler Şekil. Alan etkili transdüserler ve araçlarda alan etkili sensörlerin kullanılması

26 Hall etkisi, yüklü bir parçacığa dik yönde etkiyen bir manyetik alan, parçacığın hem hareket yönüne hem de manyetik alana dik doğrultuda bir kuvvet uygular.

27 V H =H.J.R H V H :Hall voltajı, J: Akım yoğunluğu R H :Hall katsayısı, H: manyetik alan

28 Soru: 1.25 mm çapındaki bir silisyum çubuk her milyon Si atomunda bir Antimon atomu ile karıştırılmıştır. 10 A bir akım, çubuk manyetik alanda olduğunda çubuğa geçmiştir. Si yarıiletken boyunca 6V ölçülürse, manyetik alanın şiddetini hesaplayınız? n e = elektron/m 3

29 Yarıiletken Dirençler Işık bağımlı direnç-foto Direnç-LDR (Light Dependent Resistance) Foto direnç üstüne düşen ışık şiddetiyle ters olarak direnci değişen bir devre elemanıdır. Üzerine düşen ışık şiddeti arttıkça direnci düşer, ışık şiddeti azalınca direnci artar. Foto direnç, AC ve DC devre de aynı özelliği gösterir. Bu malzemeler karanlık ortamla aydınlık ortamda farklı dirençlilik gösterirler. Karanlık ortam direnci birkaç megaohm olurken, aydınlık ortam dirençleri ışığın şiddetine bağlı olarak birkaç ohm gibi küçük bir değere düşebilir. İki iletken arasına yarı iletken malzeme yerleştirilmesi ile oluşturulur ve şekilde görüldüğü üzere yarıiletkenin direnç değeri maruz kaldığı ışık miktarına bağlı olarak azalır. Foto direnç yapımında selenyum, talyum sülfür ve kurşun sülfür gibi malzemeler kullanılmaktadır. Arızalanmaları yüksek akım, yüzey çizilmesi veya aleve maruz kalma sonucunda açık devre şeklinde ortaya çıkar.

30 Yarıiletken Dirençler Voltaj bağımlı direnç VDR (Voltage Dependent Resistör) VDR veya varistörler gerilime bağlı dirençler; gerilim ile ters orantılı olarak direnç değerleri değişen elektronik devre elemanlarıdır. Üzerine uygulanan gerilim yükseldikçe direnci azalır, gerilim azaldıkça direnci yükselir. Koruyacağı devreye veya elemana paralel bağlanırlar. Kısa devre akımları birkaç amperden birkaç amperden birkaç yüz ka e kadar değişik anma değerlerinde üretilmektedir. Entegre, transistor ve diğer yarıiletkenlerin korunması, elektronik devre içerisinde oluşan ani voltaj yükselmelerinin bastırılması, haberleşme gibi çeşitli endüstriyel uygulamalarda elektrik kesintisi koruması, ölçme ve kontrol elektroniği VDR lerin uygulama alanları içerisindedir.

31 ZnO VARİSTÖRLER Çinko oksit yaygın olarak yarı iletkenlik özelliği nedeniyle varistör, UV ışık filtreleri, gaz sensörleri ve güneş pillerinde elektrot olarak kullanılmaktadır. Günümüzde çinko oksit e. Zn +2 iyonundan yüksek valanslı Al +3, In +3, Ga +3 gibi donor katkıları ile iletkenliğinin arttırılmasına çalışılmaktadır. Çinko oksit ince filmleri diğer oksit filmleri ile karşılaştırıldığında yüksek kimyasal ve mekanik kararlılığa sahip olması, bununla birlikte iyi optik ve iletkenlik özellik göstermesi nedeniyle önem kazanan bir malzemedir.

32 Geri kutuplama gerilimi çok büyük olduğunda, bağlantının yalıtıcı engeline doğru sızan taşıyıcılar hızlanarak diğer taşıyıcıları da hızlandırıcı etki yapar ve geri dönüş (ters) yönünde yüksek bir akıma neden olur. Uygun bir karışımı ve p-n bağlantı üretimi ile kırılma voltajı seçilebilir ve devredeki voltaj kırılma voltajını geçtiğinde yüksek bir akım bağlantıya doğru akar ve devrenin diğer kısmından ayrılır. Zener diyodları olaraj bilinen bu cihazlar devreyi ani yüksek voltajlardan korur. Ticari ZnO varistörler 32

33 Yarıiletken Dirençler Gerilmeye bağımlı direnç- Strain Gage Maddelerin çoğu fiziki olarak yüklendiği zaman az da olsa bir elastikiyet gösterirler. Yani yükle orantılı olarak uzunluklarında bir değişme meydana gelir. Üzerlerindeki yük kaldırıldığındı zaman ise tekrar eski durumlarına dönerler. Strain gage dönüştürücüleri, ilk zamanlarda tellerden veya vakumlu metallerden yapılmakta idi. Fakat günümüzde strain gage ler Wheatsone köprüsü şeklinde imal edilmektedir. Köprü elemanlarında piezorezistif, yarıiletken, karbon rezistif veya metalik tel dirençli malzemeler kullanılmaktadır.

34 Strain Gauge (Şekil Değişikliği) Sensörler Temel olarak strain gageler esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından oluşmuştur. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi, iletken şeridin de gerilerek uzamasına sebep olmaktadır. Bu uzama esnasında telin boyu uzayarak kesiti azalacaktır. İletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde de değişme olacaktır. Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin miktarı tespit edilebilir. Çeşitli strain gage tipleri ve kullanıldığı yerler şekillerde görülmektedir. Strain gagenin iç yapısı

35 Çeşitli strain gage tipleri Bisikletin sağlamlık testinde kullanılan strain gage

36 Pervane esnemesinin algılanmasında kullanılan strain gageler

37 Basınç Dönüştürücü: Yarıiletkene basınç uygulandığında, atomlar yakınlaştırılır, enerji aralığı azalır ve iletkenlik artar. İletkenlik ölçülürse aynı zamanda malzeme üzerinde etkileyen basınç ölçülebilir. Şekil: Basınç, bir yarı iletkende atomları yakınlaştırarak enerji aralığını azaltır ve elektriksel iletkenliği arttırır.