AKHİSAR CUMHURİYET MESLEKİ VE TEKNİK ANADOLU LİSESİ YARI İLETKENLER

Transkript

1 YARI İLETKENLER Doğada bulunan atamlar elektriği iletip-iletmeme durumuna görene iletken, yalıtkan ve yarı iletken olarak 3 e ayrılırlar. İletken maddelere örnek olarak demir, bakır, altın yalıtkan maddeler örnek olarak tahta, hava, saf su verilebilir. Yalıtkan madde deyince akla gelen iki önemli element silisyum ve germanyumdur. İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar, normal halde yalıtkandırlar. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır. Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına dönerler. Tabiatta basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman halinde de elde edilir.yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. Bu tür yarı iletkenler, yukarıda belirtildiği gibi ısı, ışık, etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli oranda iletken hale geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarakta iletkenlikleri arttırılmaktadır. Katkı maddeleriyle iletkenlikleri arttırılan yarı iletkenlerin elektronikte ayrı bir yeri vardır. Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri. ADI-KULLANILMA YERİ Germanyum (Ge) (Basit eleman) Diyot, transistör, entegre, devre Silikon (Si) (Basit eleman) Diyot, transistör, entegre, devre Selenyum (Se) (Basit eleman) Diyot Bakır oksit (kuproksit) (CuO) (Bileşik eleman) Diyot Galliyum Arsenid (Ga As) (Bileşik eleman) Tünel diyot, laser, fotodiyot, led Indiyum Fosfur (In P) (Bileşik eleman) Diyot, transistör Kurşun Sülfür (Pb S) (Bileşik eleman) Güneş pili (Fotosel) Yarı İletkenler İletkenlerin Başlıca Özellikleri Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı, ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılır. Dış yörüngedeki elektronlara valans elektron denir. Metaller, bazı sıvı ve gazlar iletken olarak kullanılır. Metaller, sıvı ve gazlara göre daha iyi iletkendir. Metaller de iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara ayrılır.atomları 1 valans elektronlu olan metaller, iyi iletkendir. Buna örnek olarak altın, gümüş, bakır gösterilebilir. Bakır tam saf olarak elde edilmediğinden altın ve gümüşe göre biraz daha kötü iletken olmasına rağmen, ucuz ve bol olduğundan en çok kullanılan metaldir. 1 MEHMET GÜÇYENER MG

2 Yalıtkanların başlıca özelikleri: Elektrik akımını iletmeyen maddelerdir. Bunlara örnek olarak cam, mika, kâğıt, kauçuk, lastik ve plastik maddeler gösterilebilir. Elektronları atomlarına sıkı olarak bağlıdır. Bu maddelerin dış yörüngedeki elektron sayıları 8 ve 8 'e yakın sayıda olduğundan atomdan uzaklaştırılmaları zor olmaktadır. Yarı iletkenlerin başlıca şu özellikleri vardır: İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar, Normal halde yalıtkandırlar. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır. Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına dönerler. Tabiatta basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman halinde de elde edilir. Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. Bu tür yarı iletkenler, yukarıda belirtildiği gibi ısı, ışık, etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli oranda iletken hale geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarak ta iletkenlikleri arttırılmaktadır. N ve P Tipi Yarı İletkenler Silisyum ve germanyum kristallerinin atomları normal şartlarda son yörüngedeki elektronların ortak kullanımına dayanan ve kovalent bağ diye adlandırılan bir etkileşim içindedir. Bu sebeple ortamda serbest elektron yoktur ve bu tür maddeler saf kristal yapıdadır. Elektronik teknolojilerinde kullanılabilmeleri için çeşitli katkı maddeleri katılarak yalıtkanlıkları düşürülür. Katılan katkı maddesine göre N tipi ve P tipi olmak üzere iki tür yarı iletken elde edilir. 2 MEHMET GÜÇYENER MG

3 N Tipi Yarı İletkenin Oluşması Arsenik maddesinin atomlarının valans yörüngelerinde 5 adet elektron bulunur. Silisyum ile arsenik maddeleri birleştrildiğinde, arsenik ile silisyum atomlarının kurdukları kovalent bağdan arsenik atomunun 1 elektronu açıkta kalır. Aşağıdaki şekilde açıkta kalan elektronu görebilirsiniz. Bu sayede birleşimde milyonlarca elektron serbest kalmış olur. Bu da birleşime "Negatif Madde" özelliği kazandırır. N tipi madde bir gerilim kaynağına bağlandığında üzerindeki serbest elektronlar kaynağın negatif kutbundan itilip pozitif kutbundan çekilirler ne gerilim kaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna doğru bir elektron akışı başlar. P Tipi Yarı İletkenin Oluşması Galyum maddesininde valans yörüngesinde 3 adet elektron bulunmaktadır. Silisyum maddesine galyum maddesi enjekte edildiğinde atomların kurduğu kovalent bağlardan bir elektronluk eksiklik kalır. Bu eksikliğe "Oyuk" adı verilir. Bu elektron eksikliği, karışıma "Pozitif Madde" özelliği kazandırır. P tipi maddeye bir gerilim kaynağı bağlandığında kaynağın negatif kutbundaki elektronlar p tipi maddeki oyukları doldurarak kaynağın pozitif kutbuna doğru ilerlerler. Elektronlar pozitif kutba doğru ilerlerken oyuklarda elektronlerın ters yönünde hareket etmiş olurlar. Bu kaynağın poz itif kutbundan negatif kutbuna doğru bir oyuk hareketi sağlar. P-N Yüzey Birleşmesi P ve N tipi maddelerin yan yana gelmesiyle oluşan yapıdır iki farklı türü vardır. a)kutuplamasız(polarmasız) P-N Yüzey Birleşmesi P ve N maddeleri kimyasal olarak yan yana getirildiğinde serbest elektronlarla serbest oyuklar arasında bir birleşme görülür. P tipi madde de elektron alma eğiliminde N tipi madde de ise elektron verme eğilimindedir. Elektron vermeye yatkın olan atomlara verici (donör-d) elektron almaya yatkın atomlara alıcı(akseptör-a) atamu denir. Birleşimden Önce Birleşimden Sonra 3 MEHMET GÜÇYENER MG

4 Birleşme yüzeyine jonksiyon adı verilir. Birleşim yüzeyi nötr bir bölgedir çünkü yüklü iyonlarla + yüklü iyonların sayısı eşittir. Bu bölge bir engel diğer elektronlarla boşlukların birleşmesi için bir engel bölgesi görevi görmektedir. Bu engel bölgesi ancak gerilim uygulanarak kaldırılabilir. Engel bölgesini kaldıracak minimum gerilime eşik gerilimi adı verilir. b) Kutuplamalı P-N Yüzey Birleşmesi P-N yüzey birleşmesi doğru ve ters olmak üzere iki çeşit kutuplama yapılır. 1)Doğru Yönde Kutuplama Doğru yönde kutuplama (forward bias) gerilim kaynağının artı (pozitif) kutbunun P-N birleşiminin P bölgesine ve gerilim kaynağının eksi (negatif) kutbunun P-N birleşiminin N bölgesine bağlanmasıyla elde edilir. Şekil de görüldüğü gibi belli bir gerilim seviyesinden sonra P-N birleşimi içinde elektron ve oyuk hareketi başlar. Birleşim yüzeyindeki engel bölgesi ortadan kalkar. N bölgesindeki serbest elektronlar gerilim kaynağının eksi kutbu tarafından itilerek P bölgesindeki oyuklarla birleşir. Kaynağın negatif kutbundan N bölgesine sürekli olarak elektron gelir. P maddesine geçen elektronlar kaynağın pozitif kutbu tarafından çekilir ve bu süreç kaynak gerilimi kesilene kadar devam eder. P-N birleşiminin tam iletime geçme anı silisyum yarı 4 MEHMET GÜÇYENER MG

5 iletkenler için 0,6V-0,7V arasıdır. Germanyum yarı iletkenler için bu değer 0,2V-0,3V arasıdır. Bu gerilim değerleri aynı zamanda engel bölgesini ortadan kaldıran voltaj seviyeleridir. 2)Ters Yönde Kutuplama Şekilde görüldüğü gibi UCC adi verilen üretecin eksi (-) ucu P tipi maddenin oyuklarını çeker. Üretecin artı (+) ucu ise N tipi maddenin elektronlarını kendine çeker. Birleşme yüzeyinde elektron ve oyuk kalmaz. Yani birleşim bölgesi artı(+) ile eksi (-) yük bakımından fakirleşir. Bu yaklaşıma göre ters polarizasyonda diyot akım geçirmez. Ancak kullanılan maddelerin tam saflıkta olmaması nedeniyle "çok az bir sızıntı akımını geçer. Mikro Amper (ma) düzeyinde olan bu akým yok sayılır (ihmal edilir). Ters polarize edilen diyotlara uygulanan gerilim yükseltilirse eleman delinebilir (bozulur). Diyodun Tanımı ve Yapısı Diyot, silisyum gibi bir yarı iletken maddenin P ve N tipi olarak elde edilmiş iki türünün birleşiminden oluşan bir devre elemanıdır. Pozitif elektriksel özellik gösteren kutbu Anot (P-maddesi), negatif elektriksel özellik gösteren kutbu katot (N-maddesi) olarak adlandırılır. 5 MEHMET GÜÇYENER MG

6 Diyodun en önemli elektriksel özelliği akımı tek yönde iletmesidir. Eğer anot-katot arası gerilim silisyum diyotlar için yaklaşık olarak 0,7V'un üzerindeyse diyot anottan katoda doğru iletime geçer. Şekil 4.10 da diyodun örnek olarak bir DC devrede kullanımı gösterilmiştir. 1)Kristal Diyotlar DİYOT ÇEŞİTLERİ Kristal diyotlar çoğunlukla alternatif gerilimin doğrultulmasında ve elektronik devrelerin kısa devre olmasını engellemek amaçlı kullanılırlar. 1N4007 ve 1N4148 kristal diyot örnekleridir Ayrıca köprü diyot denilen 4 adet kristal diyotun bir arada bulunduğu 4 adet bağlantı noktasına sahip paket diyotlarda piyasada bulunmaktadır. 6 MEHMET GÜÇYENER MG

7 2)Zener Diyot Bu diyot çeşidinin ters yöndeki kırılma gerilimi normal diyotlara göre daha küçüktür. Ufak genlikli sabit gerilim elde etmek için kullanılır. Devreye ters bağlanan bir elemandır. Normal kristal diyotla çalışma ilkesi aynıdır. Doğru yön kırılma gerilimi farklı değildir. Ancak devreye ters bağlandıklarında daha küçük voltaj değerlerinde iletime geçerler. Piyasada çalışma voltajlarıyla anılırlar. 1-1,8-2,4-2,7-3,3-3,6-3,9-4,3-4,7-5,1-5,6-6,2-6,8-7,5-8,2-9, V gibi çalışma voltajları vardır. Bu gerilim değerleri zener gerilimi olarak adlandırılırlar. 3)Foto Diyotlar Işığa duyarlı olarak iletime geçen diyotlardır. Foto sensörlerde yaygın olarak kullanılır. Bir optoelektronik devre elemanıdır.fotodiyotlar devreye ters bağlanır, bu sebeple katot ucundan anot ucuna doğru elektrik akımı geçirirler. Üzerine düşen ışıkla beraber içinden geçmeye başlayan ters yöndeki sızıntı akımları yükselir. Bu akım kontrol amaçlı kullanılır. Fotodiyot örneği olarak BPW12,BPW20, BPW30, BPW33, BPW34, BPW63, BPW65 verilebilir. Geçen akım ışığın şiddetine bağlı olarak 100mA-150mA arasıdır. Üzerine düşen gerilim ise 0,14V-0,15V arasıdır. 4)Işık Yayan Diyotlar Işık yayan diyotların çalışma ilkesi kristal diyotla aynıdır. P ve N maddelerininbirleşim yüzeyine elektrik gerilimiyle beraber ışık saçılmasını sağlayan katkı maddeleri eklenmiştir. İki ayrı türde inceleyebiliriz: a) LED ler (Light Emitting Diode) Işık yayan flamansız lambalardır. Uygun çalışma akımları 2mA-20mA arasıdır. Uygun çalışma akımı esnasında üzerlerine düşen gerilim LED in yaymış olduğu ışığa göre değişiklik gösterir. Örneğin çalışma anında kırmızı ledin üzerine 1,5-1,6V dolayında gerilim düşer. 7 MEHMET GÜÇYENER MG

8 b)enfraruj Diyotlar İnsan gözünün göremeyeceği frekansta ışık yayan diyottur. Çalışma ilkesi LED le aynıdır. Uzaktan kumandalı sistemlerin verici kısmında kızıl ötesi bilgi iletimi sağlamak amacıyla kullanılır. LD271, LD274,CQW13, CQY99, TSHA-6203, VX301 diyotları örnek olarak verilebilir. Diyodun Sağlamlık Testi, Diyot Uçlarının Bulunması Ölçü aletinin kırmızı probu diyodun bir ayağına, siyah prob diyodun diğer ayağına değdirilir. Şekil 4.22 de görüldüğü gibi değer okunmadığını görürsek ölçü aletinin probları ters çevrilir. Şekil 4.23 te görüldüğü gibi değer okunuyorsa diyodun sağlam olduğu sonucuna varılır. 8 MEHMET GÜÇYENER MG