BLM 224 ELEKTRONİK DEVRELER Hafta 1 Prof. Dr. Mehmet Akbaba Karabük Üniversitesi Bilgisayar Mhendisliği Bölümü 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 1
KAYNAKLAR 1. Robert Boylestad and Louis Nashelski, Elektronik Cihazlar ve Devre Teorisi, Palme Yayıncılık 2. Mehmet Akbaba, Elektronik Devreler Ders Notları 3. Thomas L. Floyd, Electronic Devices, Merill Publishin Company 10.02.2016 Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 2
ATOM un YAPISI Tabiatta var olan her cisim atomlardan yapılmıştır ve her atom proton, nötron ve elektron lardan oluşur. Sadece hidrojen atomu bu yapıya uymaz. Hidrojen atomunda nötron yoktur. Atomlarin yapısında merkezde çekirdek (nükleus) ve onun etrafındaki yörüngeler (orbitler) vardir. Proton ve nötronlar nükleus denen çekirdeğin içinde ve elektronlarda çevredeki yörüngeler (orbitler) üzerinde yer alırlar. Elektronlar eksi (negatif) elektrik yüklü, protonlar ise artı (pozitif) elektrik yüklü parçacıklardır. Nötronlar yüksüz parçacıklardır. Peryodik tabloda yer alan her bir elementin özel bir yapısı vardır ve elektronların sayısı protonların sayısına eşittir. Bu durumda atomdaki eksi elektrik yükü miktarı artı elektrik yükü miktarına eşittir ve atomun toplam elektrik yükü sfırdır. Proton ve nötronların ağırlığı yaklaşık olarak birbirine eşittir. Protonun ağırlığı elektronun ağırlığının 8000 katıdır. 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 3
Atom Numarası Sekil 3 deki Peryodik tabloda görldüğü gibi elementler atom numarasına göre düzenlenmişlerdir. Bir elementin atom numarası çekirdekteki proton sayısına ve aynı zamanda yörüngeler üzerindeki elektron sayısına eşittir. Örneğin bir Sodyum atomunun çekirdeğnde 11 proton ve yörüngesinde 11 elektron vardır ve atom numarası 11 dir veya bir Silisyum atomunun çekirdeğinde 14 proton ve yörüngesinde 14 elektron vardır ve atom numarası 14 dür. Bir Elektronun yükü -1.60217657 10-19 C dur ve buda yaklaşık olarak = -1.6x10-19 C alınır. Bir Protonun yükü = +1.6x10-19 C (C: kulomb) Bir Silisyum atomunun yapısı Şekil 3 de görülmektedir. 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 4
Şekil 1: Atomun genel yapısı Şekil 1 de görüldüğü gibi, elektronlar çekirdek etrafında belirli bir yörüngede yeralmaktadırlar. Bir malzemenin atomik yapısı, onun iletkenlik ya da yalıtkanlık özelliğini belirlemektedir. 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 5
Elektron Proton Nötron Şekil 2: Bir Atomun Yapısından Başka Bir Görünüm Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 10.02.2016 6
Şekil 3 : PERYODİK TABLO 10.02.2016 7
Nükleusta (çekirdekte) 14 tane proton ve 14 tane nötron vardır (Şekilde tamamı gösterilmemiştir) 10.02.2016 Şekil 4: Silisyum Atomunun Yapısı Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 8
Yörüngelerde bulunabilecek en fazla elektron sayısı N 2n 2 e Burada n yörünge numarasını, N e ise n nolu yörüngede bulunabilecek elektron sayısını göstermektedir. Buna göre n nolu yörüngede bulunabilecek en çok elektron sayısı aşağıdaki gibi olur: n n n n 1, 2, 3, 4, N e Ne Ne Ne 2x1 2x2 2x3 2 2 2 2x4 2 8 18 2 elektron elektron elektron 32 elektron Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 10.02.2016 9
Valans Elektronu Nukleuse en uzak yörüngede bulunan elektronlar en yüksek enerjiye sahiptirler ve atoma daha az bağlıdır. Bu nedenle atomdan daha kolay kopabilir. Bunun nedeni elektronlar eksi yüke nükleus pozitif yüke sahiptirler ve dolayısiyle aralarındaki çekim kuvveti uzaklık arttıkça azalıyor (zayıflıyor). Bu nedenle nükleustan en uzakta bulunan en dış yörüngedeki atomlar atoma çok zayıf bağla bağlıdır. En dıştaki yörüngeye valans yörüngesi ve bu yörüngedeki atomlarada valans elektronu denir. Maddelere dışarıdan herhangi bir etki yapıldığında, örneğin dışarıdan enerji uygulandığında, ısıtıldığında veya sürtünme yoluyla valans elektronlar yörüngelerinden çıkartılabilir. 10.02.2016 Electronıcs notes Prof. Dr. M. Akbaba 10
Valans elektronlar yörüngelerinden çıktıktan sonra bir başka atomun son yörüngesine bağlanır. Böylelikle elektron akımı dolayısıyla elektrik akımı oluşturulur. Sodyum Atomu Klor Atomu Şekil 5 : Bir iletken ile bir yalıtkan arasında elektron alış-verişi Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 10.02.2016 11
Atomların son yörüngesindeki valans elektronların sayıları elementlerin özelliklerini belirler. Elektrikte kullanılan maddeler de iletken madde, yalıtkan madde ve yarı iletken madde olarak isimlendirilir. İletkenler Valans yörüngelerindeki elektron sayısı dörtten az (1-2-3) olan elementlere iletken denir. Bu elementler elektrik akımını iyi iletirler. Tüm metaller, su ve insan vücudu elektrik akımını iyi iletirler ve iyi birer iletkendirler. Teknolojik açıdan iletken denince ilk akla gelen metallerdir. Bakır, Aluminyum, Gümüş ve Altın gibi metallerin valans yörüngesinde sadece bir elekteron bulunur ve bunlar çok iyi iletkendirler. Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 10.02.2016 12
Yalıtkanlar Valans yörüngelerindeki elektron sayısı 5 ve daha fazla olan elementler yalıtkan sınıfına girerler. Ancak valans yörüngelerinde 8 ve daha fazla elektron olan tüm elementler iyi yalıtkandırlar. Yalıtkan maddeler elektrik akımını iletmezler. Yalıtkan cisimlerde serbest elektronlar yok denecek kadar azdır. Porselen, Plastik, Neon, Cam, Kauçuk, Pamuk, ve Hava yalıtkan maddelere örnek olarak verilebilir. Yarı İletkenler Valans yörüngelerindeki elektron sayısı 4 olan elementlere yarı iletken denir. Silisyum, Germanyum, ve Boron gibi maddeler tipik yarı iletken madelerdir. Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 10.02.2016 13
Silisyum Atomu Germanyum Atomu Silisyum: 2+8+4 =14(yörünge elektronları) Germanyum: 2+8+18+4=32 (yörünge elektronları) Şekil 6: 2 adet tipik yarı iletken atomu Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 10.02.2016 14
a) n-tipi yarıiletken P-N Jonksiyonu b) p-tipi yarıiletken Donor ions: Verici iyonlar Acceptor ions: Alıcı iyonlar Majority carriers: Çoğunluk taşıyıcılar Minority carriers: Azınlık taşıyıcılar 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 15
N-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron vererek pozitif yüklenen katkılama atomları Donör İyonları olarak tanımlanır. Bu yapıda çoğunluk akım taşıyıcıları elektronlar, azınlık akım taşıyıcıları ise oyuklardır. P-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron alan katkılama atomları Akseptör İyonları olarak tanımlanır. Bu yapıda çoğunluk akım taşıyıcıları oyuklar, azınlık akım taşıyıcıları ise elektronlardır. 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 16
ATOMİK BAĞ (Kovalant bağ) Bazı atomlar katı bir madde oluşturmak için moleküller içinde birleştiği zaman kristal bir yapı oluştururlar. Kristal yapı içindeki atomlar son yörüngelerindeki elektronları ortak kullanırlar. Bunun sonucunda oluşan bağa kovalent bağ denir. Silisyum ve Germanyumda kristal bir yapıya sahiptirler. (a) Merkezdeki atom elektronlarını etrafındaki 4 atomla paylaşarak her biriyle kovalent bağ oluşturmaktadır. Etrafındaki atomlar da diğer atomlarla aynı bağı oluşturmaktadır. Bu durum böylece devam etmektedir. işaretler paylaşılan valans elektronları temsil etmektedir. (b) Bağ diyagramı. - - 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 17
Silisyum atomunun oluşturduğu kovalent bağ (a) (b) 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 18
ELEKTRONLARIN VE OYUKLARIN İLETİMİ Oda sıcaklığında saf silisyum kristalinin bazı valans elektronları valans bandından iletim bandına atlaması için gerekli enerjiye sahiptir. İletim bandına geçen elektronlara serbest elektron denir. Bu durum Şekilde enerji diyagramında gösterilmiştir. Bir elektron iletim bandına atladığı zaman kristal içindeki valans bandında bir boşluk bırakır. Bu boşluğa oyuk ismi verilir. Bu şekilde iletim bandına geçen her elektron valans bandında bir boşluk bırakır. Bunun neticesinde elektron-oyuk çifti meydana gelir. Bir iletim bandı elektronu enerjisini kaybettiği zaman ve yerine valans bandında bir oyuk geldiği zaman yeniden Enerji birleşme meydana gelir. İletim Bandı Serbest elektron Si Serbest Elektron Enerji aralığı Isı Enerjisi Oyuk Isı Enerjisi Valans Bandı Oyuk Si Elektron-Oyuk Çifti (a) Enerji diyagramı KBUZEM Karabük Üniversitesi Uzaktan Eğitim Uygulama ve Araştırma (b) Bağ diyagramı 19
Sonuç olarak, oda sıcaklığında saf silisyum kristali herhangi bir anda, başka bir atoma eklenmemiş olarak iletim bandında belli bir sayıda serbest elektrona sahiptir ve bu elektronlar madde içinde rastgele hareket ederler. Ayrıca bu elektronlar iletim bandına atladığı zaman valans bandında eşit sayıda oyuk bırakırlar. Bu durum Şekilde gösterilmiştir. Si Si Si Si Si Si Elektron - Oyuk çiftinin oluşumu Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Bir oyuk ile elektronun yer değiştirmesi Si Si Si Si Si Si Serbest Elektron Valans Elektron Oyuk Isı Enerjisi Bir silisyum kristalindeki elektron-oyuk çifti. 20
N-TİPİ YARI İLETKEN N-TİPİ yarı iletken 5 valans elektronu bulunan bir malzemenin örneğin antimonun bir dış yörüngesinde 4 valans elektronu bulunan örneğin silisyuma katkılanması ile elde edilir. 5 valans elektronlu malzelere örnek olarak : antimon, arsenik, fosfor Kovalant bond hala var fakat antimonun 5. valans elektonu serbest kaldı ve yeni oluşan yarı iletken malzeme içinde serbest dolaşabilir. Figure 1: Antimon katkılanmış n-tipi yarıiletkenme
Şekilden görüldüğü gibi 5 valans elektronlu bir yalıkkan malzeme bir yarıietken malzemeye (4 valans elektronu) katkılandığında yalıtkan malzemenin 5 valans elektronundan 4 tanesi 4 valans elektronu bulunan mazeme ile kovalant bağ oluşturur 5. valans lektronu serbest kalır. Elektronun yükü negatif (eksi) olduğundan bu tip malzemeye n-tipi (N-tipi) yarı iletken adı verilir. Görüldüğü gibi N-tipi yarı iletken 5 valans elektronlu bir yalıtkan malzemenin bir yarı malzemeye katkılanması ile elde edilir. Katkılama işlemine DOPİNG denlir ve yarı iletkenin iletkenlik dercesi katkı maddesinin miktarı ile kontrol edilir. 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 22
P-Tipi Yarıiletken P-tipi yarıileken bir yarıiletken malzemeye (4 valans elektronu), örneğin slisyuma, valans bandında 3 elektron bulunan Boron, Galyum, İndiyum gibi iletken malzeme katkılanarak elde edilir. Yandaki örnekte Silisyuma Boron katkılanması durumu görülüyor. Boronun 3 valans elektronu Silisyum atomu ile kovalant bağ oluşturur ve Silisyumun 4. valans elektronunun kar elektronunun karşılığı olmadığından kovalant üzerinde bir oyuk açığa çıkar ve bu oyuk yeni oluşan malzemede serbest dolaşabilir. Oyukların yükü Pozitif (artı) olduğundan bu tip yarıiletkene P- tipi yarıiletken denir. Boron katkılanmış p-tipi yarıiletken
Görüldüğü gibi P-tipi yarıiletken Silisyum gibi yarıiletken bir malzemeye 3 valans elektronu bulunan bir iletken malzeme katkılanarak elde edilir. P-tipi yarı iletkende serbest olan uyuk bir elektron almaya hazır olduğu için bu tip atoma acceptor atom denir. N-tipi malzemedede serbest kalan atom her an başka bir atoma verilmeye hazır olduğundan bu tip atomada donor atom denir. 10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 24