Temel Elektrik Elektronik. Seri Paralel Devrelere Örnekler

Transkript

1 Temel Elektrik Elektronik Seri Paralel Devrelere Örnekler

2 Temel Elektrik Elektronik Seri Paralel Devrelere Örnekler

3 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar Kullandığımız pek çok cihazın üretiminde bir veya birkaç elektronik devre elemanı kullanılmaktadır. Elektronik devre elemanları ise yarıiletken materyaller kullanılarak üretilir. Diyot, transistör, tristör, FET, tümdevre (entegre) v.b adlarla tanımlanan elektronik devre elemanlarının bir çoğu aşağıda gösterilmiştir.

4 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar Atomik Yapı Elektronik devre elemanlarının dolayısıyla elektronik cihazların nasıl çalıştığını anlamak için yarıiletken materyallerinin yapısı hakkında bilgiye gereksinim duyarız. Bu bilgiye ulaşmanın en etkin yolu maddenin temel atomik yapısını incelemektir. Tüm maddeler atomlardan oluşur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. Elektrik enerjisinin oluşturulmasını ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı belirler. Atomik yapıya bağlı olarak tüm elementler; iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılırlar. Elektronik endüstrisinde temel devre elemanlarının üretiminde yarıiletken materyaller kullanılır. Günümüzde elektronik devre elemanı üretiminde kullanılan iki temel materyal vardır. Bu materyaller; silisyum ve germanyumdur. İletken, yalıtkan ve yarıiletken maddelerin işlevlerini ve özelliklerini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir. Bir elementin özelliklerini belirleyen en küçük yapıtaşı ise atomlardır. Bilinen bütün elementlerin atomik yapıları birbirinden farklıdır. Atomların birleşmesi elementleri meydana getirir.

5 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar Atomik Yapı Klasik bohr modeline göre atom, şekil de gösterildiği gibi 3 temel parçacıktan oluşur. Bunlar; elektron, proton ve nötron dur. Atomik yapıda; nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. Çekirdek artı yüklüdür. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar ve negatif yüklüdürler.

6 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar Atomik Yapı Elektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. Bilinen bütün elementleri bir birinden ayıran temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir atomun, proton ve nötron sayıları faklıdır. En basit yapıya sahip atom, hidrojen atomudur. Hidrojen atomu; bir proton ve bir elektrona sahiptir. Helyum atomunun yörüngesinde iki elektron, çekirdeğinde ise; iki proton ve iki nötron bulunmaktadır.

7 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar Atomik Yapı Atomlarda, elektronlar farklı uzaklıktaki yörüngelerde ve belirli bir enerji seviyesine bağlı olarak bulunurlar. Enerji bantları şeklinde gruplanmış olan bu yörüngeler kabuk(shell) olarak bilinir. Atom içerisinde elektron sayısının 1 den fazla olması durumunda elektronlar kabuklara dağılırlar. Atomların, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belli bir uzaklıktadır. Çekirdeğe yakın olan elektronlar, çekirdeğe uzak olan elektronlardan daha az enerjiye sahiptirler. Her bir kabuk izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. Bu elektronların enerji seviyeleri değişmez. Kabuk içerisindeki elektronların enerji seviyeleri birbirine çok yakındır. Ama farklı kabuklarda bulunan elektronların enerji seviyeleri birbirinden çok farklıdır.

8 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar Atomik Yapı Çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri.

9 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar Atomik Yapı Elektronlar çekirdekten uzakta ve ayrılma eğilimindedir. Onları tutan merkezkaç kuvvetidir. Çünkü çekirdek pozitif, elektronlar ise negatif yüklüdür. Elektronların yükü, protonlara göre daha fazladır. Bir atomun en dış kabuğundaki elektronlar, çekirdek etrafında simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralarında bir bağ oluştururlar. Bu bağa kovalent bağ denir. Atomun en dış kabuğundaki elektronlara ise valans elektron denir. Bir atom, ısı kaynağından veya ışıktan enerjilendiği zaman elektronlarının enerji seviyeleri yükselir. Enerji kazanan bu elektronlar, çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerleşir. Böylece valans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzaklaşma eğilimleri artar. Bir valans elektronu yeterli miktarda bir enerji kazandığında ancak bir üst kabuğa çıkabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir.

10 Atomik Yapı Bütün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye bağlı olarak başlıca 3 gruba ayrılırlar. 1. İletken 2. Yalıtkan 3. Yarıiletken Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik enerjisine karşı gösterecekleri tepkiyi belirler. Materyalin iletken veya yalıtkan olmasında atomik yörüngede bulunan elektron sayısı çok önemlidir. 10

11 Atomik Yapı İletken Elektrik akımının kolayca iletilebildiği metaryallere iletken adı verilir. Bu metaryallerin ortak özelliği tek bir valans elektrona sahip olmasıdır. İyi iletken olarak bilinen metaryaller; Altın Bakır Aliminyum Gümüş 11

12 Atomik Yapı Yalıtkan Normal koşullarda elektrik akımına zorluk gösterip iletmeyen metaryallere yalıtkan denir. Yalıtkan maddeler, son yörüngelerinde 6 ya da 8 arasında valans elektron içerirler İyi yalıtkan olarak bilinen metaryaller; Bakalit Ebonit 12

13 Atomik Yapı Yarıiletken Yarıiletkenler, elektrik akımına karşı ne iyi bir iletken, ne de iyi bir yalıtkandır. Son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar. İyi yarıiletken olarak bilinen metaryaller; Silikon Germanyum Karbon vb.. 13

14 Atomik Yapı Enerji Bandı Maddelerin iletken, yalıtkan ve yarıiletken olarak isimlendirilmesinde enerji bantlarının önemi büyüktür. 14

15 Yarıiletkenler Çoğu elektronik devre elemanı, yalıtkan ve iletken malzemeler kullanılarak üretilir. Bu elektronik devre elemanlarının çalışmalarını anlamak için öncelikle yarıiletken malzemelerin karakteristiklerini anlamak lazımdır. Tarihsel olarak ilk kullanılan yarıiletken Germanyumdur. Fakat şu an yarıiletken devrelerde ve tümleşik devrelerde en çok kullanılan yarıiletken malzeme Silikon dur. Silikon, geniş bir band enerji aralığına sahiptir. Diğer yarı iletkenlere göre yüksek sıcaklık uygulamalarında daha kararlı bir yapıya sahiptir. Diğer yarıiletken malzemeler genelde özel-spesifik uygulamalar için kullanılır. 15

16 Yarıiletkenler Diğer yarıiletkenlere örnek verecek olursak; Galyum-Arsenid, Indiyum-Fosfat(InP) bunlardan birkaçıdır. Bu yarıiletkenler çok hızlı devre uygulamalarında ve optik devre tasarımlarında kullanılırlar. Genel olarak kullanılan yarıiletkenler ve bileşenleri aşağıda verilmiştir. 16

17 Yarıiletkenlerin İçeriği Ne demiştik; Bir atom çekirdekten meydana gelir ve bu atomda; Pozitif yüklü proton Negatif yüklü elektron Nötr nötronlar dan oluşur. Bunlar da çekirdek etrafında dolanıyorlar. Bizim için en önemli olan bileşen elektron En dış yörüngede bulunan elektronlar bizim için valans elektronlar olarak isimlendirilir. Elementlerin kimyasal hareketleri ve yetenekleri temel olarak bu elektronik sayısına göre belirlenir. Hepimiz bildiği gibi periyodik tablo mevcuttur. Periyodik tabloda elementler değerli valans elektron sayılarına göre gruplandırılmıştır. 17

18 Yarıiletkenlerin İçeriği Görüldüğü üzere Silikon ve Germanyum un bulunduğu grup bizim için oldukça önemlidir. Diğer gruplardaki elementlerle birleşerek farklı yapılarda yarıiletken elemanları oluştururlar. Fakat bizim için en önemli element Silikon dur. 18

19 Yarıiletkenlerin İçeriği Bizim için en önemli element Silikon. Silikonun kristal yapısı aşağıda gösterildiği gibidir; Silikon kristal yapısının kafes gösterimi 19

20 Yarıiletkenlerin İçeriği Silikon atomunun 4 tane valans elektronu vardır. Bunlar en dıştaki kabukta bulunurlar ve farklı elementlere bağlanmasını sağlayan elektronlardır. Düşük sıcaklıkta özellikle 0 K uygulamalarında bütün kovalent bağlar birbiri ile sıkıca bağlıdır ve sağlamdır. Kavolent bağların sıkıca birbirine bağlı olması nedeniyle elektrik akımını akıtacak boşta herhangi bir elektron yapısı yoktur. Dolayısıyla düşük sıcaklıkta, temel silikon kristal yapısı bir yalıtkan olarak davranır. 20

21 Yarıiletkenlerin İçeriği Eğer silikon yapısı oda sıcaklığına getirilirse ya da sıcaklık artırılırsa; Valans elektronlar, ısı enerjisi kazanır. Kazanılan bu ısı enerjisi yüzünden kovalent bağlar arasında kopuş meydana gelir ve elektron özgür hale gelir. Burada boştaki elektron bağlı olduğu atomdan ayrılır. Eğer elektrik alan uygulanırsa, akım iletebilecek duruma gelir. Bir elektron bağlı olduğu atomdan ayrılırsa, aynı zamanda o atomdan da pozitif yük şarjı ayrılır. Bunun büyüklüğü de elektron şarj yükü kadardır. 21

22 Yarıiletkenlerin İçeriği Sonuç olarak elektron kendine komşu olan atomu pozitif yükle yükleyecek ve böylece kendi bağlı olduğu atomdan ayrılmış olacaktır. Bu olay kendi kendini tekrar edecektir. Böylece pozitif yüklü bir şarj meydana gelecektir. Buna biz delik(hole) diyeceğiz. Bu delikler silikon yapısı içerisinde hareket edecek ve böylece elektrik akımı iletebilir pozisyona gelecektir. Sıcaklık arttıkça, doğal olarak kırılan kovalent bağ sayısında artış meydana gelecektir. Böylece silikon yapının iletkenliği de artmış olacaktır. 22

23 Katkılı Yarıiletkenler Şu ana kadar anlattığımız ve yapısını gösterdiğimiz yarıiletken saf yarıiletken olarak isimlendirilir. Saf yarıiletkende, serbest elektron sayısı(n) ile delik sayıları(p) birbirine eşittir. Akım akıtmak için ısıl bir etki meydana getiriyoruz. Fakat oda sıcaklığında silikondan fark edilebilir bir akım akıtmak için gerekli elektron ve delik sayıları oldukça küçük kalmaktadır. Aynı zamanda taşıyıcı konsantrasyonu ve iletkenlik sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir. Fakat, bizler için sıcaklığa bağlı olarak değişim istenen bir şey değildir. Bu yüzden yarıiletken kristal yapısında taşıyıcı konsantrasyonunu değiştirmek için başka bir metod geliştirmiştir. Bu yöntem katkılama olarak isimlendirilir. 23

24 Katkılı Yarıiletkenler Sonuç olarak silikonda yapılan bu işleme de katkılanmış silikon denir. Katkılama demek; Silikon kristal yapısını hiç değiştirmeyecek ya da çok az değiştirecek şekilde, elektron ve delik konsantrasyonunu artıracak ve silikonun saflığını bozacak atomları eklemektir. Serbest elektron konsantrasyonunu artırmak için 5 tane elektrona sahip fosfor elementini silikona katkılarsak, bu yapıya n tipi katkılanmış silikon yapısı denir. Delik konsantrasyonunu artırmak için 3 tane elektrona sahip, boron gibi bir element katkılarsak, bu yapıya da p tipi katkılanmış silikon yapısı denir. 24

25 Katkılı Yarıiletkenler n tipi katkılanmış yapı n tipi katkılanmış şekilde, 5 değerlikli fosfor elementi kullanılmıştır. Eklenmiş atom, silikon kristal yapısının bazı yerlerine yerleşir. Bundan dolayı fosfor atomunun son yörüngesindeki 5 elektrondan 4 ü silikon atomları ile kovalent bağlar oluşur. Diğer elektron ise boşta kalır. n tipi yarıiletken 25

26 Katkılı Yarıiletkenler n tipi katkılanmış yapı Sonuç olarak fosfor atomu, silikon kristal yapısına bir tane serbest elektron verir. Bu yüzden fosfor katkılaması verici olarak isimlendirilir. Görüldüğü gibi burada delik üretilmez. n tipi yarıiletken 26

27 Katkılı Yarıiletkenler p tipi katkılanmış yapı Şekilde, p tipi katkılanmış silikon yapısı gösterilmiştir. Yani Boron atomları silikon yapısının içine katkılanmıştır. Boron atomunun en dış yörüngesinde 3 tane valans elektron vardır. Bu atom, kendisine en yakın silikon atomunun elektronlarını kabul eder ve kovalent bağ oluşturur. Sonuç olarak, silikonun yakınındaki atomda delik meydana gelir ve negatif yükle şarj olur. Bu da alıcı olarak isimlendirilir. p tipi yarıiletken 27

28 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar PN BİRLEŞİMİ Silisyum veya Germanyum kristaline yeterli oranda katkı maddeleri eklenerek, P-tipi ve N-tipi maddeler oluşturulmuştu. Bu maddeler yalın halde elektriksel işlevleri yerine getiremezler. P ve N tipi malzeme bir arada kullanılırsa, bu birleşime PN birleşimi (junction) veya PN eklemi denir. PN birleşimi; elektronik endüstrisinde kullanılan diyot, transistör v.b devre elemanlarının yapımında kullanılır. Aşağıdaki şekilde yarısı P-tipi, diğer yarısı N tipi malzemeden oluşan iki bölümlü bir silisyum parçasını göstermektedir. Bu temel yapı biçimine yarı iletken diyot denir. N bölgesinde daha çok serbest elektron bulunur. Bunlar akım taşıyıcısı olarak görev yaparlar ve çoğunluk akım taşıyıcısı olarak adlandırılırlar. Bu bölgede ayrıca ısı etkisi ile oluşturulan birkaç boşluk (delik=hole) bulunur. Bunlara ise azınlık akım taşıyıcıları adı verilir. P bölgesi ise çok sayıda boşluklar (delik=hole) içerir. Bunlara çoğunluk akım taşıyıcıları denir. Bu bölgede ısı etkisi ile oluşan birkaç serbest elektronda bulunur. Bunlara ise azınlık akım taşıyıcıları denir.

29 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar PN BİRLEŞİMİ P maddesinde elektron noksanlığı (boşluk), N maddesinde ise elektron fazlalığı meydana gelmişti. Elektron ve oyukların(deliklerin) hareket yönleri birbirine zıttır. Aslında bu iki madde başlangıçta elektriksel olarak nötr haldedir. P ve N maddesi aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi birleştirildiğini kabul edelim. Birleşim olduğu anda N maddesindeki serbest elektronlar, P maddesinde fazla olan oyuklarla (boşluk=delik) birleşirler. P maddesindeki fazla oyukların bir kısmı ise, N maddesine gelip elektronlarla birleşirler. Bu durumda P maddesi net bir (-) yük, N maddesi ise (+) yük kazanmış olur. Bu olay olurken P maddesi (-) yüke sahip olduğundan N maddesindeki elektronları iter. Aynı şekilde, N maddesi de (+) yüke sahip olduğundan P maddesindeki oyukları iter. Böylece P ve N maddesi arasında daha fazla elektron ve oyuk akmasını engellerler. Yük dağılımın belirtildiği şekilde oluşması sonucunda PN birleşiminin arasında gerilim seddi denilen bir bölge (katman) oluşur.

30 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar PN BİRLEŞİMİ PN birleşim bölgesinde pozitif ve negatif iyonlarla oluşturulan gerilim seddi görülmektedir. Oluşan bu gerilim seddi; 250 C de silisyum için engel 0.7 volt,germanyum için 0.3 volt civarındadır. Bu gerilime diyot öngerilimi denir. Diyot öngerilimi ısıdan etkilenir. Örneğin sıcaklık miktarındaki her 10C lik artış, diyot öngeriliminin yaklaşık 2.3mV azalmasına neden olur. Diyot öngerilimi çok önemlidir. Çünkü PN birleşimine dışarıdan uygulanan gerilimin oluşturacağı akım miktarının kararlı olmasını sağlar.

31 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar PN BİRLEŞİMİ PN bitişiminin nasıl oluşturulduğunu gördük. PN bitişimi elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılan en temel yapıdır. PN birleşimine elektronik biliminde diyot adı verilmektedir. Diyot veya diğer bir elektronik devre elamanının DC gerilimler altında çalıştırılmasına veya çalışmaya hazır hale getirilmesine elektronikte Polarma veya bias adı verilmektedir. PN birleşimi veya diyot; DC gerilim altında iki türde polarmalandırılır. Bunlardan birisi ileri yönde polarma diğeri ise ters yönde polarma dır. İleri veya ters yönde polarma, tamamen diyot uçlarına uygulanan gerilimin yönü ile ilgilidir.

32 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar PN BİRLEŞİMİ

33 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar PN BİRLEŞİMİ

34 Temel Elektrik Elektronik Yarıiletken Elemanlar PN BİRLEŞİMİ