BÖLÜM I İLETKEN, YALITKAN VE YARIİLETKENLER

Transkript

1 BÖLÜM I İLETKEN, YALITKAN VE YARIİLETKENLER 1-İletkenler: Bilindiği gibi elektronlar, atom çekirdeği etrafında belirli yörüngeler boyunca sürekli dönmektedir. Hareket halinde olması nedeniyle her yörünge üzerindeki elektronlar belirli bir enerjiye sahiptir. Eğer herhangi bir yolla elektronlara, sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer. Bir maddenin iletkenliğini belirleyen en önemli faktör, atomlarının son yörüngesindeki elektron sayısıdır. Bu son yörüngeye "Valans Yörünge" üzerinde bulunan elektronlara da "Valans Elektron" denir. Valans elektronlar atom çekirdeğine zayıf olarak bağlıdır. Valans elektrona uygulanan enerji ile elektron atomu terk eder. Valans elektronun serbest hale geçmesi, o maddenin iletkenlik kazanması demektir. Valans elektronlara enerji veren etkenler: 1. Elektriksel etki 2. Isı etkisi 3. Işık etkisi 4. Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi 5. Manyetik etki Valans yörüngesindeki elektron sayısı 4 'den büyük olan maddeler yalıtkan, 4 'den küçük olan maddeler de iletkendir. Örneğin bakır atomunun son yörüngesinde sadece bir elektron bulunmaktadır. Bu da bakırın iletken olduğunu belirler. Bakırın iki ucuna bir eletrik enerjisi uygulandığında bakırdaki valans elektronlar güç kaynağının pozitif kutbuna doğru hareket eder. Bakır elektrik iletiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sebebi ise maliyetinin düşük olması ve iyi bir iletken olmasıdır. En iyi iletken ise özirencinin daha düşük olması nedeniyle gümüştür (gümüşün öz direnci: 1.6 µωcm). İletkenlik sıralamasında; gümüşten sonra bakır, sonra altın gelir. Bakır ve altının özdirençleri ise, sırasıyla; 1.7 ve 2.2 μωcm dir. Gümüş ve altın, maliyetinin yüksek olması nedeniyle elektrik iletiminde kullanılmamaktadır. 2-Yalıtkanlar: Yalıtkan maddelerin atomlarının valans yörüngelerinde 8 elektron bulunur. Bu tür yörüngeler doymuş yörünge sınıfına girdiği için elektron alıp verme gibi bir istekleri yoktur. Bu sebeplede elektriği iletmezler. Yalıtkan maddeler iletken maddelerin yalıtımında kullanılır. Yalıtkan maddelere örnek olarak tahta, cam ve plastiği örnek verebiliriz. 3-Yarıiletkenler: Yarıiletken, iletkenliği yalıtkan ve metal arasında olan ve yine iletkenliği sıcaklık veya katkılama ile değiştirilebilen kristal veya amorf yapıdaki katılardır. Şekil 1.1 de görüldüğü gibi yarıiletkenlerin valans yörüngelerinde 4 elektron bulunmaktadır. Bu yüzden yarıiletkenler iletkenlerle yalıtkanlar arasında yer almaktadır. Elektronik elemanlarda en yaygın olarak kullanılan yarıiletkenler Germanyum ve Silisyumdur. Tüm yarıiletkenler son yörüngelerindeki atom sayısını 8'e çıkarma çabasındadırlar. Bu nedenle saf bir germanyum 3

2 maddesinde komşu atomlar son yörüngelerindeki elektronları Kovalent bağ ile birleştirerek ortak kullanırlar. Şekil 1.1 de kovalent bağ gösterilmektedir. Silisyum özellik olarak germanyumla hemen hemen aynı olmakla birlikte yarıiletkenli elektronik devre elemanlarında daha çok silisyum kullanılır. Silisyum ve Germanyum devre elemanı üretiminde saf olarak kullanılmaz. Şekil 1.1. Yarıiletkenlerde kovalent bağ oluşumunun gösterimi Metal, yalıtkan ve yarıiletkenlerin iletkenlik ve serbest elektron sayıları oda sıcaklığındaaşağıdaki tabloda karşılaştırılmaktadır: Katı İletkenlik (oda sıcaklığı) Serbest elektron (taşıyıcı) sayısı Metal 10 6 (cm) /m 3 Yalıtkan (cm) /m 3 Yarıiletken (cm) x /m 3 (Si için) Valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri madde yapısına göre şöyle değişmektedir: İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir (yasak enerji aralığı çok düşük olduğundan) Yarıiletkenlerde nispeten fazla enerji gereklidir (yasak enerji aralığı ikisinin ortasında). Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir (yasak enerji aralığı çok büyük olduğundan) Bu durum Şekil 1.2 de gösterilmektedir. Şekil 1.2. İletkenlik derecesine göre değişen bant enerjileri: (a) İletken, (b) Yarıiletken, (c) Yalıtkan (Not: Enerji Boşluğu = Yasak enerji aralığı) 4

3 İçinde yabancı madde bulunmayan düzgün bir kristal yapıya sahip olan yarıiletken saf yarıiletken (intrinsic semiconductor) olarak adlandırılır. Düşük sıcaklıklarda taşıyıcı yük olmadığından yarıiletkenden akım iletilemez ve yalıtkan gibi davranır. Sıcaklık arttığında bağ oluşturan elektronların enerjisi artar ve bağların birinden bir elektron kopar. Elektron bağdan ayrılınca elektronun ayrıldığı bölgede yük dengesi bozulur ve elektronun ayrıldığı bağ +q yüküne sahip olur. +q yükü olarak görülen eksik elektronlu bağ delik-boşluk-oyuk (hole) adını alır. Boşluk, komşu bağdan gelen elektron tarafından doldurulur; daha doğrusu delik, elektronun geldiği bağa geçer. Aslında hareket eden elektron olmasına rağmen delik hareket ediyor gibi görünmektedir. Yarıiletken içerisinde +q yüklü boşluklar ile q yüklü elektronlar hareket edebilmekte, iletkenlerden farklı olarak iki tip taşıyıcı yük bulunmaktadır. Saf yarıiletkende bağlardan kopan herbir elektrona karşılık boşluk oluşmaktadır. Birim hacimde bulunan elektron sayısı n ve boşluk sayısı p ile gösterildiğinde has yarıiletken için n = p = n i Burada n i saf yarıiletkenin taşıyıcı yoğunluğudur. 3.1 Katkılanmış yarıiletken (extrinsic semiconductor): Yarıiletkenin elektriksel ve optiksel özellikleri çok küçük bir katkılama (doping) ile oldukça değiştirilebilir. Bu maddeler katkılandırılarak Pozitif veya Negatif maddeler elde edilir. Pozitif (+) maddelere "P-tipi", Negatif (-) maddelere de "N-tipi" yarıiletken denir N-tipi yarıiletken: Arsenik elementinin valans yörüngesinde 5 adet elektron bulunur. Silisyum arsenik ile katkılandırıldığında, arsenik ile silisyum atomlarının kurdukları kovalent bağdan arsenik atomunun 1 elektronu açıkta kalır (Şekil 1.3). Örnek olarak yarıiletkene 10 6 da 1 oranında 5 valans elektronlu yabancı atom (bu atomlara verici-donör atom denir) katılsın. Yarıiletkende cm 3 başına mertebesinde atom olduğundan buna göre cm 3 de mertebesinde yabancı atom ve bu atomlara karşılık serbest elektron açığa çıkacaktır. Yapıdaki elektron sayısı oldukça artttığından "Negatiflik" özelliği kazandırır ve malzeme n-tipi yarıiletken olarak adlandırılır. Birim hacimde bulunan veren atom sayısı N D ile gösterilsin. Bir elektron kaybeden katkı atomu +q yüküne sahip olacaktır. Elektron yoğunluğu n ve boşluk yoğunluğu da p olduğuna göre birim hacimde n tane q yükü ve p+n D tane de +q yükü olacaktır. Yük dengesi olduğundan; n=p+n D Yapıda n>>p olduğundan elektron sayısı yaklaşıklıkla veren atom sayısına eşit olacaktır: n N D 5

4 Şekil 1.3. N-tipi yarıiletkenin gösterimi P-tipi Yarıiletken: Bor, Al, Ga ve In elemetlerinin valans yörüngesinde 3 adet elektron bulunmaktadır. Silisyum maddesine bor maddesi enjekte edildiğinde atomların kurduğu kovalent bağlarda bir elektronluk eksiklik kalır (Şekil 1.4) ve bu eksikliğe yukarıda da belirtildiği gibi "Delik-Oyukboşluk" adı verilir. Yani katkı atomunun 3 elektronu bağ oluştururken dördüncü elektron, komşu bağlardan birinden sağlanan elektronla tamamlanır. Bu işlem sırasında katkı atomu bir elektron kazandığından q yüküne sahip olmuştur. Yabancı atom bağ sayısını dörde çıkarırken yarıiletkenin atomlarından birinden bir elektron eksilmiştir ve kopan bağda bir boşluk meydana gelmiştir. Bu elektron eksikliği, yapıya "Pozitiflik" özelliği kazandırır yani pozitif yüklü taşıyıcı boşluk sayısı, negatif yüklü taşıyıcı (elektron) sayısından daha fazladır. N-tipi yarıiletkendeki durumun tersi olarak; p=n+n A (N A : Katkı atomlarının birim hacimdeki sayısı) Herbir katkı atomuna karşılık bir boşluk oluştuğundan, boşluk sayısı elektron sayısından çok daha fazladır ve bu nedenle; p N A Diğer bir deyişle, P tipi maddeye bir gerilim kaynağı bağlandığında kaynağın negatif kutbundaki elektronlar P tipi maddeki boşlukları doldurarak kaynağın pozitif kutbuna doğru ilerlerler. Elektronlar pozitif kutba doğru ilerlerken boşluklar da elektronların ters yönünde hareket etmiş olurlar. Bu kaynağın pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru bir boşluk hareketi sağlar. 6

5 Şekil 1.4. P-tipi yarıiletkenin gösterimi Azınlık ve Çoğunluk Taşıyıcılar : Yukarıda da bahsedildiği gibi P tipi yarıiletkende bulunan boşluk sayısı, elektron sayısından fazladır. Aynı şekilde N tipi maddede de elektron sayısı boşluk sayısından fazladır. İşte bu fazla olan boşluk ve elektronlara "Çoğunluk Taşıyıcılar", az olan boşluk ve elektronlara da "Azınlık Taşıyıcılar" denir. Yani P-tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcılar boşluklar ve azınlık taşıyıcılar ise elektronlardır. N-tipi malzemede bunun tersidir. Azınlık taşıyıcılar, yarıiletken elektronik devre elemenlarında sızıntı akımına neden olur. İçerisinde çok sayıda yarıiletken devre elemanı bulunduran entegrelerde fazladan gereksiz akım çekimine yol açar ve bu da elemanın ısınmasına hatta zarar görmesine neden olur Difüzyon akımı Yarıiletkenlerde iletkenlerde olmayan bir iletim biçimine rastlanir. Bu, difüzyon akımıdır. Yarıiletken içerisinde herhangi bir bölgede taşıyıcı yoğunluğu, dış etki nedeniyle veya farklı taşıyıcı yoğunluklu bölgelerin bir araya gelmesi ile artabilir. Bu durumda yoğunluğu fazla olan bölgeden az olan bölgeye doğru taşıyıcı yük akışı meydana gelir ve yük akışı nedeniyle de akım oluşur. Yoğunluk değişimi olmadığı durumda difüzyon meydana gelmediğinden difüzyon akımı da oluşamayacaktır. Yarıiletken içerisinde taşıyıcı yükler, difüzyon nedeniyle hareket ederken zıt yüklü taşıyıcı ile karşılaştığında bağ oluşturarak yok olacaktır. Taşıyıcı yük, difüzyon sırasında, yok oluncaya kadar yarıiletken içerisinde bir yol kat eder. Kat edilen yolun ortalama değeri difüzyon yolu adını alır. Difüzyon yolu, yarıiletken cinsine, katkı yoğunluğuna ve sıcaklığa bağlı bir büyüklüktür. Difüzyon olayına, aynı kristal içerisinde p ve n tipi yarıiletken malzemelerin oluşturulması halinde de rastlanır. Böyle bir durumda iki bölge arasında taşıyıcı yük yoğunlukları farklıdır. Bu fark nedeniyle yoğunluğu az olan böigeye doğru, difüzyon nedeniyle yük geçişi olacaktır. Difüzyon olayı ve akımı, iletkenlerde rastlanmayan bir durumdur. İletkenlerde valans elektronların tümü serbesttir ve iletken içerisinde taşıyıcı yük yoğunluğu sabit olacak biçimde dağılmıştır. Bu yüzden taşıyıcı yoğunluğu herhangi bir etki ile değişmez ve iletken içerisinde difüzyon olayı oluşmaz. 7

6 3.1.5 Katkı Maddelerine sıcaklığın etkisi N ve p tipi malzemelerde sıcaklıkla birlikte azınlık taşıyıcılarında da artış olur. Çoğunluk taşıyıcıların sayısı sıcaklıkla değişmez. Örnek olarak n-tipi bir malzemede farklı sıcaklıklarda oluşan elektron ve boşluklar Tablo 1 de gösterilmiştir. Mutlak sıfırda (-273 o C) elektron boşluk çifti oluşturacak bir enerji yoktur. Aynı zamanda katkı atomlarının elektronlarını iletim bandına geçirecek seviyede bir enerji de yoktur. Oda sıcaklığında (25 o C) azınlık taşıyıcılarının sayısı, katkı maddesinden kaynaklanan serbest elektron sayısına göre düşüktür. Sıcaklık 250 o C olduğunda ise boşluk sayısı elektron sayısına yaklaşık olarak eşittir ve madde saf bir yarıiletken gibi davranır. Tablo 1. Sıcaklığa bağlı olarak elektron ve boşluk oluşumu. 4- P-N eklemi p ve n tipi yarıiletken bölgeler aynı kristal içerisinde oluşturulduğunda iki bölge arasında bir arakesit yüzey oluşur. Bu arakesit yüzey, p-n jonksiyonu (eklemi) adını alır. p-n jonksiyonu, yarıiletken elemanların (diyot ve transistor gibi) elde edilmesinde kullanılmaktadır. Bir p-n ekleminin şematiği Şekil 1.5 de verilmektedir. Jonksiyonun iki tarafında farklı taşıyıcı yoğunluklarına sahip yarıiletken bölgeler bulunmaktadır. n-tipi bölgede çoğunluk taşıyıcı yük elektron ve azınlık taşıyıcı yük boşluktur. p-tipi yarıiletken bölgede çoğunluk taşıyıcı boşluk, azınlık taşıyıcı ise elektrondur. Ayrıca yarıiletken bölgeler içerisinde akım iletimine katılamayan yükler bulunmaktadir. Bu yükler n-tipi bölgede +q yüküne sahip verici (donor) atomlar, p-tipi bölgede -q yüklü alıcı (acceptor) atomlardır. V B : İç potansiyel Şekil 1.5. p-n ekleminin gösterimi p-n ekleminin ve deplesyon bölgesinin oluşumunun diğer bir gösterimi Şekil 1.6 da veriliyor. 8

7 (a) Şekil 1.6. (a) p-n ekleminin ve (b) deplesyon bölgesinin gösterimi (b) P ve n tipi malzemelerin bir araya getirilmesinden (kontaktan) sonra, elektron ve boşluklar yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye doğru difüzyonla geçiş yaparlar. P-tarafına geçen elektronlar burada boşluklarla birleşirler (bağ oluştururlar) ve yok olurlar (böylece p-tarafındaki bazı sınır negatif yükleri boşluklar tarafından nötralize edilemezler); n tarafına geçen boşluklar da elektronlarla birleşerek yok olurlar (böylece n-tarafındaki bazı sınır pozitif yükleri serbest elektronlar tarafından nötralize edilemezler). Böylece eklem civarında depletion layer (deplesyon-boşaltılmış-fakirleşmiş bölge) meydana gelir. Bu deplesyon bölgesi n tarafı pozitif (sebebi yukarıda altı çizili ifade), p tarafı negatif olacak şekilde sabit yükler içerir ve bir elektrik alanı meydana getirir. Bu alan, daha fazla taşıyıcının eklemi aşmasına mani olur ve deplesyon bölgesinde bir iç potansiyel (V B ) veya temas gerilimi oluşturur. Temas geriliminin değeri yarıiletken bölgelerin katkı yoğunluklarına, sıcaklığa ve yarıiletkenin cinsine bağlıdır. p-n eklemi Si yarıiletken kullanılarak yapılmış ise bu gerilimin değeri normal sıcaklıklarda V kadardır (Germanyum için bu değer 0.3 V civarındadır). Bu elektriksel alanın yönü, diğer deyişle iç potansiyel (V B ) çoğunluk taşıyıcıların karşı bölgeye geçişini engelleyecek, azınlık taşıyıların ise geçişini kolaylaştıracak yöndedir. Ancak yarıiletken bölgelerin boşluk ve elektron yoğunlukları arasında çok büyük fark vardır. Çoğunluk taşıyıcılar, elektriksel alanın engeline rağmen difuzyonla karşı bölgeye az sayıda da olsa geçmeyi başarırlar. Azınlık taşıyıcılar alan etkisi ile çoğunluk taşıyıcılar da difuzyonla karşı bölgeye geçmektedir. Jonksiyona dışardan gerilim uygulanmadığında bir denge söz konusudur ve akan akım sıfırdır. Yani jonksiyondan alan etkisi ile geçen azınlık taşıyıcıların sayısı kadar difüzyonla çoğunluk taşıyıcı geçmektedir. Bu durum jonksiyonda oluşan dengeye karşılık gelmektedir. 4.1 P-N ekleminden akım iletimi (İletim ve tıkama yönünde kutuplama): İletim yönünde kutuplama p-n eklemine Şekil 1.7 de görüldüğü gibi p tarafı pozitif olacak şekilde bir V gerilimi uygulansın. N tarafına uygulanan negatif gerilim n deki elektronları iterken, p tarafına uygulanan pozitif gerilim ise p deki boşlukları ekleme doğru itecektir. Böylece, uygulanan V geriliminin yönü temas geriliminin (V B ) yönüne terstir ve p-n ekleminde oluşan gerilim, V B -V olacaktır. Bu da eklemin iç potansiyelinin azalması anlamına geldiğinden çoğunluk taşıyıcıların difüzyonu kolaylaşacak ve difüzyon akımı artacaktır. Bu sırada eklemden azınlık taşıyıcıların geçişi de devam etmektedir, fakat azınlık taşıyıcıların sayısı çok az olduğundan oluşturacakları iletim akımı çoğunluk taşıyıcıların oluşturduğu difüzyon akımı yanında çok küçük kalır. 9

8 V I Şekil 1.7. p-n ekleminin iletim (doğru) yönünde kutuplanması Uygulanan gerilim arttıkça (iç potansiyeli aştıkça) Şekil 1.7 de oklarla gösterildiği gibi her iki tipin akım taşıyıcıları eklemi geçerek diğer uca doğru hareket ederler. Sonuç olarak elektronların oluşturduğu akım için de elektron akış yönünün tersi alındığı zaman p-n ekleminde p den n ye doğru I akımı akar ( I = I n + I p ). I akımı (difüzyon akımı) p-n eklemine uygulanan V gerilimi büyüdükçe artmakta, hatta amperler seviyesine çıkabilmektedir. p-n eklemine bu biçimde gerilim uygulamaya p-n eklemini iletim yönünde (forward-biased) kutuplama denir Tıkama yönünde kutuplama N tarafı pozitif, p tarafı da negatif olacak şekilde kutuplandığı zaman (Şekil 1.8), n deki elektronlar pozitif uca doğru çekilirken, p deki boşluklar da negatif uca doğru çekileceklerdir. Bu nedenle uygulanan gerilimin yönü eklem temas gerilimi ile aynı yönde olacak ve temas gerilimi büyüyecektir. Yani geçiş bölgesinde Şekil 1.8 de de görüldüğü gibi genişleme meydana gelecektir. Bu da, çoğunluk taşıyıcıların difüzyonla geçişini engellemeye, azınlık taşıyıların geçişini ise kolaylaştırmaya devam edecektir. Bu nedenle difüzyon akımı azınlık taşıyıcıların sağladığı akım yanında yok denecek kadar küçüktür. I V Şekil 1.8. p-n eklemini tıkama yönünde kutuplama Azınlık taşıyıcıların oluşturduğu akım elektriksel alan etkisi ile meydana geldiğinden iletim akımı (I) niteliğindedir. Azınlık taşıyıcıların sayısı az olduğundan gerilim artırılsa bile akım küçük bir değerde (A-nA) sabit kalır ve bu akım p-n ekleminin doyma akımı (I o ) olarak adlandırılır. Azınlık taşıyıcılar elektron bağlarının ısıl nedenlerle çözülmesi ile oluşmaktadır, bu nedenle I o ın değeri sıcaklıkla değişecektir. Değişim, her 10 o C lik sıcaklık artımı için I o ın yaklaşık olarak iki katına çıkması biçimindedir. Si kullanılarak gerçekleştirilmiş bir p-n ekleminde doyma akımı 1 pikoamper mertebesindedir. Akımın çok küçük değerler aldığı n tipi pozitif olacak şekilde p-n eklemine gerilim uygulanmasına tıkama yönünde (reverse-biased) kutuplama denir. 10

9 BÖLÜM II YARIİLETKEN DİYOTLAR (P-N EKLEMLİ DİYOTLAR) 1. Diyot denklemi: p-n eklemini oluşturan n ve p tipi yarıiletken bölgelere elektrotlar bağlanarak oluşturulan iki elektrotlu yarıiletken yapıya diyot denir. Diyot devre elemanın sembolü Şekil 2.1 de gösterilmiştir. Şekilde anot, p-tipi ve katot ise n-tipi yarıiletken bölgeye bağlanmıştır. Diyot iletim yönünde kutuplandığı zaman anot katoda göre pozitif olacaktır. Tıkama durumunda ise tersi olacaktır. İletim yönünde akan akım gerilimle birlikte eklemin kesitine de bağlıdır. P-n eklemi (diyot) bu özelliği ile akımı tek yönde (iletim yönünde) ileten bir yapıdır. Ters yönde ise açık devre olan bir elemandır. Anot Şekil 2.1. Diyotun sembolü Diyot (p-n eklemi) yukarıda da açıklandığı gibi iletim ya da tıkama yönünde kutuplanabilir. Diyottan akan akım büyük değerlere çıkmadığı zaman diyota uygulanan gerilimle (V), akım (I) arasında aşağıdaki bağıntı vardır ve bu bağıntı diyot denklemi olarak adlandırılır. I / I T ( e V V o 1) (1) Burada I o diyotun doyma akımı, V T ısıl gerilim olarak adlandırlır. Isıl gerilim sıcaklığa bağlı olan bir büyüklüktür ve şu eşitlikle verilir: kt V T (2) q Bu bağıntıda T, Kelvin cinsinden sıcaklık olup k değeri, 1.38x10-23 J/K olan Boltzman sabitidir. q ise electron yüküdür (1.6x10-19 C). Diyot denklemi iletim ve tıkama yönünde kutuplama için geçerlidir. Tıkama yönünde gerilim uygulanınca V gerilimi negatif olacaktır. V T << V olduğundan üstel terim 1 e göre çok küçük olur ve tıkama yönü akımı yaklaşık I o olacaktır yani diyot denklemi I=I o olacaktır. İletim yönünde ise V/V T oranı 1 den çok büyük olduğundan bu durumda iletim yönü akımı yaklaşık I I V / T ( e V o ) olacaktır. 2. Diyotun gerilim-akım eğrisi: Diyotun iletim veya tıkama durumundaki tepkesini gösteren gerilim ve akım eğrisi -diyot denkleminden faydalanarak- Şekil 2.2 de gösteriliyor. İletim yönünde V γ eşik gerilimine (daha önce bahsedilen p-n eklemindeki temas gerilimi) kadar akım akmadığı görülmektedir, işte bu akım eşik akımı (threshold current) olarak adlandırılır. Gerilim, V γ değerine ulaştığında (Si diyot için bu değer V civarındadır) diyot akımı algılabilir değerleri almaya başlar ve diyot denklemine uygun olarak üstel bir şekilde artar. Diyotun uçları arasındaki gerilim akım çok büyük değerlere çıkmadığı zaman büyük ölçüde değişmeyecektir. Diyot gerilimi, belirtilen akım değerlerinde p-n ekleminde olduğu gibi V arasında bir değer alacaktır. Diyottan büyük akımlar aktığında eklemle 11

10 elektrotlar arası yarıiletken bölgelerin dirençlerindeki gerilim düşümü nedeniyle anot-katot arası gerilim 1 V veya biraz daha büyük olabilir. Yarıiletken bölgelerdeki gerilim düşümü, ekleme düşen gerilim değerini diyota uygulanan gerilimden daha düşük değerli kılacaktır. Bu nedenle deneysel akım değeri, teorik değerden küçük olmaktadır. Şekil 2.2. Diyot akım-gerilim eğrisi Tıkama yönünde diyot denkleminin I=I o a dönüştüğünü söylemiştik. Bu durum Şekil 2.2 de tıkama yönünde gösteriliyor. Peki, şekilde belverme gerilimi olarak adlandırılan kısım ne anlama gelmektedir? Şu şekilde izah edebiliriz: Diyotu tıkama yönünde kutupladığımızda anot negatif, katot ise pozitif olacak şekilde bir V gerilimi uygulanacaktır (tıkama yönünde kutuplanmış p-n eklemi). Tıkama yönünde V geriliminin değeri artırılırsa eklemde oluşan elektriksel alanın şiddeti de büyüyecektir. Geçiş bölgesi genişliği 1 m mertebesindedir. Bu nedenle V gerilimi çok büyük değerleri almadığı zaman bile elektriksel alan şiddeti büyük değerlere çıkabilecektir. Sonuçta artan elektrik alanı geçiş bölgesi içinde taşıyıcıların hızını artıracak ve hızları artan bu taşıyıcılar kinetik enerjilerini bağ oluşturan elektronlara aktaracaktır. Katkı atom yoğunluğuna bağlı olarak çarpma ve kuvvet uygulanması sonucu kovalent bağların kopması olayı meydana gelir. Bağlardan ayrılan elektronlar hızlanarak başla valans bandlarına çarparlar ve elektron koparırlar. Böylece geçiş bölgesi içinde zincirleme olarak taşıyıcı yük sayısı artar. Bu olaya çığ veya zener olayı denir ve diyot (p-n eklemi) tıkama yönünde kutuplanmasına karşın akım, çok büyük değerlere çıkabilir (gerilim çok az değiştiği halde). Akımın çok yüksek değerlere çıkmasına diyotun belvermesi (breakdown) ve bu gerilim değerine de belverme gerilimi (V BR ) denir. 2.1 Diyodun Delinmesi: Ters akımın artmasıyla oluşan belverme olayına diyodun delinmesi de denilmektedir ve bu andaki gerilime de delinme gerilimi denir. Yukarıda da izah edildiği gibi sayısı artan elektronlar, atomlara çarparak valans bandındaki elektronları serbest hale geçirir ve böylece yapıda çok sayıda serbest elektron oluşur. Böyle bir durumda P - N ayrımı kalmaz ve diyot iletken bir madde haline dönüşür. Aşırı elektron hareketinden dolayı diyot ısınarak yanar. Şekil 2.3 de gösterildiği gibi, silisyum diyodun delinme gerilimi, germanyum diyoda göre daha büyüktür. Diğer taraftan kaçak akım ise daha küçüktür. 12

11 Şekil 2.3. Ge ve Si diyotun akım-gerilim eğrisi Sonuç olarak; Diyot, doğru polarmada küçük dirençli bir devre elemanı, ters polarmada ise büyük dirençli bir devre elemanı niteliği gösterir ve akımın tek yönde akmasını sağlamaktadır. Doğru yön akımı ve ters yön gerilimi, sınır değerlerin üzerine çıkarsa diyot yanar. Diyotlar arasında bir kıyaslama yapabilmek için Tablo 2.1 de bazı diyotların karakteristik değerleri verilmiştir: DİYOT DİYOT CİNSİ Birimi KARAKTERİSTİKLERİ Selenyum Germanyum Silisyum Ters yöndeki dayanma gerilimi V Aktif yüzeydeki akım yoğunluğu A / cm Maksimum doğru yön akımı A Gerilim düşümü V Maksimum dayanma sıcaklığı C 80 C 65 C 140 C Ters yön akımının doğru yön akımına oranı I R / I D Tablo 2.1. Farklı türdeki diyotlar için karaktersitik değerler ÖDEV: Bir diyot 25 o V C sıcaklık için I 20e 35 1nA a) Bu diyota seri 25 Ω luk (I = 0 : 1 : 30 ma alınız) ve eşitliği ile modellenmektedir. b) Paralel 25 Ω luk direnç bağlanması durumunda (V = 0 : 0.1 : 0.5 Volt alınız) Her iki devrenin ayrı ayrı V-I değişimini MATLAB de çiziniz ve diyotların ne tür olduğunu belirtiniz (Si veya Ge). 13

12 3. Diyotun değişken işaret eşdeğeri: Diyot, düşük frekanslarda kullanıldığında elektrotlararası kapasitelerin değeri çok küçük olduğundan bu kapasite değeri ihmal edilebilir. Değişken işaretlerde diyot için eşdeğer devre bulunurken ideal diyot tanımından yararlanılır. İdeal diyot, Şekil 2.4 de gösterildiği gibi iletim yönünde gerilim uygulanması halinde kısa devre, tıkama yönünde kutuplandığında ise açık devre olarak davranan iki uçlu bir elemandır. Şekil 2.4. İdeal diyotun akım-gerilim eğrisi İdeal diyotun iletim yönü direnci sıfır, tıkama yönü direnci ise sonsuzdur. Böyle bir elemanın pratikte bulunması mümkün değildir. Diyot devrede kullanıldığında uçları arasında oluşan gerilim, diğer gerilimler yanında çok küçük kalıyorsa çözümü basitleştirmek için diyot yerine ideal diyot kullanılabilir. Diyota uygulanan gerilim, sabit bir gerilim ile bunun üzerinde küçük genlikli değişken bir bileşenden oluşması durumunda akım-gerilim eğrisini küçük değişimler için doğrusal kabul etmek mümkündür. Diyota iletim yönünde V D gerilimi uygulandığında I D akımı akar. V D nin I D ye oranı, diyotun doğru akım direncidir ve aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır: V D RDC (3) I D Şekil 2.5 de, V Q ve I Q değerlerinin belirlediği nokta Q ile gösterilmiştir. Q noktası, gerilim ve akımın sabit olduğu noktaya karşılık geldiğinden bu noktaya çalışma (sükunet) noktası denir. Doğru akım direnci, Q noktasını O noktasına birleştiren doğrunun eğiminin tersine eşittir. I I Q ΔI Q ΔV V V Q Şekil 2.5. Doğru akım ve değişken işaret direnci 14

13 Q noktası civarında V kadar küçük bir gerilim değişimi olduğu zaman akım, I Q civarında I kadar değişecektir. di/dv türev değeri, Q noktasındaki teğetin eğimidir ve iletkenlik boyutundadır. Eğimin tersine karşılık gelen ve direnç boyutunda olan büyüklüğe diyotun değişken işaret direnci (r d ) denir ve şu şekilde hesaplanır: g 1 r Üstel terim 1 den çok büyük olduğundan; g o V / V e T (4) d I V I I V T V Q T 1 rd (5) rd VT I Q V T daha önce de belirtildiği gibi ısıl gerilimdir ve değeri normal sıcaklıklarda 25 mv civarındadır. Diyota sabit bir gerilim ve bu gerilime göre değeri çok düşük değişken bir gerilim uygulanırsa, değişken akım yaklaşık olarak; i v vi Q (6) rd VT I Q akımı, diyota uygulanan doğru gerilime karşılık gelen akım değeridir. Pratikte diyotun değişken işaret direnci, yarıiletken bölgelerin direnci nedeniyle (5) ile bulunan değerden biraz büyük olur. İdeal olmayan bir diyotun eşdeğer devresi, ideal diyot ve gerilim kaynağına seri olarak R s direnci bağlandığında elde edilen devredir (Şekil 2.6). Devredeki R s direnci, yarıiletken bölgelerin dirençleri ile eklemin değişken işaret direncinin (r d ) toplamına eşittir. Şekil 2.6. Diyotun değişken işaret eşdeğeri 4. Diyotun yüksek frekans eşdeğeri: Alçak frekanslarda çok düşük olan eklem ve difüzyon kapasiteleri frekansın yükselmesi halinde artacak ve böylece alçak frekanslar için geçerli olan eşdeğer devre geçerliliğini yitirecektir. Diyotun iletim ve tıkama yönü kapasiteleri, üzerinden akan akımın frekansı yükseldikçe ihmal edilemeyecek düzeyde olur. Diyot tıkama yönünde kutuplandığında büyük direnç gösterir ve frekans yükseldiğinde akım eklem kapasitesi üzerinden akar. Diyot iletim yönünde kutuplandığında ise küçük direnç göstermesine rağmen frekans yükseldiğinde difüzyon kapasitesi etkili olacaktır. Diyotun yüksek frekans eşdeğer devresi Şekil 2.7 de verilmiştir. 15

14 r d Şekil 2.7. Diyotun yüksek frekans eşdeğeri Burada, C Difüzyon + Eklem kapasitesi (diyot iletim yönünde kutuplandığı zaman) Eklem kapasitesi (diyot tıkama yönünde kutuplandığı zaman) R s r d Diyotun bağlantı uçlarından ekleme kadar olan kısmın direnci p-n ekleminin değişken işaret direnci Bazı diyot örnekleri Şekil 2.8 de verilmiştir. Şekil 2.8. Bazı diyot örnekleri 5. Diyot Çeşitleri p-n ekleminin bazı özelliklerinden yararlanılarak özel diyotlar imal edilmektedir. Bu diyot çeşitleri şunlardır: 5.1 Doğrultucu diyotlar: p-n ekleminin sadece tek yönlü akım iletitiminden yararlanılarak yapılan diyotlara doğrultucu diyotlar denilmektedir. Genellikle düşük frekanslardaki (50-60 Hz) şehir şebeke işaretlerini doğrultmak için kullanılırlar. Bu konu daha detaylı olarak Diyotlu Devreler konu başlığı altında anlatılacaktır. 5.2 Zener Diyotlar: p-n eklemi tıkama yönünde kutuplandığında belverme bölgesinde akım büyük ölçüde değişmesine rağmen gerilim çok az değişiyordu. p-n ekleminin bu özelliğinden yararlanmak üzere imal edilen diyotlara zener diyot denir. Özellikleri şunlardır: Doğru polarmalı halde normal bir diyot gibi çalışır (Şekil 2.9). Ters polarmalı halde, belirli bir gerilimden sonra iletime geçer. Bu gerilime zener gerilimi (V Z ) denir (Şekil 2.9). 16

15 Ters gerilim kalkınca, zener diyot normal haline döner. Devrelerde, ters yönde çalışacak şekilde kullanılır. Bir zener diyot, zener gerilimi ile anılır. Örnek: "30V 'luk zener" denildiğinde, 30V 'luk ters gerilimde çalışmaya başlayan zener diyot demektir. Silisyumdan yapılır. Zener diyot, ters yön çalışması sırasında oluşacak olan aşırı akımdan dolayı bozulabilir. Bu durumu önlemek için devresine daima seri bir koruyucu direnç bağlanır. Şekil 2.9. Zener diyot karaktersitik eğrisi Şu limit değerlerde çalışan zener diyotlar üretilmektedir: Maksimum zener akımı (I ZM ): 12 A Zener gerilimi (V Z ): V arası Maksimum gücü: 100 Watt Maksimum ters yön kaçak akımı: 150 µa Maksimum çalışma sıcaklığı: 175 C. Zener gerilimin değeri, birleşme yüzeyinin iki tarafında oluşan boşluk bölgesinin (nötr bölge) genişliğinin ayarlanması yoluyla sağlanmaktadır. Bunun içinde çok saf silisyum kristal kullanılmakta ve katkı maddesi miktarı değiştirilmektedir. Boşluk bölgesi daraldıkça zener diyot daha küçük ters gerilimde iletime geçmektedir Zener Diyodun Kullanım Alanları: a- Kırpma Devresinde: Şekil 2.10 'da görüldüğü gibi iki zener diyot ters bağlandığında basit ve etkili bir kırpma devresi elde edilir. 17

16 Örnek: Şekil 2.10 daki devre girişine tepe değeri 10V olan bir AC gerilim uygulansın ve kırpma işlemi için, zener gerilimi 5 V olan iki Z 1, Z 2 zener diyodu kullanılsın. Şekil İki zener diyotlu tam dalga kırpma devresi Çözüm: AC gerilimin pozitif alternansı başlangıcında Z 1 zeneri doğru polarmalı ve iletimde, Z 2 zeneri ise ters polarmalı ve kesimde olacaktır. Giriş gerilimi +5V 'a ulaştığında Z 2 de iletime geçer ve dolayısıyla çıkış uçları arasında +5V oluşur. AC gerilimin diğer alternansında da Z 1 ters polarmalı hale gelir ve bu defa da çıkışta tepesi kırpılmış 5V'luk negatif alternans oluşur. R direnci, devreden akacak akımın Zener diyotları bozmayacak bir değerde kalmasını sağlayacak ve 5 V 'luk gerilim düşümü oluşturacak şekilde seçilmiştir. b- Zener Diyodun Gerilim Regülatörü Olarak Kullanılması: Zener diyottan çoğunlukla DC devrelerde gerilim regülasyonu için yararlanılmaktadır. Buradaki regülasyondan amaç, gerilimin belirli bir değerde sabit tutulmasıdır. Bunun için zener diyot, Şekil 2.11'de gösterildiği gibi, gerilimi sabit tutulmak istenen devre veya yük direncine paralel ve ters polarmalı olarak bağlanır. C=1000 µf Şekil Zener diyodun gerilim regülatörü olarak kullanılması Diyot uçlarına gelen gerilim, zener değerine ulaştığında diyot iletime geçer ve uçları arasındaki gerilim sabit kalır. Ayrıca, bir de C kondansatörünün paralel bağlanmasında yarar vardır. Bu kondansatör, gerilim dalgalanmalarını ve başka devrelerden gelebilecek parazit gerilimlerini önleyici görev yapar. Değeri, devre geriliminin büyüklüğüne göre hesaplanır. Şekil 2.11 deki devre için 30 V 1000 µf 'lık bir kondansatör uygundur. Burada birinci derecede önemli olan R S direnci ile zener diyodun seçimidir. 18

17 ÖRNEK: Şekil 2.11'deki devrede R L yük direnci uçları arasındaki V L gerilimi 6.2V 'ta sabit tutulmak isteniyor. Bunu sağlamak için: a) Seri bağlı R S direncini bulunuz, b) R L 'ye paralel bağlı zener diyotunu seçiniz (E max =12.2 V). ÇÖZÜM: a) Seri R S direncinin seçimi: Önce R S direncine karar vermek gerekir; Kaynak gerilimi: E=V=9V, R L =33 Ohm, V L =6.2V, I L =V L /R L Bu durumda, E=I L *R S +V L 9=6,2/33*R S +6,2 R S =(9-6,2)33/6,2 'den, R S =14.9 = 15 Ω R S =15 Ohm 'luk direnç bağlandığında, "E" gerilimi 9V 'ta sabit kaldığı sürece R L yük direnci uçları arasında sürekli olarak 6.2V oluşacaktır. "E" geriliminin büyümesi halinde, A-B noktaları arasındaki V A-B gerilimi de 6.2V 'u aşacağından, 6.2V 'luk bir ZENER diyot kullanıldığında, R L uçları arasındaki gerilim sabit kalacaktır. Ancak, yalnızca gerilime göre karar vermek yeterli değildir. Bu durumda nasıl bir zener diyot kullanılmalıdır? b) Zener diyodun seçimi: Zener gerilimi 6.2V olan bir zener diyot R L direncine paralel bağlandığında V L =6.2V 'ta sabit kalır. Ancak, E giriş geriliminin büyümesi durumunda zener diyottan akacak olan akımın, diyodun dayanabileceği "maksimum ters yön zener akımından (I ZM ) " küçük olması gerekir. Zener diyot buna göre seçilmelidir. Tablo 2.2 de, bir firma tarafından üretilen, 6.2V 'luk zenerlere ait I ZM akımı ve güç değerleri verilmiştir. Zener Maksimum akımı (I ZM ) (ma) Zener Gücü (W) Tablo 2.2. Bir firmaya ait 6.2 V luk zener diyot için karakteristik değerler Yük direncinden geçen akım I L =V L /R L = 6.2/33 = A = 188 ma olduğuna göre, E geriliminin ulaştığı maksimum gerilim olan E = 12.2V için yukarıdaki tabloda yeralan zenerlerden hangisinin seçileceğine karar verelim. Kirchoff kanununa göre; 12.2 = I t *R S +6.2 I t = /15 = 6/15 'den I t = 0,4A = 400 ma olur. Bu 400 ma 'den 188 ma 'i R L yük direncinden geçeceğine göre; Zener diyottan geçecek olan I Z akımı: I Z = = 212 ma 'dir. Bu değer, yukarıdaki tabloya göre: 10 W 'lık zenerin maksimum akımı olan 1460 ma 'den küçük, 1 W 'lık zenerin maksimum akımı olan 146 ma 'den büyüktür. Böyle bir durumda 10 W 'lık zener kullanılacaktır. 19

18 Aslında, 212 ma 'lik zener için 1460 ma 'lik zener kullanmak da pek doğru değildir. Daha uygun bir zener seçimi için başka üretici listelerine de bakmak gerekir. c- Ölçü Aletlerinin Korunmasında Zener Diyot Döner çerçeveli ölçü aletlerinin korunmasında, zener diyot Şekil 2.12'deki gibi paralel bağlanır. Bu halde zener gerilimi, voltmetre skalasının son değerine eşittir. Ölçülen gerilim zener gerilimini aşınca diyot ters yönde iletken hale geçerek ölçü aletinin zarar görmesini engeller. Ayar olanağı sağlamak için bir de potansiyometre kullanılabilir. Şekil Döner çerçeveli ölçü aletinin zener diyot ile korunması 5.3 Işık Yayan Diyot (Light emitting diode-led) LED ismi, ingilizce Light Emitting Diode (Işık Yayan Diyot) kelimelerinin baş harflerinden oluşmaktadır. Bu ışıklı diyotlar, kullanışlı ve pratik olmalarının yanı sıra oldukça ucuz olmaları nedeniyle indikatör (gösterge) olarak diğer tip lambaların yerini almışlardır. Yandaki fotoğrafta da görüldüğü gibi piyasada çok değişik şekil, ebad, renk ve fiyatta LED bulunmaktadır. Işık yayan diyotlar, ilk olarak 1954 yılında bulunmuştur. Galyum Fosfat (GaP) ile yapılmış bir diyotun, iletim yönünde akım geçirildiğinde kırmızı bir ışık yaydığı farkedilmiştir. Böylece bir yarıiletken ışık kaynağı keşfedilmiştir, ancak yarıiletkenlerdeki ışık yayımının fiziği pek anlaşılamadığı ve seri üretim için yeterli teknolojik düzeye erişilemediği için LED'ler yakın zamana kadar pek popüler olamamışlardır. Bu sorunların aşılmasından sonra LED ler inanılmaz bir şekilde kendilerine çok geniş bir uygulama alanı bulmuşlardır. Silisyum ve germanyum yarıiletkenlerinde iletim bandından elektronların valans bandına geçişi doğrudan olmamakta ve bu geçiş esnasında elektronun kaybettiği enerji, E g den küçük olduğundan ışın olarak yayılmaktadır. Yayılan ışın kendini diyotun ısınması olarak gösterir. Öte yandan GaAs, GaAsP, GaP gibi bileşik yarıiletken malzemelerden yapılan diyotlarda elektron doğrudan valans bandına geçer ve ortaya çıkan enerji ışık olarak yayılır. Eklemin üzeri ışık geçiren bir malzeme ile kaplandığında ışık görülebilir. Günümüzde LED lerin beyaz, sarı, kırmızı, turuncu, yeşil, kızılötesi ve mavi ışık veren türleri mevcuttur. LED in sembolü Şekil 2.13 de gösterilmiştir: LED devred Şekil LED in sembolü e iletim yö kullanılır ve iletim yönünde 2V 20

19 LED devrede iletim yönünde kutuplanarak kullanılır. İletim yönünde uçlarındaki gerilim V kadardır. Yayılan ışığın görülebilmesi için birkaç ma lik akımın akması yeterli olacaktır. Kullanılan yarıiletken malzemelerin cinsine göre LED ler yaydıkları ışığın rengine göre aşağıda gruplandırılmıştır: GaAs (Galyum Arsenid): Kırmızı ötesi (görülmeyen ışık) GaAsP (Galyum Arsenid Fosfat): Kırmızıdan - yeşile kadar (görülür) GaP (Galyum Fosfat): Kırmızı (görülür) GaP (Azotlu): Yeşil ve sarı (görülür) Işık yayan diyotların gücü zamanla orantılı olarak düşer. Bu güç normal gücünün yarısına düştüğünde diyot artık ömrünü tamamlamıştır. Bir LED diyodun ortalama ömrü saattir. Şekil 2.14'de, LED diyodun yayım gücünün, normal şartlarda (I F =100mA, T ortam =25 C iken,) zamana göre değişim eğrisi verilmiştir. Bu tip değerlendirmede, gücün düşme miktarı doğrudan güç değeri olarak değil de, normal güce oranı olarak alınmaktadır. Şekil Led diyodun yayım gücünün zamana karşı değişimi Işık yayan diyodun verimi; yayılan ışık enerjisinin, diyoda verilen elektrik enerjisine oranıyla bulunur. Diyoda verilen elektrik enerjisinin hepsi ışık enerjisine dönüşmemektedir. Yani harekete geçirilen elektronların hepsi bir boşluk ile birleşmemekte, sağa sola çarparak enerjisini ısı enerjisi halinde kaybetmektedir. Işık yayan diyotların en yaygın kullanılma alanı, dijital ölçü aletleri, dijital ekranlı bilgisayarlar, hesap makinaları ve yazıcı elektronik sistemlerdir. Bu kullanma şeklinde, çoklu ışık yayan diyotlardan yararlanılmaktadır. Bazı hallerde ışık yayan diyotlardan işaret lambası ve ışık kaynağı olarak da yararlanılır. Optoelektronik kuplör de bir LED uygulamasıdır. LED'lerin daha uzun ömürlü olabilmeleri için bazı hususlara dikkat edilmesi gerekmektedir. Bacaklar, kılıftan itibaren 2mm'den daha yakın kıvrılmamalıdır. Kılıfın çatlatılmamasına özellikle dikkat edilmelidir. Çatlaklardan sızacak rutubet, LED'in ömrünü büyük ölçüde azaltacaktır. Lehim yapılırken bacakların 125 C 'den daha fazla ısıtılmaması gerektiğinden bacaklar soğutma amacıyla metal maşa veya krokodillerle tutulmalıdır. 21

20 5.4 Fotodiyot Fotodiyot ışık enerjisiyle iletime geçen diyottur. Fotodiyotlara polarma geriliminin uygulanışı normal diyotlara göre ters yöndedir. Yani diyotun anoduna negatif (-), katoduna pozitif (+) gerilim uygulanır. Fotodiyotun sembolü Şekil 2.15 da gösterilmektedir. Şekil Fotodiyotun sembolü ve kutuplanışı Tıkama yönünde kutuplanan diyottan akan akım (I o ), azınlık taşıyıcı sayısına bağlıdır. Fotodiyotun üzerine ışık düşürüldüğü zaman kovalent bağlarından bazıları koparak geçiş bölgesi içindeki taşıyıcı (elektron ve boşluk) sayısını artırır. Bu nedenle tıkama yönünde akan doyma akımı I o dan daha büyük olur. Diyot, ışıkla uyarılmadığı zaman tıkama yönünde akan akım karanlık akımı (dark current) adını alır. Şekil 2.16'da gösterildiği gibi birleşme yüzeyine ışık gelince, bu ışığın verdiği enerji ile kovalent bağlarını kıran P bölgesi elektronları, gerilim kaynağının pozitif kutbunun çekme etkisi nedeniyle N bölgesine ve oradan da N bölgesi serbest elektronları ile birlikte kaynağa doğru akmaya başlar. Aynı durum N bölgesi için de geçerlidir. Sonuç olarak dış devrede, Şekil 2.16 da da gösterildiği gibi, N den P ye doğru akım akışı olacaktır. Şekil Fotodiyotun çalışması: (a) sembolik gösterim, (b) elektrik devre eşdeğeri Fotodiyotlar, elektronik ve elektromekanik düzenlerde ışık şiddeti ölçme işleminde, ışıkla kontrol düzeneklerinde dönüştürücü olarak kullanılırlar. Ayrıca fiber optik haberleşme sistemlerinde alıcı tarafında dönüştürücü olarak kullanılırlar. Şekil 2.17 'de ışığa duyarlı elemanların, foto elektrik akımının (Iph) ışık şiddetine göre değişimleri verilmiştir. 22

21 Şekil Çeşitli ışığa hassas elemanların akımlarının ışık şiddeti ile değişimleri 5.5 Tünel Diyotlar (Tunnel diodes) Tünel diyotlar, özellikle mikrodalga alanında yükselteç ve osilatör olarak yararlanılmak üzere üretilmektedir. Tünel diyoda, prensiplerini 1958 'de ilk ortaya koyan Japon Dr. Lee Esaki 'nin adından esinlenerek "Esaki Diyodu" da denmektedir. Bu diyotun diğer diyotlardan farkı yarıiletken bölgelerin aşırı katkılanmış olmasıdır. p-n ekleminde geçiş bölgesinin kalınlığı tıkama yönünde gerilim uygulandığında fazla olmaz. Tünel diyotun akım-gerilim karakteristiği Şekil 2.18 de gösterilmektedir. I-V karakteristiğindeki bölgelerin izahı: (a) Kutuplama yok (b) Ters kutuplama (c) İleri kutuplama (d) Vadi geriliminde ileri kutuplama (e) Vadi geriliminin üzerinde ileri kutuplama Şekil Tünel diyotun akım-gerilim (I-V) karakteristiği Şekil 2.18 de de görüldüğü gibi, bu diyotun p ve n bölgeleri aşırı katkılandırıldığından ters yönde (tıkama) gerilim artırılsa dahi geçiş (deplesyon) bölgesi genişliği fazla olmaz ve iki yarıiletken bölgedeki çoğunluk taşıyıcılar dar olan bu bölgeden tünelleme ile (difüzyon ile değil) karşı bölgeye geçerek akım oluşturur. Oluşan bu akım, hem negatif (b bölgesi) hem de pozitif yöndeki (c bölgesi) gerilim ile artar (tünelleme olayı hakim olduğundan). İletim yönündeki gerilim artırılmaya devam edildiğinde p-n ekleminden difüzyonla geçen taşıyıcılarla tünelleme ile geçen taşıyıcı sayıları arasındaki fark nedeniyle akım, gerilim büyümesine rağmen azalır (d bölgesi). Sonunda tünelleme ortadan kalkarak akım, diyot denklemine uyacak şekilde değişir (e bölgesi). I-V eğrisinde, iletim yönü için gerilim artmasına rağmen akımın azalması, değişken işaretlerde diyotun negatif direnç gibi davranmasına neden olur (d bölgesi). Tünel diyotun sembolü ve negatif direnç bölgesinde eşdeğer devresi Şekil 2.19 da gösteriliyor. 23

22 Şekil Tünel diyotun sembolü ve eşdeğer devresi Tünel diyotlarda p-n birleşme yüzeyi çok ince olup, küçük gerilim uygulamalarında bile çok hızlı ve yoğun bir elektron geçişi sağlanmaktadır. Bu nedenledir ki tünel diyot, MHz'e kadar ki çok yüksek frekans devrelerinde en çok yükselteç ve osilatör elemanı olarak kullanılır. Ayrıca bu diyotların güç sarfiyatı çok düşüktür (<=1mW). En önemli dezavantajları negatif dirençli bir bölgeye sahip olması nedeniyle stabil (kararlı) olmaması ve bu nedenle arzu edilmeyen işaretlere de kaynaklık edebilmesidir. 5.6 Kapasite diyotları Tıkama yönünde kutuplanmış bir diyotta geçiş bölgesinin genişlemesi ile bu bölgede açığa çıkan yük miktarı da artmaktadır. Yükün artışının nedeni tıkama yönü gerilimidir. Eklemin geçiş bölgesinde açığa çıkan yük miktarı gerilimle ilişkili olduğundan eklemde bir kapasite meydana gelir. Tıkama yönündeki gerilimin artması halinde kapasite azalmaktadır. Eklem kapasitesinin gerilimle değişme özelliğinden yararlanmak amacıyla üretilen diyotlara kapasite diyotu denmektedir. Kapasite diyotunun sembolleri Şekil 2.20 de gösterilmektedir. Şekil Kapasite diyotun sembolleri Kapasite diyotu elektronik devrelerde değişken kondansatör yerine kullanılmaktadır. Kapasite diyotunda kapasitenin değişimi, diyota tıkama yönünde gerilimin değiştirilmesi ile sağlanmaktadır. Bu özelliği, kapasite diyotunun radyo ve televizyon devrelerinde çok kullanılmasına neden olmaktadır. Bu cihazların alıcı devrelerinde birçok istasyonun hafızaya alınması, diyota önceden ayarlanan gerilimlerin uygulanması ile sağlanır. 5.7 Fotovoltaik diyotlar (Güneş pilleri) Fotovoltaik diyotlar, üzerlerine düşen ışık enerjisini elektriksel enerjiye dönüştüren p-n yarıiletken diyotlardır. Elde edilecek elektriksel gücün mümkün olduğu kadar büyük olabilmesi için eklem yüzeyleri büyük tutulur. Yapı basit olarak Şekil 2.21 de gösterilmektedir. 24

23 Şekil Fotovoltaik diyot İmalat sırasında belirli bir tipten (n veya p) yarıiletken üzerinde ince bir tabaka biçiminde diğer tipten yarıiletken malzeme oluşturulur. İnce olan tabaka, ışığın ekleme ulaşmasını sağlar. Foton, muhtemel valans elektronu ile karşılaşır ve ona enerjisini bırakarak iletkenlik bandına çıkarır. Böylece elektron-boşluk çiftleri oluşur. Eklemde oluşan elektrik alan etkisiyle her iki bölgedeki azınlık taşıyıcılar karşılıklı olarak sürüklenirler. Bu nedenle, ekleme gelen ışınım şiddetiyle orantılı olan akıma sahip bir akım kaynağı olarak davranır. Güneş pilleri belirtilen bu ilkeye bağlı olarak çalışır. Sisteme gereken gerilim ve güç, güneş pillerinin uygun sayıda paralel ve seri bağlanması ile elde edilir. Güneş pillerinde başta uzay araştırmaları olmak üzere birçok yerde yararlanılmaktadır. ÖRNEK: Yandaki devrede diyot idealdir. Buna göre; I x a) Diyot iletim yönünde kutuplandığını kabul ederek I D akımını bulunuz. V D b) Diyot tıkama yönünde kutuplandığını kabul ederek V D gerilimini bulunuz. c) Diyotun iletim durumu nedir? d) I x akımını bulunuz. ÇÖZÜM: a) Diyotun kısa devre olduğu kabul edilerek 12 V luk gerilim kaynağı ve 4 A lik akım kaynağı için süperpozisyon metodu uygulanırsa; I D 12 6// (4 2) A 0 olduğundan diyot iletimde değildir. b) Diyotun tıkama yönünde kutuplanması durumunda açık devre olarak alınır. 25

24 I x için süperpozisyon uygulanırsa; I x // 1 4. ( ) (1 4) 2 A V D 4. I x 8 V c) Diyot tıkama yönünde kutuplanmıştır. d) I x = -2 A 6. Diyotlu devreler: Kırpıcılar, doğrultucular, kenetleme devreleri 6.1 Kırpıcılar (Clippers) Bazı elektronik devrelerin girişlerine sadece pozitif ya da negatif sinyallerin verilmesi gerekebilir. Bazı devrelerin girişlerine ise sabit genlikte sinyaller verilmesi gerekebilir. O zaman giriş sinyali, devreye verilmeden önce uygun kırpıcıdan geçirilmelidir. Sadece pozitif ya da negatif sinyalleri geçiren kırpıcılar çıkışında kondansatörü olmayan bir yarım dalga doğrultucudan ibarettir. Bunlara ilişkin örnekler Şekil 2.22 de verilmiştir. Şekil Kırpıcı diyot devreleri Devrenin girişine sabit genlikte bir sinyal uygulamak gerekirse Şekil 2.23 de verilen örnek devre kullanılılabilir. Hatırlayacağınız gibi aslında diyotların iletime geçebilmeleri için üzerlerindeki voltajın belli bir değerin üzerine çıkması gerekmekteydi. İletime geçen diyodun üzerindeki voltaj sabit kalmaktadır. Bu özellik kullanılarak giriş sinyalleri diyotların açma voltajları ile sınırlandırılır. Bu devrenin en önemli uygulaması FM alıcılardaki kırpıcı (LIMITER) devresidir (Şekil 2.23). 26

25 Limiter devresi: Şekil Limiter devresi 6.2 Diyotlu Kırpıcı Devreler ile İlgili Örnek Problemler ÖRNEK 1: Devre 1 in girişine 10 V (tepe-tepe) kare dalga uygulanıyor. Buna göre, V 0 t değişimini elde ediniz. ÇÖZÜM 1: V İ =5 V için diyot açık devredir (tıkama): V İ = -5 V için diyot iletimdedir: Vo= 3 V V 0 = ,6 = -4.4 V 27

26 ÖRNEK 2: Devre 2 nin girişine 15 V (tepe-tepe) sinüs dalga uygulanıyor. Buna göre, V 0 t değişimini elde ediniz. ÇÖZÜM 2: V İ = 7,5 V için D1 ON D2 OFF Bu durumda; V 0 = 5 + 0,6 = 5,6 V Pozitif alternans V İ > 5,6 V için 5,6 V da kırpılır. V İ > 5,6 V için D1 OFF olduğundan V 0 = V İ olur. V İ = -7,5 V için D1 OFF ve D2 ON Bu durumda; V 0 = 1-0,6 = 0,4 V V İ < 0,4 V için D1 ON olduğundan V 0 = 0,4 V olur. 28

27 ÇALIŞMA SORUSU: Yukarıdaki devre 2 nin girişine tepeden tepeye 10 V olan kare dalga uygulanırsa çıkışın zamana göre değişimi nasıl olur, alt alta çiziniz? ÖRNEK 3: Aşağıdaki devrenin girişine a) Vi=30.Sin(wt) V ve b) Tepe-tepe genliği 30 V olan kare dalga uygulandığı zaman Vo-t değişimini çiziniz. ÇÖZÜM 3: a) V İ < 10 V için Diyot OFF V 0 = 0 V 10 V İ 30 V için D ON V 0 = V İ 10 = 20 sin(wt) V İ < 0 V için D OFF b) V 0 = 0 V V İ = 15 V için D ON V 0 = 5 V V İ = -15 V için D OFF ve V 0 = 0 V 29

28 ÖRNEK 4: Aşağıdaki devrenin girişine Vi=20.Sin(wt) V uygulandığına göre Vo-t değişimini çiziniz. ÇÖZÜM 4: V İ > 5 sin(wt) için Diyot ON V 0 = 5 V V İ 5 sin(wt) için Diyot OFF V 0 = V İ ÇALIŞMA SORUSU: Aşağıdaki devrenin girişine Vi=40.Sin(wt) V uygulandığına göre Vo-t değişimini çiziniz. ÖDEV : Aşağıdaki devrede; a) Vi=15.Sin(wt), V D1 =V D2 =0.6 V, R D1 =R D2 =0 Ω ve b) Vi=Tepe-tepe genliği 20 V olan kare dalga, V D1 =V D2 =0 V, R D1 =R D2 =20 Ω olduğuna göre Vo-t değişimini çiziniz. 30

29 6.3 Doğrultucular (Rectifiers) Bir elektronik devrenin veya elektromekanik bir sistemin işlevini yerine getirebilmesi için doğru gerilim (DC) kaynaklarına ihtiyaç vardır. Küçük güçlü elektronik cihazlar için pil veya batarya bu ihtiyacı karşılayabilir. Öte yandan cihaz için gereken güç arttıkça batarya kullanmak ekonomik olmadığı gibi ancak kısa bir süre için mümkün olabilmektedir (dijital kamera veya dizüstü bilgisayarlarda olduğu gibi). Bu gibi durumlarda gereken DC gerilimin alternatif şebeke geriliminden sağlanması yoluna gidilir. İşte, ortalaması sıfır olan alternatif bir işaretten ortalama değeri olan bir değişim elde etmeye doğrultma, doğrultma işlemini gerçekleştiren devrelere de doğrultucular (redresör) denir. Doğru Akım Güç Kaynaklarının (DC Power Supply) önemli bir kısmını doğrultucular oluşturmaktadır. Özetle, doğrultucular alternatif akımı, örneğin şehir şebekesini doğru akıma çevirmeye yarar. Kullanım yerleri olarak, elektronik devrelerin DC ihtiyaçlarını karşılamak yada güç kaynaklarının ön devresi olmalarını söyleyebiliriz. Doğrultucuların üç tipi vardır. 1. Yarım dalga doğrultucu 2. Tam dalga doğrultucu 3. Köprü Doğrultucu Yarım Dalga (tek yollu) Doğrultucu: Doğrultucuları açıklamadan önce bir altın kuralı hatırlayalım. Bir diyottan akım geçebilmesi için anodunun katoduna göre pozitif olması gerekmektedir. Örneğin silisyum bir diyot için; Anod: 1V, Katot:0V Akım geçer. Anod: 10V, Katot:9V Akım geçer. Anod: -5V, Katot:-6V Akım geçer. Anod: 5V, Katot:6V Akım geçmez. Şekil 2.24 de bir yarım dalga (tek yollu) doğrultucu görülmektedir. Tek yollu doğrultucu alternatif olarak değişen işaretin sadece bir alternansından yararlanarak doğrultma yapan düzendir. Devrenin girişinde şehir şebeke gerilimini istenilen değere düşürmek için transformatör kullanılır. Şekil Yarım dalga (tek yollu) doğrultucu 31

30 Doğrultucunun a ve b uçları arasına alternatif bir gerilim uygulayalım. Şekil 2.24 de görüldüğü gibi, t 1 ve t 2 zamanları arasında a ucu b ucuna göre pozitif, t 2 ve t 3 zamanları arasında a ucu b ucuna göre negatif olur. t 1 ve t 2 zamanları arasında a ucu pozitif olduğu için diyodun anodu katoduna göre pozitif olur ve diyot üzerinden (dolayısıyla R L üzerinden) akım akar. t 2 ve t 3 zamanları arasında a ucu b ucuna göre daha negatif olacağı için diyodun da anodu katoduna göre daha negatif olur ve diyot akım geçirmez. Bunun sonucu olarak t 2 ve t 3 zamanları arasında yük direnci R L üzerinde bir gerilim oluşmaz. Böylece alternatif akımın her pozitif bölgesi geldiğinde yük direnci R L üzerinde Şekil 2.25 de gösterilen biçimde bir gerilim oluşur. Şekil Tek yollu doğrultucu için gerilim dalga biçimleri Bu işaretin ortalama değeri: V V DC DC V( wt) dt 2 2 V 0 0 Vm V m V DO m sinwtdt Burada da görüldüğü gibi alternatif işaretten ortalama değeri olan bir gerilim değişimi elde edilmesine karşın bu işaret DC den çok uzaktır. Yani genliği zamana göre değişiyor yani kısmen AC tanımına uyuyor. Fakat, dikkat edilecek olunursa genliği hep pozitif olarak değişiyor. Doğrultucu devre bu biçimi ile ölçü aletlerinde değişken işaretin değerini ölçmek amacıyla ya da basit akümülatör şarj devrelerinde kullanılabilir. Doğrultma işlemini tam olarak gerçekleştirmek için devrenin çıkışına, (Şekil 2.26) yük direncine paralel olarak bir kondansatör koyalım. 32