Giriş Yarıiletken Malzemeler ve Özellikleri Doç.. Dr. Ersan KABALCI 1
Atom Yapısı Maddenin en küçük parçası olan atom, merkezinde bir çekirdek ve etrafında dönen elektronlardan oluşur. Çekirdeği oluşturan en ağır parçacıklar proton ve nötronlardır. Proton ve nötronların ağırlığı yaklaşık olarak birbirine eşittir. Protonun ağırlığı elektronun ağırlığının 8000 katıdır. Elektron ve protonun elektrik yükleri birbirine eşittir. Protonlar pozitif yüklü olup, elektronlar negatif yüklüdür. Nötronlar yüksüz parçacıklardır. Serbest halde atom nötr haldedir yani elektron sayısı proton sayısına eşittir. Atomlardaki elektron sayısı birden 105 e kadar değişmektedir. Elektron, nötron ve proton sayısına göre farklı atomlar ve bu atomlardan özellikleri değişik olan elementler oluşur. Bir atomun numarası elektron sayısına veya proton sayısına eşittir. 2
Atom Yapısı 3
Bu modelde görüldüğü gibi, elektronlar çekirdek etrafında belirli bir yörüngede yer almaktadırlar. Bir malzemenin atomik yapısı, onun iletkenlik ya da yalıtkanlık özelliğini belirlemektedir. Diyot, idealde bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Bohr Atom Modeli 4
Atom Yapısı Elektronlar atomun çekirdeği etrafında yörüngelerde dönmektedir. Yörüngeler kabuklarda toplanmıştır ve kabuklar arasında boşluklar vardır. Bir atomun belirli sayıda kabuğu vardır. Her bir kabukta bulunabilecek maksimum elektron sayısı belirli ve sabittir. Kabuklar çekirdekten itibaren K,L,M,N,O,P,Q olarak adlandırılır. Kabuklarda bulunabilecek maksimum elektron sayısı sırasıyla 2, 8, 8, 32, 50, 72, 98 olarak bilinmektedir. 5
İletkenler, Yalıtkanlar, Yarıiletkenler Bir malzemenin akım iletme yeteneği, malzemenin atomik yapısına bağlıdır. Çekirdeği çevreleyen elektronların yörünge konumları Kabuk (Shell) olarak adlandırılır. Her bir kabuk 2n 2 formülü ile belirlenen elektron sayısına sahiptir. En dıştaki kabuk valans kabuğu olarak adlandırılır. 6
İletkenler, Yalıtkanlar, Yarıiletkenler Valans kabuğu, malzemenin iletkenlik özelliğini belirler. Bakır atomu valans yörüngesinde sadece 1 elektrona sahiptir. Bu onu iyi bir iletken kılar ve bu yörünge n=4 kabuk sayısına sahip olduğu için, 2n 2 formülüne göre 32 elektron alma kapasitesine sahiptir. Bir silisyum atomunun son yörüngesinde 4 elektron vardır. Bu özelliği onu yarıiletken bir malzeme yapar. n=3 kabuk sayısına sahip olduğu için, 2n 2 formülüne göre 18 elektron alma kapasitesine sahiptir. 7
Enerji Bandı Diyagramları Atom ve yarı iletken teorisinde kullanılan elektron volt (ev) birimi, bir elektronun bir V luk gerilim potansiyeline karşı hareket etmesi sonucu kazandığı enerjidir. Bir katı maddenin valans bandındaki elektronlar iletim bandına geçirmek için ısı, ışık, elektrik gibi enerjilerden biri uygulanabilir. Maddeye gerilim uygulandığında oluşan serbest elektronlar elektrik akım üretir. Akım taşıyan elektronlar serbest elektronlardır. Akım yük akışı olduğuna göre belirli bir noktadan saniyede akan yük miktar olarak tanımlanabilir. Yük birimi coulomb ve enerji birimi joule ile elektron enerjisi ev arasındaki ilişki aşağıdaki gibi yazılabilir. 8
Enerji Bandı Diyagramları 9
Enerji Bandı Diyagramları Elektronların enerjileri çekirdekten uzaklaştıkça artmaktadır. Yarıçapı küçük olan elektronun enerjisi en küçüktür ve enerji yarıçap ile artar. Kabuk içindeki elektronların enerjileri arasındaki fark küçüktür. Kabuklar arasındaki enerji fark ise büyüktür. Kabuklar arasındaki bölge, yasak bölge veya enerji boşluğu olarak adlandırılır. Elektronlar bu bölgede bulunmazlar. Bütün kabuklar arasında enerji boşluğu mevcuttur. Atomun en dış kabuğundaki elektronlara valans elektron adı verilir. 10
Kovalent Bağ İki veya daha fazla atomun valans elektronlarının etkileşimi ile oluşan bağa, Kovalent bağ adı verilir. 11
Yarı İletkenlerde Kristal Yapı Silisyum ve germanyum atomlarının valans yörüngelerinde yer alan elektronlar arasında kovalent bağ yapısı vardır. Saf halde bu bağ yapısı bozulmaz ve bu yarıiletken malzemeler yalıtkan durumdadır. 12
N-tipi ve P-tipi Yarıiletkenler N-tipi ve P-tipi malzemelerin oluşturulma işlemi katkılama olarak adlandırılır. N-tipi yarıiletken oluşturmak için Silisyum yapıya Antimuan gibi 5 valans elektronlu katkılama atomları katılır. P-tipi yarıiletken oluşturmak için Silisyum yapıya Bor gibi 3 valans elektronlu katkılama atomları katılır. 13
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. 14
p-n Jonksiyonu Jonksiyon bölgesinde elektron-oyuk birleşmesi meydana gelerek burada iyonize atomlardan oluşan fakirleşmiş bölge (depletion region) ve bariyer potansiyeli oluşur. 15
İleri Yön ve Ters Yön Kutuplama İleri Yön Kutuplama Ters Yön Kutuplama Gerilim kaynağının (kutuplama bağlantıları) + terminali p-tipi malzemeye, terminali de n-tipi malzemeye gelecek şekilde bağlanır. Kutuplama gerilimi Germanyum diyot için 0.3 V dan, Silisyum diyot için de 0.7 V dan daha büyük olmalıdır. İleri yön kutuplama, p-n jonksiyonundaki fakirleşmiş bölgenin daralmasına yol açacaktır. 16 Gerilim kaynağının (kutuplama bağlantıları) - terminali p-tipi malzemeye, + terminali de n-tipi malzemeye gelecek şekilde bağlanır. Kutuplama gerilimi, kırılım geriliminden (breakdown voltage) daha az olmalıdır. Ters yönlü bir kutuplama durumunda diyot p-n jonksiyon yapısındaki fakirleşmiş bölge genişler ve yapıda ters yönlü küçük bir sızıntı akımı dışında akım akmaz.