metal (bakır) metaloid (silikon) metal olmayan (cam) iletken yar ı iletken yalıtkan

Transkript

1 1 YARI İLETKENLER Enstrümantal Analiz ir yarı iltkn, iltknliği bir iltkn il bir yalıtkan arasında olan kristal bir malzmdir. Çok çşitli yarıiltkn malzm vardır, silikon v grmanyum, mtalimsi bilşiklr (silikon karbür gibi), v çşitli organik bilşiklr bunlardan bazılarıdır. Elktronik altlrin yapımında kullanılan iki önmli yarıiltkn malzm kristal silikon v grmanyumdur; inclmlrimiz bu yarıiltknlri kapsayacaktır. mtal (bakır) mtaloid (silikon) mtal olmayan (cam) iltkn yar ı iltkn yalıtkan Tanımlar pn ağlantısı: p-tip v n-tip yarı iltkn malzmlr arasındaki sınır. Diyot: Sadc bir yönd akım gçmsin olanak vrn bir lktronik alt. Engl (ariyr) Potansiyli: ir pn bağlantı diyotunun tüktm bölgsindki potansiyl. Düz (Forward) ias: ir diyotun akım ilttiği koşul. Trs (Rvrs) ias: ir diyotun akımı nglldiği koşul. Fotodiyod: Trs dirnci, gln ışıkla dğişn bir diyottur.

2 2 1. Silikon v Grmanyum Yarıiltknlr Silikon v grmanyum IV.Grup lmntlrindndir v bağ yapabiln dört valans lktronları bulunur. Silikon kristalind bir silikon atomunun hr bir lktronu, diğr bir silikon atomunun bir lktronu il kovalnt bağ oluşturduğundan harktsizdir. una gör kristal silikonda srbst lktron bulunmaz, v maddnin bir yalıtkan özlliği göstrmsi bklnir. Grçkt is oda sıcaklığında, bir lktronun srbst kalmasına ytck kadar ısıl çalkalanma vardır, böylc bağlardan kopan bir lktron kristal dokusu içind dolaşır v lktriği iltir. ir lktronun bu şkild ısıl "uyarılması" pozitif yüklü bir bölgnin oluşmasına yol açar, buna "boşluk" dnir v silikon atomunu blirtir. oşluk da harktlidir, v kristalin lktrik iltimin yardımcı olur. oşluğun harkt mkanizması kadmlidir; lktronca zayıf bölgy, komşu silikon atomundan bağlı bir lktron atlar v kndi yrind pozitif bir boşluk bırakır. ıraktığı boşluğa, oradaki atomun yanındaki atomdan yni bir - lktron atlaması il olay dvam dr. öylc lktron harktinin trs yönün doğru boşluk oluşması dvam dr. u açıklamaya gör, bir yarıiltknin iltknliği ısıl lktronun bir yönd, boşlukların is diğr yöndki harktlrindn kaynaklanır. ir silikon vya grmanyum kristalinin iltknliği "doping" yapılarak çok fazla artırılabilir. Doping, ufacık v miktarı kontrol dilbiln bir safsızlığın kristal yapısına sokulmasıdır. ir silikon yarıiltkn konulan doping maddsi arsnik vya antimon gibi bir V. grup lmnti, vya indiyum vya galyum gibi bir III. grup lmnti olabilir. Donor (Vrici) vya n-tip Safsızlık: ir V. grup lmnti atomunun kristal örgüsündki bir silikon atomu il yr dğiştirmsi durumunda, yapıya bir tan bağlı olmayan lktron konulmuş olur; lktronun kristald dolaşması için çok az bir ısıl nrjiy grksinim vardır. u lktronun ayrılmasıyla grid kalan pozitif atom (V. grup lmntinin atomu), harkt dbiln bir boşluk görvi yapamaz, çünkü kovalnt silikon bağından buradaki bağsız konuma bir lktronun gçm ğilimi çok azdır. Doping yapılmış bir yarıiltkn, bağlı olmayan lktronlar içrdiğindn "n-tip" vya ngatif tip yarıiltkn dnir, çünkü akımın "başlıca (salt) taşıyıcıları" lktronlardır. u tip bir yarıiltknd hala pozitif boşluklar vardır, ancak sayıları lktronların sayılarına kıyasla çok azdır; yani, n-tip bir yarıiltknd boşluklar akımın "azınlık taşıyıcıları" dır. Aksptör (Alıcı) vya p-tip Safsızlık: Silikonun, sadc üç valns lktronu bulunan bir III. grup lmnti il doping yapılması durumunda "p-tip" vya pozitif

3 3 tip yarıiltkn mydana glir. Safsızlık atomunun boş orbitalin, yanındaki silikon atomlarından lktronların atlamasıyla pozitif boşluklar oluşur. u işlml III. grup atomu pozitif yüklnir. oşluklar silikon atomundan silikon atomuna gçrk ilrlr; böylc, çoğunun taşıyıcısının pozitif olduğu bir akım oluşur. Pozitif boşluklar srbst lktronlardan daha az harktlidirlr; buna gör bir p-tip yarıiltkn bir n- tip yarıiltkndn daha zayıf bir iltkndir. paylaşılan lktronlar srbst lktron paylaşılan lktronlar boşluk safsızlık atom(vrici) safsızlık atom (alıcı) silikon kristali n-tip yarıiltkn p-tip yarıiltkn safsızlık olarak antimon ilav dilmiştir safsızlık olarak boron ilav dilmiştir Si atomu atom No: 14 Sb atomu atom no: 51 atomu atom No: 5 Saf silikon kristali, vrici safsızlık antimon atomu v alıcı safsızlık bor atomunun yapısını v yarı iltknlrin dokusunu göstrn diyagramlar 2. Yarı İltkn Diyotlar ir "diyot", bir yöndki iltknliği diğr yöndkindn daha büyük olan bir sistmdir. Tk bir grmanyum, vya silikon kristali içind birbirin bilşik n- v p-tip bölglr oluşturularak çok faydalı diyotlar yapılmaktadır; bölglr arasındaki yüzy pn bağlantısı dnir.

4 4 ir pn ağlantısının Özlliklri Şkil (a) da bir pn bağlantısının ksiti görülmktdir; bu tip bir bağlantı p bölgsindn n bölgsin pozitif yük (vya trs yönd ngatif yük) akmasını sağlar; diğr yönd (n dn p y) pozitif yük akmasına karşı büyük bir dirnç göstrir, bu bağlantıya "akım rktifiri (doğrultmaç)" adı vrilir. I t I r boşluklar I t I nt = 0 lktronlar p bölgsi n bölgsi (a) ias yok lktronlar v boşluklar bağlantıda birlşirlr I r I t I r I nt I nt Chaptr%2011%20Smiconductor%20Thory%20 and%20dvics.ppt p bölgsi n bölgsi + - V (b) Düz bias (forward bias) - + V (c) Trs bias (invrs bias) Şkil (b) d, bir potansiyl uygulanarak p bölgsinin n bölgsin gör pozitif yüklndiği durumdaki lktrik iltimi mkanizması göstrilmiştir; bu işlm "düz-bias" grilimi dnir. Düz bias (forward bias): V uygulanan > 0 p bölgsindki pozitif boşluklar v n bölgsindki fazla lktronlar (yani, hr iki bölgdki başlıca taşıyıcılar) lktrik alanının tkisiyl bağlantıya doğru harkt drlr, v birbirlriyl birlşrk yok olurlar. ataryanın ngatif ucu n bölgsin yni lktronlar vrir, bunlar tkrar iltm işlmini sürdürürlr; bataryanın pozitif

5 5 ucu is p bölgsindn lktron çkrk, pn bağlantısına doğru harkt dn yni boşluklar yaratır. Trs bias (rvrs bias): V uygulanan < 0 Diodda "trs-bias" grilimi varsa (Şkil-c) hr iki bölgdki başlıca taşıyıcılar bağlantıdan uzaklaşacak yönd harkt drlr, böylc grid birkaç yükün bulunduğu bir "ksiltm tabakası" bırakırlar. Hr iki bölgd d sadc bağlantıya doğru harkt dn v böylc bir akım taşıyan çok az konsantrasyondaki azınlık taşıyıcılar kalır. öylc, trs-bias grilimi altındaki iltim düz- bias altındakinin katı kadar olur. Yarı İltkn Diyotlar İçin Akım-Voltaj Eğrilri Aşağıdaki şkild tipik bir yarıiltkn diyotun forward (düz) v trs-bias altındaki davranışı göstrilmiştir. Düz-biasda akım voltajla hmn hmn ksponnsiyl olarak artar; bir kaç amprlik akımlar gözlnir. Trs-bias altında is, bir voltaj aralığı boyunca mikro ampr sviysind bir akım gözlnir; bu bölgd iltknlik azınlık taşıyıcılarca sağlanır. u trs akımın önmi yoktur. Trs potansiyl artırıldığında, yin d hızla trs akımın aşırı drcd artığı "kopma" voltajına ulaşılır. urada, yarıiltknin kovalnt bağlarının kopmasıyla mydana gln boşluklar v lktronlar alan tarafından hızlandırılarak çarpışmayla yni lktronlar v boşluklar oluştururlar. -V trs kopma bölgsi trs bias bölgsi +I Akım -I düz (forward) bias bölgsi +V Potansiyl Chaptr_9_Lctur_PowrPoint.ppt ir silikon yarıiltkn diodun akım voltaj özlliklri

6 6 Ayrıca bağlantı tabakası arasında, lktronların kuvantum mkaniği tünli d iltknliğin artmasına yardım dr. u iltknlik ısıtma tkisiyl diyotu tahrip dck kadar yüksktir. Trs-bias altında akımda ani artışa ndn olan voltaja "Znr kopma voltajı" dnir. ağlantı tabakasının tipinin v kalınlığının kontrol dilmsiyl birkaç volttan birkaç yüz volta kadar Znr Voltajları alınabilir. u olaydan lktronikt çok yararlanılır. 3. Transistörlr Transistör yarıiltkn kuvvtlndirm altidir v bir vakum kuvvtlndirm tüpü il ayni işlvi yapar; yani, giriş sinyalindn daha büyük bir çıkış sinyali oluşmasını sağlar. ir kaç tip transistör bulunur; bunlardan n çok kullanılan "bipolar" v "alan-tki transistörü" üzrind durulacaktır. ipolar (İki Kutuplu) Transistörlr ipolar transistörlr sırt-sırta yrlştirilmiş iki yarıiltkn diodtur. pnp transistörd n-tip bir bölg iki p-tip bölg arasına sıkıştırılmıştır; npn tip transistör bunun trsi bir yapıdadır. ipolar transistörlr çşitli şkillrd hazırlanabilir, bunlardan ikisi aşağıdaki şkl göstrilmiştir. PNP transistör NPN transistör C E C E p n p n p n (a) Fiziksl yapı C (kollktör) (b) Fiziksl yapı C (kollktör) (bas) E (mittr) (c) Şmatik yapı (bas) E (mittr) (d) Şmatik yapı

7 7 Tüm transistörlrin gnl görünümü: Küçüktürlr. Fazla dopingli dış tabakalardan küçüğün "mittr" büyüğün "kolktör" dnir. İnc (~ 0.02 mm), hafif dopingli "bas" tabakası, mittr il kollktörü birbirindn ayırır. Üç bölg arasında mkanik v lktrik bağlantısı vardır. ir alaşım bağlantı pnp transistörü, çoğunlukla, n-tip bir grmanyum çiptn yapılır. Çipin hr iki tarafı üzrin, indiyum gibi, bir III.Grup mtali plltlri konulur v plltlr rgiyip grmanyum içind çözününcy kadar ısıtılır. Soğutulup kristallndirilir. öylc, inc bir tabaka n-dopingli grmanyumun iki tarafında, iki tan yüksk dopingli p-bölgsi oluşturulur. Tipik bir düzlmsl npn transistörü, silikon dioksid il kaplanmış inc bir n-tip silikon yapraktan hazırlanır. Yaprak oksijn atmosfrind ısıtılarak bir oksit tabakası şklind çöktürülür. p-tip bas bölgsini yapmak için, oksid yüzy üzrind dair şklind bir girinti yapılır; sonra, kristal ısıtılır v boron buharlarına tutularak difüzyonla hafif dopingli, p-tip bölgnin oluşması sağlanır. Tabaka tkrar oksitlnrk ynidn yüzy filmi oluşturulur, sonra orijinal dairnin için daha küçük bir dair girintisi çizilir. u dairsl girintinin, kristalin ısıtılıp fosfor buharlarına tutulmasıyla, difüzyonla yüksk dopingli, n-tip mittr bölg oluşturulur. pnp v npn tip transistörlrin smbollri şkild göstrilmiştir. Emittr bağlantısındaki ok pozitif yük akımının yönünü göstrir. una gör, pozitif yük pnp tipt mittrdn bas, npn tipt is bas dn mittr doğru akar. ir ipolar Transistörün Elktriksl Özlliklri u kısımda bir pnp-tip bipolar transistörün davranışları inclncktir. npn-tip bir transistör d, lktrik akış yönünün trs olması dışında, ayni davranışları göstrir. Elktronik bir sistmdki bir transistörün uçlarından biri giriş bağlanır, ikinci uç çıkış görvi yapar; üçüncü uç ilk iki uca bağlıdır v "gnl" uçtur. u durumda üç şkil olabilir: bir gnl-mittr, bir gnl-kollktör, v bir gnl-tml şkli. Gnlmittr n çok uygulanan bağlantı şklidir v burada dtaylı olarak inclncktir.

8 8 Gnl-mittr şklindki bir pnp transistörünün akımı yüksltmsi şmatik olarak şkild vrilmiştir. urada, yüksltilck küçük bir DC giriş akımı (I ), mittr-bas dvrsin girr; bu akım şkild bas akımı olarak göstrilmiştir. Daha sonra görülcği gibi, altrnatif akım da I il sri hald vrilrk, yüksltilbilir. Yüksltildiktn sonra, DC bilşni bir yüksk-frkans filtrsi il uzaklaştırılır. ir mittr-kollktör dvr, bir sri batarya vya rktifirdn oluşan bir DC kaynağı vya güç kaynağından bslnir. Tipik bir güç kaynağı 9-30 V arasında potansiyl vrir. Kollktör vya çıkış akımı I C, bas giriş akımı I dn oldukça büyüktür. Kollktör akımın büyüklüğü, giriş akımı il doğru orantılıdır I C = I Orantı sabiti ya "akım kazancı" dnir, akım kuvvtlnmsinin bir ölçüsüdür. Kollktör akım mittr akımla da orantılıdır. I C = I E uradaki orantı sabiti ya "düz akım transfr oranı" dnir. I E = I + I C Olduğundan, a = 1 - şitliği yazılabilir. Tipik bir transistörd, aralığında bir dğrdir. ir ipolar Transistör il Kuvvtlndirm (Amplifikasyon) Mkanizması Şkild görüln transistörün mittr-bas yüzylri arası bir forward-biaslı pn, bas-kollktör bölg is bir trs-biaslı np bağlantısıdır. Onda birkaç voltluk bir giriş sinyali uygulandığında forward-biaslı bağlantıdan bir I akımı akar. Trsin, trs biaslu kollktör bas bağlantısının uçları arasından lktrik gçişi, başlıcataşıyıcıların bağlantıdan uzaklaşmasıyla, ngllnir. Forward-biaslı pn bağlantısında, p bölgsindki boşlukların sayısı, n bölgsindki harktli lktronların sayısına hmn hmn şittir. u ndnl, harktliliklrin-

9 9 dki küçük farklılık dışında, dioddaki iltim yüklü iki tip arasında az vya çok şit olarak paylaşılır. kollktör akımı, I C = I E C C p lamba p lamba S 1 n S 1 n p giriş, I p güç kaynağı E I ( A) E I C (ma) bas akımı, I = (1 - ) I E mittr akımı, I E = I C + I İltm yok İltm modu ir pnp transistölü dvrdki akımlar: = ir pnp transistörünün p bölgsinin n bölgsindn daha fazla dopingli olduğu biliniyor. u ndnl, p bölgsindki boşlukların konsantrasyonu, n tabakasındaki harktli lktronların konsantrasyonundan yüz kat vya daha fazladır. u durumda, bu pn bağlantısındaki boşlukların akım-taşıma kapasitsi, lktronların kapasitsindn blki yüz kat daha büyük olur. İki DC kaynağının (giriş bataryası v güç kaynağı) çıkardığı lktronlar p-tip mittr bağlantıda boşluklar oluşturur. u boşluklar sonra, çok inc n-tip bas bölgsin girr v burada bazıları giriş kaynağından gln lktronlarla birlşir; sonuçta, I akımı oluşur. oşlukların çoğu is dar bas tabakasına çkilrk ngatif yüklü kollktör-bağlantıya gidr v burada güç kaynağından gln lktronlarla birlşir; sonuçta, I C kollktör akımı oluşur.

10 10 Kollktör akımın büyüklüğü, mittrdki akım-taşıyıcı boşlukların sayısına bağlıdır. u sayı, giriş bas akımı tarafından çıkarılan lktronların bir sabitl çarpımı kadardır. u ndnl, bas akımı iki-kata çıkarılırsa, kollktör akımı da iki kat yükslir. u bağıntı bir bipolar transistörün akım yüksltm mkanizmasının tmlini oluşturur. Alan Etki Transistörlri (FET) İntgr dvrlrd çok kullanılan birkaç tip alan-tki transistorü (FET) gliştirilmiştir. unlardan birisi amplifikatörlrin giriş dirncini yüksltmk amacıyla yapılmış olan izol-girişli alan tki transistörüdür v giriş impdansları aralığında bulunur. u tip bir transistör, "mtal oxid smiconductor fild-ffct transistör " klimlrin baş harflri alınarak MOSFET sözcüğüyl tanımlanır. Şkild n-doplu bir FET in yapısı göstrilmiştir. urada bir p-tip madd içind iki izol n bölgsi oluşturulmuştur. Hr iki bölg inc bir izol dici silikon dioksit tabakasıyla kaplanmış, bu tabaka da koruyucu bir silikon nitrür tabakasıyla sarılmıştır. u tabakalar arasında boşluklar oluşturularak iki n-bölgsin lktrik tması yapılmıştır. Ayrıca madd il izol tabakası yüzyinin tması da sağlanmıştır. İkinciy "kapı" dnir, çünkü bu lktrotun potansiyli "atık" il "kaynak" arasındaki pozitif akımın büyüklüğünü saptar. Kapı tli v madd arasındaki silikon dioksit izolasyon tabakası, bir FET in yüksk impdansının ndnini açıklar. FET MOSFET P-tip P-tip N-tip + - atık (D) D kaynak (S) kapı (G) - + v i G S I + i v 0

11 11 Yararlanılan Kaynaklar Principls of Instrumntal Analysis, D.A.Skoog, D.M. Wst, II. Ed t ory%20and%20dvics.ppt _CMOS_Procss_Stps/07_CMOS_Dvic_Typs.ppt