4/26/2016. Bölüm 7: Elektriksel Özellikler. Malzemelerin Elektriksel Özellikleri. Elektron hareketliliği İletkenlik Enerji bant yapıları

Transkript

1 Bölüm 7: Elektriksel Özellikler CEVAP ARANACAK SORULAR... Elektriksel iletkenlik ve direnç nasıl tarif edilebilir? İletkenlerin, yarıiletkenlerin ve yalıtkanların ortaya çıkmasında hangi fiziksel süreçler bulunmaktadır? Metallerin iletkenliği kusurlardan, ısıdan ve deformasyon oluşumundan nasıl etkilenmektedir? Yarıiletkenlerin iletkenliği kusurlardan ve ısıdan nasıl etkilenmektedir? Malzemelerin Elektriksel Özellikleri Elektron hareketliliği İletkenlik Enerji bant yapıları 1 2 Ohm Yasası: Potansiyel fark (volt = J/C) C = Coulomb iletkenlik, s (özdirencin tersi, r) Elektriksel İletkenlik V = I R Direnç (Ohm) Akım (amper = C/s) özdirenç, r: malzeme boyutundan ve biçiminden bağımsız olan bir özelliktir RA Akımın geçtiği yüzey alanı l Akımın aldığı yol 1 Elektriksel Özellikler Hangisi daha büyük dirence sahiptir? D 2D Borudan akan suya benzer Direnç boyut ve biçime bağlıdır 2 R 1 2 D 8 2 D 2 2 R 2 2D 2 D R

2 İlave tanımlar J = s Tanımlar <= Ohm yasasını gösteren bir başka yol akık akım I J akım yoğunluğu yüzey alanı A elektrik alan potansiyeli = V / J = s (V / ) Elektron akışı iletkenlik voltaj farkı 5 Örnek : iletkenlik problemi Potansiyel farkın < 1.5 V olması için en küçük çap nedir? Cu tel 100 m I = 2.5 A + 2 D m Bu eşitlikten çap D > 1.87 mm olarak bulunur V V R As I < 1.5 V 2.5 A 6.07 x 10 7 (Ohmm) 1 (Cu için bilinen) 6 Katı malzemelerin elektriği iletmelerine göre sınıflandırmanın ilk yolu üçe ayırmaktır: 1) İletkenler, 2) Yarıiletkenler, ve 3) Yalıtkanlar: Metaller iyi iletkendirler, iletkenlikleri yaklaşık 10 7 ( Ωm) 1 (iletken) civarındadır. İletkenlik: karşılaştırma Oda sıcaklığı değerleri (Ohmm) 1 = ( m) 1 METALLER iletkenler Gümüş 6.8 x 10 7 Bakır 6.0 x 10 7 Demir 1.0 x 10 7 SERAMIKLER Cam Beton 10 9 Aluminyum oksit <10 13 Az sayıdaki çok düşük iletkenliğe sahip malzemelerde, bu değer ile ( Ωm) 1 arasındadır. Bunlara Yalıtkanlar denir. Orta derecede iletkenliğe sahip malzemelerin iletkenlikleri, 10 6 ile 10 4 ( Ωm) 1 arasında değişir ve Yarıiletkenler olarak adlandırılırlar. 7 Silikon 4 x 10 4 Germanyum 2 x 10 0 GaAs 10 6 yarıiletkenler POLİMERLER Polistiren <10 14 Polietilen yalıtkanlar 8 2

3 Oda sıcaklığındaki metal, seramik, polimer ve yarıiletken malzemelerin elektriksel iletkenlik aralıkları. Elektriksel iletim Elektriksel alan etkisinde elektriksel yük taşıyıcılarının uzak mesafeli hareketleri sonucu oluşur. Elektriksel yük farklı şekillerde taşınabilir Metaller: Valans elektronlar () kutuptan (+) kutba doğru kolayca hereket eder. Kovalan bağlı malzemeler: Yarı iletken veya yalıtkanlarda elektronun hareket edebilmesi için kovalan bağın kırılması ve elektronun kopması gereklidir. Elektron (+) kutba doğru gittiğinden eksi yük taşıyıcı Elektron (+) kutba doğru gittiğinden eksi yük taşıyıcı Elektron deliği () yönden gelen bir elektronla doldurulduğundan (+) yük taşıyıcı

4 İyonsal bağlı malzemeler: İyonların yayınması (difüzyonu) gereklidir. (sıvı eriyiklerde görülür) Elektron Hareketi Bir elektrik alan uygulandığında, serbest elektronlar (negatif yüklü olmaları nedeniyle) alanın ters yönünde hızlanarak harekete geçerler. Kuantum mekaniğine göre, kusursuz bir kristalde atomlarla hızlanan elektronlar arasında herhangi bir etkileşim söz konusu değildir. Bu koşullar altında tüm elektronların elektrik alan uygulandığı sürece hızlanacağı ve akımın zamana bağlı olarak sürekli artacağı söylenebilir Elektron Hareketi Ancak, belirli bir elektrik alan uygulandığında akımın sabit bir değere kadar ulaşabildiğini biliyoruz. Bu durum, sürtünme benzeri kuvvetlerin varlığını gösterir. Bu kuvvetler kristal yapıdaki: yabancı atomlar, boş köşeler, arayer atomları, dislokasyonlar, ve atomların ısıl titreşimlerinden kaynaklanmaktadır. Elektron Hareketi Her sapma elektron hareketinde değişime ve kinetik enerji kaybına neden olur. Neticede, elektrik alanın tersi yönündeki net elektron hareketi sonucunda taşınan yük miktarı elektrik akımı demektir

5 Elektron Hareketi Sürüklenme hızı (v d ): uygulanan elektrik alan etkisiyle yönlenen elektronların ortalama hızı. Elektriksel alan ile orantılıdır: Sıcaklık etkisinde kristal içindeki atomlar titreştikçe, hareket halindeki elektronlar titreşim yapan bu atomlara çarpar. Özgül İletkenlik : σ=n.q.µ e µ e : Elektron hareket yeteneği, m 2 /V.s : Elektrik alan potansiyeli n : Birim hacimdeki aktif halde olan elektron sayısı q : Elektriksel yük(1.6x10 19 C) Sıcaklığın elektriksel dirence etkisi Elektronların hareketi için en ideal ortam ısıl titreşimlerin olmadığı (minimum enerjili) 0 o K de kusursuz kristallerdir. o T o : 0 o K deki özdirenç T : T sıcaklığındaki özdirenç

6 Süperiletkenler T = T c olduğunda ısıl titreşimler etkisiz olur ve direnç aniden azalarak sıfıra düşer, malzeme süper iletken olur. Özdirenç Elektriksel direnci etkileyen faktörler Kristal içinde hareket eden elektronlar; dislokasyonlar, boşluklar, yabancı katkı atomları ve herhangi başka kafes kusurlarıyla çarpışırlar. metal süper iletken 0 T c Sıcaklık ( o K) CuNi alaşımlarında özdirencin bileşimle değişimi Özdirenç 5 1 Cu %0 %50 %100 Ni

7 Elektronların Enerji Bant Yapıları Enerji bandı modeli elektriksel iletkenliği açıklamada önemlidir. İletken, yarıiletken, ve birçok yalıtkan malzemelerde, sadece elektriksel iletkenlik bulunur (iyonsal iletkenlik bulunmaz), ve bu elektriksel iletkenliğin büyüklüğü büyük oranda iletkenlik sürecine dahil olan elektron sayısına bağlıdır: Ancak, tüm atomların her bir elektronu elektrik alan içerisinde yönlenmez. Elektronların Enerji Bant Yapıları Bir malzemede elektriksel iletkenliği sağlayan elektron sayısı: Elektronların durumuna (bağlı/serbest) veya enerji seviyelerine, ve Bu seviyelerin ne kadarının elektronlar tarafından doldurulduğuna bağlıdır. Bu konu oldukça karmaşık ve kuantum mekaniği prensiplerini içermesi nedeniyle bu ders konusu kapsamı dışındadır; bu nedenle bazı kavramları ihmal edip kalanları basitleştirilecektir Elektronların Enerji Bant Yapıları Hatırlatma: Her bir atomun elektronlar tarafından doldurulan ayrı enerji seviyeleri mevcuttur. Bu elektronlar kabuk ve altkabuklarda dizilirler. Kabuklar sayılarla (1, 2, 3, gibi), altkabuklar ise harflerle gösterilirler (s, p, d, ve f ). Her s, p, d, ve f altkabuğu için, sırasıyla, 1, 3, 5, ve 7 seviye vardır. Atomların büyük çoğunluğunda elektronlar ilk olarak en düşük enerji seviyesini doldururlar. Her enerji seviyesinde birbirinin tersi istikametinde dönen en fazla 2 elektron bulunur (Pauli prensibi). Tek atomdaki elektron dağılımı enerji seviyelerinin düzenini gösterir. 27 Bir katının, çok sayıda (N adet) bireysel atomun düzenli bir atomsal diziliş oluşturmak üzere bağlanarak biraraya gelmesi sonucu oluşan kristal yapılı malzeme olduğu düşünülürse; Her atomun birbirinden görece uzak olması, birbirinden bağımsız olduğu ve farklı atomsal enerji düzeylerine sahip olacağı elektron diziliminin yalıtılmış gibi olduğunu gösterir. Ancak, atomlar belirli bir yakınlığa geldiklerinde, elektronlar komşu atomun elektronları ve çekirdeğini etkiler. Bu etki atomsal yapıda elektronların gruplara bölünmüş halde birbirine yaklaşmasına ve elektron enerji bandı oluşturmasına neden olur. 28 7

8 Elektronların Enerji Bant Yapıları Bölünmenin derecesi atomlar arası mesafeye bağlı olup en dıştaki elektron kabuklarından başlar (atomlar biraraya geldiklerinde ilk olarak uyarılanlar onlardır). Her bantta enerji seviyeleri ayrık fakat aralarındaki fark sonsuz küçüklüktedir. Bundan dolayı bir bant içine çok sayıda elektron yerleşebilir. Bant Yapısı Denge mesafesinde, bant oluşumu çekirdeğe en yakın olan altkabuklarda oluşmayabilir. Ayrıca, komşu bantlar arasında aralıklar meydana gelebilir. Bant aralıkları içerisindeki enerji seviyelerinde elektron bulunmaz. Elektron enerjisinin atomlar arası mesafe ile değişimini 12 atom içeren bir tane için gösteren şema. 29 Katılardaki elektron yapılarının geleneksel gösterimi Denge mesafesi Atomlararası mesafe 30 0 K sıcaklıkta 4 farklı yapıda bant oluşumu mümkündür. Bir katının elektriksel özellikleri elektron bant yapıları ile doğrudan ilişkilidir: En dıştaki elektron bantlarındaki diziliş ve, Elektronlarla doldurulma şekilleri. Birincisi, en dıştaki bandın kısmen elektronla dolu olma durumu 0 K sıcaklıkta en son dolan (en üstteki) enerji seviyesine Fermi enerji seviyesi denir. Bu enerji bandı oluşumu, sadece s valans elektronuna sahip olan bazı metallerde (bakır gibi) görülür. Her bakırda sadece bir adet 4s elektronu bulunur; yani kapasitesinin yarısı kadar elektron içerir. Bakır gibi bazı metallerin elektron bant yapılarında, dolu seviyelerle aynı hatta daha üst düzeylerde boşluklar bulunabilir

9 İkinci tür bant yapısında, dolu bir bant ile boş bant arasında boşluk bulunur. Ve yine metallerde görülür. Magnezyum bu tür bant yapısına sahiptir. Her Mg atomu (izole edilmiş halde olan) iki adet 3s elektrona sahiptir. Ancak, katı oluştuğunda, 3s ve 3p bantları çakışır. Diğer iki bant yapısı benzerdir; elektronlarla dolu bir bant (valans bandı) ile boş bir iletim bandı arasında bir enerji boşluğu bulunmaktadır. Saf malzemeler, bu boşluğa karşılık gelen enerji seviyelerinde elektron içermeyebilirler. Bu iki tür bant yapısının arasındaki fark enerji boşluğunun büyüklüğünden kaynaklanmaktadır; Yalıtkanlarda, bant boşluğu büyük, Yarıiletkenlerde dardır. Magnezyum benzeri elektron bant yapılarına sahip metallerde görülen, dıştaki dolu ve boş bantların çakışma durumu. (a) Yalıtkanlarda elektron bant yapısı; dolu valans bandı boş olan iletim bandından nispeten büyük bir bant aralığı ile ( >2eV) ayrılmıştır. (b) Yarıiletkenlerin elektron bant yapıları da, yalıtkanlarınkiyle aynıdır, sadece bant boşluğu daha dardır (<2 ev). 33 (a yalıtkan) (b yarıiletken) 34 Bant yapıları Metaller: Bir elektronun serbest hale gelmesi için, E f seviyesinin üzerinde ve boş bir enerji seviyesine doğru yönlendirilmesi gerekir. Metallerde üst düzeyleri dolduran elektronların (E f ) çok yakınında boş enerji düzeyleri bulunur. Böylece bu elektronlar çok az bir enerji ile üstteki boş banda yükseltilebilir. Genellikle, bir elektrik alan tarafından sağlanan enerji çok sayıda elektronun iletim bandına geçmesi için yeterlidir. (a) Metal (bakır yarı dolu enerji bandı (b) Metal (magnezyum 3s ve 3p bantları çakışık) (c) Yalıtkan (dolu valans bandı büyük bir aralıkla iletim bandından ayrılır) (d) Yarı iletken (dolu valans bandı küçük bir aralıkla iletim bandından ayrılır) (Elektron geçişinin öncesi ve sonrası)

10 İletkenlik & Elektron Geçişi Metaller (İletkenler): metallerde boş enerji seviyeleri ile dolu seviyeler birbirine çok yakındır. Kısmen dolu bant Çakışan bantlar ısıl enerji elektronların üst seviyelerdeki boş bantlara doğru hareket etmesini sağlar metallerde iki tip bant yapısı mevcuttur kısmen dolu dolu bant ile çakışan boş bant Enerji boş bant kısmen dolu bant dolu bant BOŞLUK Dolu seviyeler Enerji Dolu seviyeler boş bant dolu bant dolu bant 37 Enerji Bant Yapıları: Yalıtkanlar & Yarıiletkenler yalıtkanlar: geniş bant aralığı (> 2 ev) aralıktan atlayabilen az sayıda elektron Enerji boş iletim bandı Dolu seviyeler BOŞLUK dolu valans bandı dolu bant yarıiletkenler: dar bant aralığı (< 2 ev) daha fazla sayıda atlayan elektron Enerji? Dolu seviyeler boş iletim bandı BOŞLUK dolu valans bandı dolu bant 38 Enerji Bant Yapıları: Yalıtkanlar & Yarıiletkenler Elektronlar serbest hale gelmek ve iletim bandına ulaşmak için bant boşluğunu aşmaları gerekir. Bu ise ancak bant boşluk enerjisi kadar enerjinin elektrona verilmesi ile mümkün olabilir, E g. Enerji Bant Yapıları: Yalıtkanlar & Yarıiletkenler Sıcaklık (ısıl enerji) ile harekete geçirileren iletim bandına ulaşan elektron sayısı boş bant enerji aralığı na olduğu kadar sıcaklığa da bağlıdır. Belirli bir sıcaklıkta, boş bant enerji aralığının E g büyüklüğü valans elektronun iletim bandına atlama olasılığı ile ters orantılıdır. Bu nedenle çok az sayıda elektron iletkenlik sağlar. Diğer bir deyişle, büyük bant boşluğu, düşük iletkenlik anlamına gelir (sıcaklık değişimi söz konusu olmaması durumunda)

11 Enerji Bant Yapıları: Yalıtkanlar & Yarıiletkenler Yani, yarıiletkenler ile yalıtkanlar arasındaki farkın nedeni bant boşluğunun genişliğinden kaynaklanır; Yarıiletkenlerde dar iken Yalıtkan malzemelerde nispeten daha geniştir. Sıcaklık artışı bir yarıiletkende de veya bir yalıtkanda da elektronları hareketlendirecek bir ısıl enerji artışına yol açar. Böylece daha fazla elektron iletim bandına geçebilir ve iletkenlik artar. Yalıtkanlarda ve Yarıiletkenlerde Yük Taşıyıcılar İki tür elektriksel yük taşıyıcı vardır: Serbest Elektron negatif yük iletim bandı içinde Elektron Deliği pozitif yük valans bandı içindeki boşalan elektron seviyesi Farklı hızlarda hareket ederler HAS KATKILI NTipi PTipi

12 Has Yarıiletkenler Has yarıiletkenler elektron bant yapısı, 0 K de, tam dolu valans bandı ile görece dar bir yasak bandın ayırdığı boş iletim bandından meydana gelir. Genellikle yasak bant genişliği 2 ev tan küçüktür. En önemli yarıiletkenler periyodik cetvelin IV. grubunda bulunan silikon (Si) ve germanyum (Ge). Bunların bant boşluk enerjileri, sırasıyla, 1.1 ve 0.7 ev tur. Her ikisi de kovalan bağlı olup elmas kübik veya kompleks kübik kafese sahiptir. Has Yarıiletkenler Bunlara ek olarak birçok has yarıiletken mevcuttur Periyodik cetvelde IIIA ve VA grupları, (Ör: galyum arsenit (GaAs) ve indiyum antimonit (InSb)) has yarıiletken oluştururlar; bunlara III V bileşikleri adı verilir. IIB ve VIA grup elemanlarının oluşturduğu bileşikler de yarıiletken özellik gösterirler (Ör: kadmiyum sulfit (CdS) ve çinko tellur (ZnTe)) Has Yarıiletkenler Saf yarıiletkenler: Ör: silikon & germanyum Grup IVA malzemeleri Bileşik haldeki yarıiletkenler IIIV bileşikleri Ör: GaAs & InSb IIVI bileşikleri Ör: CdS & ZnTe Bileşenlerin elektronegatiflikleri arasındaki fark büyüdükçe boş bant genişliği de artar Has Yarıiletkenlik: Elektron ve Elektron Deliği Hareketi Has yarıiletkenlerde, iletim bandına atlayan her elektron, kovalan bağlarda bir elektron kaybı demektir. (Valans banttaki eksik elektron, bant planında görülmektedir.)

13 Has Yarıiletkenlik: Elektron ve Elektron Deliği Hareketi Elektrik alan etkisi altında, kristal kafes içinde ortaya çıkan elektron deliği, bağlarını kopararak harekete geçen diğer valans elektronlar tarafından doldurulduğu için hareket ettiği düşünülebilir. Bu delik pozitif yük taşıyıcı durumundadır. Taşıdığı yükün ise elektron ile aynı mertebede fakat ters işaretli olduğu kabul edilmektedir (+1.6x10 19 Coulomb). Nitekim, elektrik alan etkisinde, harekete geçen elektronlar ve delikler ters yönde hareket ederler. Ayrıca, her ikisi de hareketleri sırasında, kafes içerisinde bulunan kusurlar nedeniyle yollarından saparlar. 49 Has Yarıiletkenlik: Elektron ve Elektron Deliği Hareketi Elektron ve Elektron Deliği: valans elektronu Elektrik alan yok Si atomu Elektriksel İletkenlik : s n e elektron delik çifti oluşumu e Elektrik alan var p e # delik/m 3 # elektron/m3 elektron hareket yeteneği Electrical charge (1.6x10 19 Coulomb) h + elektron delik çifti hareketi Elektrik alan var delik hareket yeteneği 50 + Has İletkenlik ni e s n e Yük Taşıyıcı Sayısı Ör: GaAs (Gallium Arsenide) 10 6 ( m) (1.6x10 C)( m /V s) e e p e has yarıiletkenlerde n = p = n i s = n i e ( e + h ) h GaAs için n i = 7.0 x m 3 h Saf Silikon: T arttıkça s artar metallerin aksi!!!! Has Yarıiletkenler: İletkenlik vs T n i e e h n i e E gap / kt malzeme Si Ge GaP CdS bant aralığı (ev) Selected values from Table 18.3, Callister & Rethwisch 8e. 51 Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e

14 KATKILI Yarıiletkenler: Hemen hemen tüm ticari yarıiletkenler katkılıdır. Bunlarda, çok düşük konsantrasyonlarda olsa da katkı elemanı sayesinde ortaya çıkan fazladan elektronlar veya boşluklar elektriksel davranışı belirler. HAS KATKILI NTİPİ PTİPİ ntipi Katkılı Yarıiletken. ptipi Katkılı Yarıiletken ntipi Katkılı Yarıiletkenlik: Fazlalık haldeki bağ kurmamış elektron Bir Si atomunun herbiri komşu Si atomu ile kovalan bağlarla bağlı 4 adet elektronu bulunmaktadır. HAS KATKILI Valans elektron sayısı 5 olan bir katkı elemanının Si atomları ile yer değiştirdiği düşünülürse. Katkı elemanındaki beş valans elektronunun dört tanesi bağ kurmada görev almaktadır. Çünkü komşu atomlarla en fazla dört adet bağ kurabilmektedir. NTipi PTipi Fazlalık halde kalan bağ kurmamış elektron ise zayıf elektrostatik çekim kuvvetleri ile katkı elemanı civarında gevşek olarak bağlıdır. 55 Bu elektronun bağ enerjisi görece küçüktür (0.01 ev civarında); bundan dolayı, katkı elemanından kolayca ayrılarak serbest hale geçer ve iletkenlik sağlar

15 Gevşek olarak bağlı bulunan her bir elektronun, iletim bandının hemen altında bulunan yasak bant içerisine düşen bir enerji seviyesi bulunmaktadır. Bu elektronu iletim bandına atlatarak iletkenlik sağlayabilmek daha kolay olduğu için has yarıiletkenlere göre daha büyük iletkenliğe sahiptirler. Fazla elektronların hareketi söz konusu olduğundan elektron boşluğu bulunmaz. Katkı elemanı çevresindeki elektronların tümü iletim bandına atladığında oluşacak en büyük katkılı iletkenlik: s n e e HAS KATKILI NTipi PTipi ptipi Katkılı Yarıiletkenlik: Silikon veya germanyum atomları, üç değerlikli, aluminyum, boron, ve galyum gibi Grup IIIA elemanı ile yerdeğiştirdiğinde tersi bir etki görülür. Eksik elektron nedeniyle oluşan bağ eksikliğine elektron deliği denir. ptipi Katkılı Yarıiletkenlik: () kutup yönünde hareket eden elektron deliğinin davranışı ntipi iletkenlerde hareket eden elektrona benzer. Elektron deliğinin () kutba doğru hareketinden dolayı (+) yük taşıyıcı adını alır. Bu şekilde oluşan yarıiletkene; Elektriksel alan etkisinde () kutba yakın bir elektron yerinden koparak elektron deliğini doldurur. Sonuç olarak, elektron ve delik yerdeğiştirmiş olurlar

16 ptipi Katkılı Yarıiletkenlik: Elektron deliğinden dolayı valans enerji bandında boş bir enerji düzeyi bulunmaktadır Bandın içinden bir elektronu (+) kutba daha yakın olan elektron deliğine yerleştirmek için E kadar enerji (alıcı enerjisi) vermek gerekir. ptipi Katkılı Yarıiletkenlik: Ancak bu enerji bir elektronu serbest hale getirmek için yeterli değildir. Ntipi kadar olmasa da Ptipi katkılı iletkenlik yanında, has iletkenlik ihmal edilebilir. Dolan elektron deliği sayısı en fazla katkı elemanı sayısı kadar olabilir (Alıcı doyma durumu). Bu durumda en büyük katkılı iletkenlik elde edilir s p e h HasKatkılı İletkenlik Karşılaştırması has: saf Si # elektron = # delik (n = p) katkılı: katkı elemanları sayesinde ortaya çıkan fazla elektronlar veya delikler ile iletkenlik sağlanır n p ntipi katkılı: (n >> p) s n e e Fosfor atomu Elektrik alan yok delik iletim elektronu valans elektronu Si atomu ptipi katkılı: (p >> n) Boron atomu s p e h Elektrik alan yok 63 Has Yarıiletkenlerde İletkenlik ile Sıcaklık İlişkisi Elektron ve delik konsantrasyonu sıcaklıkla birlikte artar (artan ısıl enerji daha fazla valans elektronunun iletim bandına atlayabilmesini sağlar). Yarıiletkenlerde de sıcaklık arttıkça ortamın direnci artar ancak yük taşıyıcı sayısındaki büyük artış, dirençteki artışın iletkenlik üzerinde oluşturacağı olumsuz etkiyi örter. Ge daki taşıyıcı konsantrasyonu Si dan büyüktür (germanyumun boş bant genişliği daha küçüktür)

17 Katkılı Yarıiletkenlerde İletkenlik ile Sıcaklık İlişkisi Elektriksel İletkenlik Sıcaklık İlişkisi Has yarı iletken Si (kesikli çizgi) ve m 3 donör empürite (P) ile katkılanmış ntipi Si için elektron konsantrasyonusıcaklık ilişkisi Düşük sıcaklıklarda: P donör seviyesindeki elektronları, iletim bandına atlatacak ısıl enerji yeterli değildir. Orta sıcaklıklarda: malzeme ntipi yarı iletkendir. Ve elektron konsantrasyonu sabittir. İletim bandındaki elektronlar fosfor verici seviyesinden uyarılır. Elektron konsantrasyonu yaklaşık olarak P miktarına (10 21 m 3 ) eşit olduğundan, neredeyse fosfor atomlarının tamamı iyonize olmuştur (yani bütün elektronları iletkenliğe katılır). Yüksek sıcaklıklarda: Yarı iletken, has yarı iletken özellikleri kazanır. Yani, artan sıcaklıkla yasak bant aralığını geçen has yük taşıyıcı sayısı önce verici sayısına eşitlenir, daha sonra verici taşıyıcı sayısını aşar. E g / 2kT 0 e e ( Eg Ed )/ kt 0 kt 0 e E ac / lnσ Elektriksel İletkenlik Sıcaklık İlişkisi E g / 2kT 0 e Eg Egim 2k (has yarıiletkenler için) E g 1 ln ln 0 2k T Taşıyıcılar azalmış bölge ( Eg Ed ) Egim k Eac Egim k 1/T (ntipi katkılı yarıiletkenler için) (ptipi katkılı yarıiletkenler için) Yarıiletken Cihazlar: pn Doğrultucu Birleşim (Diyot Rectifying Junction) Sadece tek yönlü elektron akışına izin verir (Örn., alternatif akımı doğru akıma çevirmede kullanışlıdır). Uygulanmış potansiyel yok: Net akım debisi yok İleri gerilim (forward bias): Taşıyıcılar ptipi ve ntipi bölgelerden akarlar; boşluk ve elektronlar pn bağlantısında yeniden biraraya gelir; akım gerçekleşir Ters gerilim (reverse bias): Taşıyıcılar pn bağlantısından uzağa akarlar; bağlantı bölgesi taşıyıcıları azalır; az akım gerçekleşir + ptype ptype + ntype ntype + ptype ntype

18 Doğrultucu Birleşim Özellikleri Birleşmeli Transistörler 1. Birleşim 2. Birleşim Delinme Ters gerilim İleri gerilim Voltaj, V Geri İleri Akım, I Geri İleri Zaman Giriş voltajı İleri gerilim voltajı Giriş voltajı Çıkış voltajı Yük Çıkış voltajı Ters gerilim voltajı Zaman Zaman Zaman 69 Emitter:Yayıcı Base: Ana Collector:Toplayıcı 70 Özet Elektriksel iletkenlik ve özdirenç: malzeme özellikleridir geometriden bağımsızdır İletkenler, yarıiletkenler ve yalıtkanların iletkenlik değer sınırları farklıdır elektron uyarma seviyelerinin varlığı farklıdır Metallerde özdirenci artıran faktörler artan sıcaklık safsızlıkların eklenmesi plastik deformasyon Saf yarıiletkenlerde iletkenliği artıran faktörler artan sıcaklık katkılama [Örn., Si ye B (ptipi) veya Si ye P (ntipi)] Diğer elektriksel özellikler ferroelektriklik piezoelektriklik 71 18