İletken, Yalıtkan ve Yarı İletken

Transkript

1 Diyot, transistör, tümleşik (entegre) devreler ve isimlerini buraya sığdıramadağımız daha birçok elektronik elemanlar, yarı iletken malzemelerden yapılmışlardır. Bu kısımdaki en önemli konulardan biri, iki farklı yarı iletkem malzemelerden meydana gelen PN yapısıdır. Bu yapı yukarıda saydığımız veya sayamadığımız birçok elektronik elemanların temel taşıdır. PN yapı dışarıdan uygulanacak güç kaynağının bağlantısına göre elektrik akımını bir yönde iletirken, iletken; diğer yönde elektrik akımı iletmezken, yalıtkan olmaktadır.

2 İletken, Yalıtkan ve Yarı İletken Bilindiği gibi maddenin yapı taşına ATOM diyoruz. Atomun yapısı nasıldır? Bunu Şekil 1.1 d e k i B a k ı r a t o m u n u n ş e k l i n d e n g ö r e b i l i r i z. Şekil 1.1 Bakır atomunun Bohr modeli Çekirdeğin içinde eşit sayıda proton ve nötron bulunmaktadır. Protonlar atomun pozitif e l e k t r i k y ü k ü n ü o l u ş t u r u r l a r, n ö t r o n l a r i s e a t o m u n k ü t l e s i n i o l u ş t u r m a k t a d ı r l a r. Ç e k i r d e ğ i n dışında çeşitli yörüngelerde dolaşan ve atomun negatif elektrik yükünü oluşturan elektronlar vardır. Bakır atomunun en dış yörüngesinde (valans yörünge) sadece bir elektron bulunur. En dış yörüngede bulunan elektrona valans elektron adı verilir.

3 En dıştaki 1 adet valans elektron iletken içindeki elektrik akımını sağladıkları için ayrıca ö n e m l i d i r l e r. B a ş k a b i r d e y i ş l e, b i r a t o m u n e n d ı ş y ö r ü n g e s i n d e a z s a y ı d a v a l a n s e l e k t r o n v a r s a ( 1, 2, 3 ) b u e l e k t r o n l a r ı ç e k i r d e ğ e b a ğ l a y a n g ü ç z a y ı f t ı r. D ı ş a r ı d a n u y g u l a n a c a k k ü ç ü k bir enerji kaynağı yardımı ile bu elektronların serbest hale geçmesi çok kolaydır. Şekil 1.2 de Bakır atomunun basitleştirilmiş modeli gösterilmektedir.

4 Sonuç Elektrik akımını kolaylıkla ileten malzemelere iletken denir. Bunun nedeni bu malzemelerin valans elektronlarının olmasıdır. Uygulanacak en küçük bir enerji kaynağı ile (pil, ısı, güneş enerjisi gibi) bu elektron serbest hale geçmektedir. İletken malzemeler, Bakır, altın, gümüş, alüminyum gibi malzemelerdir.

5 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 v e r i l i r. D o y m u ş y ö r ü n g e l e r d e n e l e k t r o n k o p a r m a k ç o k z o r o l d u ğ u i ç i n y a l ı t k a n m a d d e l e r d e serbest elektron sayısı çok azdır. Bu nedenle elektrik akımını iletmezler. Yalıtkanlar, elektrik akımını iletmeyen maddelerdir. Yalıtkanlara örnek olarak, plastik, mika, kağıt gösterilebilir. Yalıtkan maddeler, elektrik kablolarının iz o l a s y o n u n d a k u l l a n ı l ı r l a r

6 Yarı iletkenler, elektriksel iletkenlik bakımından, yalıtkanlarla iletkenler arasında yer alırlar İletken Yarı iletken Yalıtkan Germanyum ve silisyum, elektronik alanında yaygın olarak kullanılan yarı iletkenlerdir. G e r m a n y u m v e s i l i s y u m u n e n d ı ş ( v a l a n s ) y ö r ü n g e l e r i n d e 4 t a n e e l e k t r o n b u l u n u r. Germanyum ve Silisyum yarı iletken maddelerine katkı maddesi ilave edilerek elektronik devre elemanı imalinde (diyot, transistör, tristör, triyak, vb.) kullanılırlar.

7 Şekil 1.4 Germanyum atomunun basitleştirilmiş modeli Şekil 1.7 Silisyum atomunun basitleştirilmiş modeli Kural: bütün yarı iletk e elektron bulunur. En dış yö n l e r i ç i n g e ç e r l i d i r. H e p s i n i n a t o m l a r ı n ı n e n d ı ş y ö r ü n g e s i n d e 4 r ü n g e l e r i n d e 4 e l e k t r o n b u l u n a n m a d d e l e r, k i m y a s a l o l a r a k b a ş k a m a d d e l e r l e b i r l e ş m e e ğ i l i m i g ö s t e r i r l e r. B u m a d d e l e r, e n d ı ş y ö r ü n g e l e r i n d e k i e l e k t r o n s a y ı s ı n ı 8 e tamamlama eğilimindedirler.

8 Elektronik devre elemanları yapımında germanyum ve silisyum maddeleri saf olarak kullanılmaz, içlerine katkı maddeleri enjekte edilerek N (negatif) ve P (pozitif) tipi yarı i l e t k e n l e r e l d e e d i l i r l e r. Saf N (Negatif) tipi malzeme Katkı malzemeleri Arsenik, Fosfor, Antimuan veya Alüminyum, Boron, Galyum, Indium Si veya Ge P (Pozitif) tipi malzeme

9 N tipi malzeme Katkı malzemeleri Arsenik, Fosfor, Antimuan Saf Si veya Ge N (Negatif) tipi malzeme Önemli Not: Arsenik, Fosfor ve Antimuan gibi elementlerin en dış yörüngelerinde 5 tane valans elektron bulunur.

10 Saf silisyum maddesine atomlarının en dış yörüngesinde 5 elektron bulunan arsenik (As) maddesi katılırsa, silisyum atomları, komşu arsenik atomlarının en dış yörüngesindeki 5 elektrondan 4 tanesiyle kovalent bağlar kurar. 5nci 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 gelmiş olur. Si Si Si Fazla Elektron Si As Si Şekil 1.9. Arsenik katkılı silisyum maddesi Si Si Si

11 P tipi malzeme Katkı malzemeleri Bor,Galiyum, İndium Saf Si veya Ge P (Pozitif) tipi malzeme Önemli Not: Bor, Galiyum ve İndium gibi elementlerin en dış yörüngelerinde 3 tane valans elektron bulunur.

12 Silisyum maddesine, bor maddesi enjekte edildiğinde, bor atomlarının en dış yörüngelerindeki 3 elektron, silisyum atomlarıyla kovalent bağ kurar, buna karşılık bor atomunun en dış yörüngesindeki elektron sayısı 3 olduğu için bir kovalent bağ eksik kalır. Yani her Bor atomu 1 elektronluk eksikliği meydana getirir. Bu elektron eksikliği veya boşluğu oyuk olarak da adlandırılır. Si Si Si Si B Si Elektron Boşluğu (Oyuk) + Si Si Si Şekil 1.11 maddesi Bor katkılı silisyum

13 Buraya kadar anlatılanla r ı ş ö y l e ö z e t l e y e b i l i r i z : Saf silisyum veya germanyum maddesine, bir miktar arsenik maddesi katılırsa, e l d e e d i l e n b i l e ş i m d e e l e k t r o n f a z l a l ı ğ ı o r t a y a ç ı k a r v e b u m a d d e N t i p i y a r ı i l e t k e n o l a r a k a d l a n d ı r ı l ı r. Saf silisyum veya germanyum maddesine, bir miktar bor maddesi katılırsa, elde edilen b i l e ş i m d e e l e k t r o n e k s i k l i ğ i ( o y u k ) o r t a y a ç ı k a r v e b u m a d d e P t i p i y a r ı i l e t k e n o l a r a k adlandırılır. Bir metal ile yarı iletken arasındaki en önemli fark akım taşıyıcıları bakımındandır. Metallerde elektronlar tarafından metalin her iki yönünde taşınabilir. Bu nedenle metaller Unipolar olarak adlandırılır. Yarı iletkenlerde ise farklı iki taşı Boşluklar y ı c ı t a r a f ı n d a n ( veya Elektronlar) taşınır. Bu nedenle yarı iletkenlere Bipolar adı verilir.

14 1.3 N ve P-Tipi İletkenler İçerisinde İletim P tipi yarı iletkenlerde çok az da olsa serbest elektronlar, N tipi yarı iletkenlerde de yine çok az oyuklar bulunacaktır P tipi yarı iletkenlerde oyuklar, N tipi yarı iletkenlerde de elektronlar çoğunluktadır. P tipi yarı iletkenlerdeki oyuklar, çoğunluk akım taşıyıcı, elektronlar ise azınlık akım taşıyıcı olarak adlandırılır. N tipi yarı iletkenlerde i s e, e l e k t r o n l a r, çoğunluk taşıyıcı, serbest oyuklar ise azınlık akım taşıyıcı olarak adlandırılırlar. akım

15 N tipi yarı iletken Elektron Oyuk E Şekil 1.12 N-tipi bir yarı iletkende elektron ve oyuk hareketi. P tipi yarı iletken Oyuk E Şekil P tipi bir yarı iletkende oyuk ve elektron hareketi

16 1.4 PN Bağlantısı Bu kısımda daha önce anlattığımız P ve N tipi katkılı yarı iletkenleri bir araya getirip, elektronikte çok sık kullanılan bir PN Bağlantısını (PN Junction) inceleyeceğiz. Bu bağlantı şekli kullanılan tüm yarı iletken malzemenin (diyot, transistor, FET vs...) temel yapısı olup iyi anlaşılmasında fayda vardır.

17 PN bağlantısına dışarıdan hiçbir şekilde enerji kaynağı uygulanmıyorsa, bu duruma polarmasız PN birleşimi PN bağlantısına dışarıdan herhengi bir şekilde enerji kaynağı uygulanıyorsa, PN yapıya polarmalı PN birleşimi Polarmalı PN yapının iletken olma durumuna, doğru polarma Polarmalı PN yapının yalıtkan olma durumuna, ters polarma

18 ö t r b ö l g e o l u ş u r Polarmasız PN Bağlantısı P tipi yarı iletken N tipi yarı iletken Bu bölge bir gerilim duvarı gibi davranarak, elektron ve oyukların karşı bölgelere geçmesini önlemektedir. Birleşme yüzeyi Birleşme yüzeyi çevresinde n

19 P tipi yarı iletken Nötr Bölge N tipi yarı iletken Birleşme yüzeyi Şekil 1.15 Polarmasız PN birleşiminde nötr bölgenin oluşumu Artık denge durumunda olan bağlantının uçlarından elektrik akımının (elektronların) geçebilmesi için elektriksel bir engel voltajı, V D, oluşmuştur. Bu engel bağlantının arasında kalan nötr bölgedir. Aradaki bölgeyi elektronların aşabilmesi için silisyum için 0,7V ve germanium için 0.3V kadar bir gerilime ihtiyaç vardır. Bu gerilim değeri özellikle küçük sinyal uygulamalarında çok önemlidir. Aynı zamanda ortası yalıtkan iki dış kenarı yarı iletken olan bağlantı bir kapasite, C, olarak da davranır.

20 Şekil 1.16 da görüldüğü gibi bu kapasite yüksek frekanslarda çalışan diyot, transistör gibi malzemeler için istenmez, fakat varikap diyot gibi kapasitesi gerilimle değişen diyotlar için özellikle istenir. Bu özellikleri sağlamak için yarı iletken üreticilerinin özel teknikleri bulunmaktadır. V D P tipi yarı iletken N tipi yarı iletken Şekil 1.16 Nötr bölgede engel voltajı ve kapasitenin oluşumu C

21 PN Bağlantısının İletkenliği; Doğru Polarma PN bağlantısının P tarafına pozitif, N tarafına negatif gerilim uygularsak yapı iletime geçer. Bu bağlantıya Doğru Polarma denir. P V D N DC A E < V D E Şekil V < V D durumunda doğru polarlanmış PN birleşimi

22 V D P N Daralan nötr bölge DC A Şekil 1.18 E = 0.7V da daralmaya başlayan nötr bölge. E = V D E Oyuk akışı P N Serbest elektron akışı I D Daralan nötr bölge DC A Şekil 1.19 Doğru polarlanmış PN birleşimi E > V D E

23 PN Bağlantısının Yalıtkanlığı; Ters Polarma PN bağlantısının P tarafına n e g a t i f, N Bu bağlantıya Ters Polarma denir. tarafına p o z i t i f g e r i l i m u y g u l a r s a k y a p ı y a l ı t k a n o l u r. V D P N Genişleyen nötr bölge DC A E > 0V Şekil 1.20 Ters polarlanmış PN birleşimi E

24 Ters polarlamada yarı iletken içindeki azınlık taşıyıcılarından dolayı mikroamper seviyelerinde de olsa bir akım akar. Bu akıma sızıntı akımı denir. Azınlık taşıyıcıları sıcaklığın artması ile artacağı için PN bağlantıda sızıntı akımı, sıcaklığın artması ile artar. PN bağlantıda doğru polarma için P ucuna pozitif, N ucuna negatif gerilim verilir. Doğru polarma da PN bağlantıdan akım akar. PN bağlantıda ters polarma için P ucuna negatif, N ucuna pozitif gerilim verilir. Ters polarma da PN bağlantıdan akım akmaz.

25 Diyot Diyot, tanım olarak elektrik akımını bir yönde geçiren, diğer yönde ise geçirmeyen bir elektronik yarı iletken devre elemanıdır. Diyot, PN birleşmesinden meydana gelir. Anot (A) Katot (K) A K (a) Sembol Şekil 1.21 Diyot (b) Fiziki yapı

26 I D Doğru Polarma Bölgesi V BR V D 0.7 V (Si) 0.3 V (Ge) Ters Polarma Bölgesi Şekil 1.22 Bir diyodun (I V) karakteristiği

27 V D DC V I D DC A E = V D + (I D xr) R + Şekil 1.23 Doğru polarlanmış bir diyot V D = E DC V E I D = 0 DC A Şekil 1.23 de kullanılan R direnci akım sınırlama direnci olarak görev yapmaktadır. Devrede kullanılan diyot doğru polarma altında çalıştığı zaman, diyot içerisinden akan akımın ifadesi aşağıdaki bağıntıdan bulunur. I D E V R D..(1.1) Germanyum diyotlar için yaklaşık V D =0,3V, Silisyum diyotlar için yaklaşık V D =0,7V kadardır. R E + Ters polarlanmış bir diyot devresinde: I D = 0 A (Diyot içerisinden akım akmaz) V D = E (Diyot üzerindeki gerilim, kaynak gerilimine eşit olur.) Şekil 1.24 Ters polarlanmış bir diyot

28 Bir diyot nasıl zarar görür? Bir diyodun doğru polarma altında içerisinden akabilecek en büyük akımına, maksimum ileri yön akımı denir. Devreden akan akım, bu akım değerinden büyük olursa, diyodumuz zarar görecektir. Ters polarma koşulu altında diyodun dayanabileceği gerilime, V BR, kırılma gerilimi denir. Ters polarma koşulunda V AK > V BR ise diyod zarar görür. Özet: Bir diyot doğru olarak polarlandığı zaman, içerisinden geçen akım artar veya azalırsa üzerine düşen gerilim, başka bir deyişle her zaman için V AK = V A V K = 0.7 V değerinde sabit kalır.

29 Örnek 1.1 Şekil 1.25 de verilen devrede kullanılan 1N4001 diyodunun, maksimum ileri yön akımı 1A ve VBR = 50 V dur. Devre akımının, maksimum ileri yön akımının yarısı kadar olabilmesi için gerekli olan akım sınırlama direncinin değerini bulunuz? D1 1N4001 Çözüm V Şekil 1.25 R Şekil 1.25 de verilen devrede ileri yön akımı 0.5 A veya 500 ma olacaktır. 20V = (500 ma x R) V ifadesinden, R değeri R = = 38.6 k olarak bulunur.

30 Örnek 1.2 Şekil 1.26 da verilen devrede, devre akımı 1 ma olabilmesi için V2 kaynağının gerilim değerini bulunuz? Çözüm 1.2 Şekil 1.26 da verilen devrede diyotlar seri olarak kullanılmışlardır. Dolayısı ile, V 2 = (0.7 V + 0.7V) + (1 ma x 2 k ) + 10 V = 13.4 V olarak bulunur. V2 + D1 R 2k Şekil 1.26 D2 + V1 10V

31 Örnek 1.3 Şekil 1.27 de verilen devrelerin herbirinde kullanılan diyodların, doğru yönde p o l a r l a n a b i l m e s i i ç i n g e r e k l i o l a n g e r i l i m d e ğ e r l e r i n i b u l u n u z? V1 10V D R V2 V2 D R V1 2 ma 2k 0.5 ma 1k -2V (a) (b) Şekil 1.27

32 Çözüm 1.3 V1 10V D R V2 V2 D R V1 2 ma 2k 0.5 ma 1k -2V 10V V 2 = 0.7V + (2mA x 2k) 10V V 2 = 4.7V 10V 4.7V = V V = V 2 V 2 (-2V) = 0.7V + (0.5mA x 1k) V 2 + 2V = 1.2V V 2 = - 2V V V 2 = V