ELK273 Elektrik ve Elektronik Mühendisliğinin Temelleri Ders 9-Yarıiletkenler. Yard.Doç.Dr. Ahmet Özkurt

Transkript

1 ELK273 Elektrik ve Elektronik Mühendisliğinin Temelleri Ders 9Yarıiletkenler Yard.Doç.Dr. Ahmet Özkurt

2 Giriş Yarıiletkener günlük hayatımızda kullandığımız tüm elektriksel cihazlar içinde kullanılan entegre devrelerin temel yapılarıdır. Mikroişlemciler, her türlü iletişim sistemleri yapıtaşı olarak transistörleri kullanır. Günümüzde birçok yarıiletken entegre devre silikon kullanır.

3 İletken Yalıtkan Yarıiletken İletken; En dış ya da valans bandında zayıf bağlı elektronları vardır ve küçük bir enerji uygulandığında bu elektronlar atomdan koparılabilir. Yalıtkan; En dış ya da valans bandındaki elektronlar sıkı bağlıdır ve elektronlar atomdan kolayca kopmaz.. Semiconductor; En dış ya da valans bandında en az 4 electronu vardır. İletken ya da yalıtkan değildir. Saf durumda iletken ile yalıtkan arasında elektriksel iletim yapar.

4 N P N P Kovalent Bağ; 4 elektronunu diğer atomlarla paylaşır ve saf kristal yapısı oluşturur Pentavalent Katlkılama; Elektronu fazla atomlar eklenir N tip yarıiletken oluşturur Trivalent Katkılama; Elktronu az olan atomlar. eklenir P tipi yarıiletken oluşturur

5 N Tipi Yarıiletken: N Elektronu fazla a Negatif yüklüdür. Çoğunluk taşıyıcıları Elektronlardır. N N N N N

6 P Type Material; Elektronu azdır ve Pozitif yüklüdür. Çoğunluk taşıyıcıları is Deşiklerdir. P P P P P P P P

7 Silisyum Diyot Diyot en basit yarıiletken elemandır. Akımı bir yönde geçirir diğer yönd geçirmez.

8 Fakirleşme Bölgesi: P ve n tipi materyaller birleştirildiğinde birleşme bölgesinde elektron ve deşikler birleşir ve iki taraftaki fakirleşme bölgesinin her ki tarafı iyonize olur. P N Eklemi Fakirleşme Bölgesi PN Eklemi

9 1. N tipine () kutup P tipine () kutup bağlandığında oluşur. 2. Silisyum diyot için 600mV, Germanyum için 100mV aşıldığında akım geçmeye başlar. 3. Diyot idealde kısa devre gibi davranır. I Doğru yönde kutuplama

10 Ters yönde besleme uygulandığında diyot açık devre gibi davranır yani akımı geçirmez. Eğer ters yöndeki akım çok arttırılırsa kırılma (çığ) durumu yşanır ve ters yönde geçen yüksek akım diyotu yakar. Depletion Region Ters yönde kutuplama

11 Anod; Katod; P Tipi N tipi

12 10 VDC 10 VDC 10 VDC 10 VDC A. B. C. D. 1. D1 açık devre 2. D1 is kısa devre

13 Doğrultucular Alternatif akımı doğru akıma çevirmede kullanılan devrelere doğrultucu adı verilir. Bir güç kaynağının içinde aşağıdaki devreler bulur

14 Trafo Trafo gücü değiştirmeden gerilim veya akım büyüklüğünü değiştiren devre elemanıdır.

15 1Yarım dalga doğrultucu 2Tam dalga doğrultucu 3Köprü doğrultucu Doğrultucu Çeşitleri

16 : Yarım Dalga Doğrultucu Girişe sinusoidal bir gerilim uygulandığında diyot sadece pozitif alternansı geçirir. Negatif alternansta çıkış sıfırdır. Çıkış kondansatörü, gerilimin en büyük değerine kadar şarj olur, gerilim azalmaya başlayınca o da deşarj olmaya başlar. Gerilim artınca yine tepe değerine ulaşır.

17 Tam Dalga Doğrultucu t1t2 arasında D1 doğru yönde, D2 diyodu ters kutuplanmıştır. Akım a,d,e,c yolunu izler ve ac arasındaki gerilim çıkışta gözlenir. t2t3 arasında D1 ters yönde, D2 diyodu doğru yönde kutuplanmıştır. Akım b,d,e,c yolunu izler ve ac arasında pozitif gerilim çıkışta gözlenir. Çıkışa bir kondansatör bağlanarak daha DCye yakın bir gerilim alınır.

18 Köprü Doğrultucu t1t2 arasında D1 ve D2 iletimdedir. Akım e,a,c,g,h,d,b,f yolunu izler. t2t3 arasında D3 ve D4 iletimdedir. Akım f,b,c,g,h,d,a,e yolunu izler. ve yük direnci üstünde pozitif gerilim gözlenir.

19 Transistörler

20 Tanım Transistörler yarıiletkenlerin iletkenlik özelliklerinin değişmesiyle anahtarlama ve yükseltme işlemleri yapabilen 3 terminalli elektriksel devre elemanlarıdır. Kaynak (Source) Geçit (Gate) Akaç (Drain) TelephoneHistory3/History3.html

21 Önemi Transistörler daha önce kullanılan vakum tüplerinin yerine geçmiştir. Günümüz bilgi çağının vazgeçilmezleri bilgisayar, iphone, cep bilgisayarları ve kullanıcı elektroniği devrelerinde kullanılan entegre devrelerin üretiminde en önemli bileşendir.

22 1874 Ferdinand Braun doğrultmayı keşfetti Kristaller akımı belli koşullar altında sadece bir yönde geçirir

23 1883 Edison etkisi ( thermionic emission). Termal titreşim (ısı) etkisiyle metallerden elektron akışı elektronları yüzeyde tutan elektrostatik kuvvetlerin aşar.

24 1895 Guglielmo Marconi bir milden daha uzağa radyo dalgası gönderdi

25 1895 John Ambrose Fleming vakum tüpü geliştirdi Elektronların boşlukta hareketiyle sinyali değiştiren bir cihaz. Elektronlar sadece bir yönde akarak bir diyot oluşturur. Diode_vacuum_tube.png

26 1898 Thomson elektronu keşfetti.

27 1906 Lee De Forest telefon konuşmalarını uzağa iletebilmek için triod u icat etti. Izgara elektron akışını sınırlayarak ayarlama yapmayı sağlıyordu. Fakat cihaz güvenilir değildi ve çok güç çekiyordu. vacuum_tube.png

28 1907 Bell telefon patentinin süresi doldu. AT&T (Bell in şirketi) De Forest in triod patentini satın aldı. Kıtalararası telefon iletişimi sağlandı. xander_graham_bell22.jpg

29 1928 MOS transistörle ilgili keşiflerde bulundu. lilienfeld.htm

30 1934 Alman fizikçi Dr. Oskar Heil alan etkili transistörün patentini aldı.

31 1936 Bell Lab ın araştırma yöneticisi Mervin Kelly Bell iyi bir yükselteç yapmak için yarıiletken teknolojisine eğilmek gerektiğini düşündü ve bu konuda bir araştırma labı kurdu.

32 1945 Bill Shockley, Walter Brattain ve John Bardeen. İlk yarıiletken transistörlü yükselteci yaptı transistor/history.html

33 1947 Bardeen ve Brattain nokta etkili transistörü icat etti /transistor/history.html transistor/history.html ransistor/history.html

34 1947 cont.

35 1947 cont. Shockley ilk eklem transistörü icat etti Picture%20First%20junction%20transistor.jpg

36 1947 cont. NPN transistörler 2 N bölge arasında bir P bölgeisnden oluşur. PNP de 2P arasında bir N bölgesi vardır

37 1948 Bells Lab transistörü ilan etti. John Pierce adını değişken(geçişgen) direnç anlamında bir isim verdi.

38 1950 s Sony lisansı satın aldı da Sony radyo tamir kiti geliştirdi de transistörlü radyo icat edildi.

39 1955 Shockley Semiconductor firmasının kuruluşu Silikon vadisinin temellerini attı.

40 1957 Fairchild Semiconductor kuruldu.

41 1958 Jack Kilby, Texas Instruments Entegre devreyi (Integrated Circuit, IC) icat etti Silikon bir kristal üzerine devre kurulmasıyla alan küçülür, daha kolay üretim yapılır. Texas Instruments' first IC

42 1958 IC samples/education/images.htm

43 1968 Bob Noyce, Gordon Moore, Andy Grove, Intel i kurdu /Intel_logo_nove1_velky.jpg background/history/

44 Transistör nasıl çalışır? Bir eklem transistörün bazına uygulanan akımın değişmesi kollektör ve emitör arasında geçen akımın miktarını değiştirir. Bu da bir dimmer in çalışmasına benzer.

45 Anahtar veya yükselteç modunda çalışabilir. Ancak transistör çok daha hızlı çalışır. Silikon ve galyum arsenid gibi yarı iletkenlerden yapılır.

46 Transistor Tipleri MOS Metal Oxide Semiconductor FET Field Effect Transistor BJT Bipolar Junction Transistor

47

48 The Transistörlerin Geleceği Moleküler elektronik Karbon nanotüp transistorler Quantum hesaplamalar "Photo: National Research Council of Canada. fundamental/nrcnint_moleculartransistor_e.html

49 Transistorler