ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLER
İletkenlik Elektrik iletkenlik, malzeme içerisinde atomik boyutlarda yük taşıyan elemanlar (charge carriers) tarafından gerçekleştirilir. Bunlar elektron veya elektron boşluklarıdır. Bunların yük değerleri: 0.16 x 10-18 C.
V I. R R.A l 1 n.q. V: volt, I: akım, R: direnç : öz dirençlik,, A: alan, l: boy : iletkenlik q: yük(c), : hareketlilik (mobility)(m 2 /(V.Sn) N: yük yoğunluğu 1 /m 3 (yük taşıyıcı sayısı) n n E q n n n : ortalama hız, m/s, E: elektrik alan, V/m, : hareketlilik (mobility)(m 2 /(V.Sn) p q p p
Enerji seviyeleri Pauli prensibi: 2 tane elektron yörünge içerisinde aynı yerde bulunamaz.her bir yörünge birbirinin tersi spine sahip iki elektrona sahiptir. Bir Na atomu 3s yörüngede bir elektrona sahiptir. 4 adet Na atomunda 4 elektron Pauli prensibine göre aynı yörüngede bulunamaz. Bu nedenle 3s yörüngeleri arasında hafif seviye farkı vardır. Aynı zamanda delokolize olan bu 4 elektron çok hareketlidir ve 4 farklı Na atomları tarafından paylaşılır. Bu elektronlar aynı zamanda Na atomlarını bir arada tutacak bir bağ oluştururlar.
Bu komşu yarı dolu 3s yörüngeleri arasındaki mesafe çok küçüktür ve bir enerji bandı (valans bandı) oluştururlar. Bu bant içerisindeki yüksek hareketliliğe sahip bu elektronlar valans elektronları olarak adlandırılırlar ve elektron bulutu oluşturarak katı malzeme içerisinde sürekli hareket edebilirler. Sonuç olarak bu yapıya sahip olan metallerin elektrik iletkenlikleri yüksektir.
Fermi enerji seviyeleri 0 o K sıcaklıkta valans bandının sahip olabileceği en yüksek enerji Fermi seviyesi olarak adlandırılır. Herhangi bir sıcaklıkta enerji bandının sahip olabileceği enerji ise 0 ile 1 arasında değer alabilen Fermi fonksiyonu ile dikkate alınır. 0 o K de Ef in üzerinde enerjiye sahip elektron bulunmadığı için malzeme iletken değildir.bu nedenle belli bir seviyede, ısı gibi, dış enerjiye ihtiyaç vardır.
f 1 ( E) E E f )/ e ( kt 1 K: boltzman sabiti:13.8 x 10-24 J/ o K) E>>Ef f(e) = 0 E<<Ef f(e) = 1 E=Ef f(e) = 0.5 T arttıkça f(e) 0 a yaklaşır. Sonuç olarak metallerde sıcaklık elektronların fermi seviyesinin üzerindeki enerji seviyelerinde bulunmasını sağlayabildiği için iyi iletkendirler. Bu elektronlara serbest elektronlar denir.
Elmas gibi kovalent bağa sahip malzemelerde elektronların valans bantından iletkenlik bantına geçmesi için yenmeleri gereken bir enerji aralığı (Eg) söz konusudur. YASAK BÖLGE ~6eV
YASAK BÖLGE ~1.107eV Silisyumda Eg seviyesi Elmasa göre çok daha düşüktür. Oda sıcaklığı az fakat önemli sayıda elektronların, arkalarında boşluk bırakarak (elektron boşlukları (+ yüklü) valans bandından iletkenlik bandına geçmesine sebep olur. Bu nedenle Si oda sıcaklığında dahi iletkenlik gösterebilir. Hem pozitif hem de negatif taşıyıcılar iletkenlikte etkin olur
İletkenlik İletken, yüksek seviyelerde elektrik iletkenliğe sahip malzemelere verilen isimdir. İletkenlik seviyeleri 10x10 6-1 m -1 seviyelerindedir. n e q e e 1/ İletkenlik bu eşitlikle hesaplanır. Yük elektronlar ile taşınır.
İletkenliğe etki eden faktörler; Malzeme türü İletkenlik formülünden Yük taşıyıcı yoğunluğu Yük Hareketlilik n e q e Sıcaklık Kimyasal kompozisyon- alaşım olma durumu e 1/
Artan sıcaklıkla malzemelerde görülen iletkenlikte düşme gerçekleşmektedir. Bunun sebebi, dalga hareketi şeklinde hareket eden elektronların hareketliliğinin artan sıcaklıkla titreşimleri artan atomlar arasındaki etkileşimdir. os 1 ( T T ) os : Sıcaklık direnç sabiti
o 1 x o: saf metalin direnci : alaşımın direnci : Sabit Her ikisi saf haldeyken özgül direnç çok küçük iken, alaşımlandırma özgül direncin çok fazla artmasına neden oluyor.
Isıl eleman Isıl eleman iki metal telden oluşur. Bu metal tellerin farklı sıcaklıklara konması durumunda sıcak taraftaki yüksek enerjiden dolayı sıcaktan soğuk tarafa doğru bir elektron akışı gerçekleşir. Soğuk taraf (-), sıcak taraf (+) olarak davranır.bu etki Seebeck etkisi, okunan voltajda seebeck voltajı olarak adlandırılır.
Superiletkenlik Metallerin çoğu 0 o K sıcaklığa yaklaştıkça dirençleri sıfır değildir ve belli oranlarda iletkenlik gösterirler, Bazı malzemeler ise farklı olarak belli bir Tc kritik sıcaklığının altında sıfır direnç göstermeye başlarlar. Bu duruma süper iletkenlik adı verilir. süper iletkenlik, Tc sıcaklığın altında kafes titreşimi ile dalga hareketi ile ilerleyen elektronların uyumu ile gerçekleşmektedir.
SÜPERİLETKEN ÖZELLİKLER Sıcaklık azaldıkça malzemelerin iletkenliği artmaktadır. Bazı istisnalar dışında, çok düşük sıcaklıklarda Cryogenic sıcaklıklar malzemelerin büyük çoğunluğu hala iletkenlik gösterebilmektedir. İstisna olarak bazı malzemelerin (örneğin cıva) direnci kritik bir T c sıcaklığının altında aniden yok olmakta ve süper iletken özelliği gösterebilmektedir. Bunun gibi aynı özellik Nb, V, Pb gibi metallerde görülebilmektedir. Yapılan çalışmalarda oda sıcaklıklarına yakın sıcaklıklarda elde edilecek süper iletkenlik özelliği ana hedefi oluşturmakta ve bunun elde edilebileceği malzemeler üzerinde durulmaktadır. Genellikle oksit esaslı ileri teknoloji seramikleri bu tür özellikleri göstermektedir. Yeterince düşük sıcaklıklarda kafesteki atomlarla elektronları arasında etkileşim ve yeni bir düzenleme gerçekleşir. Etki aslında atom titreşimleriyle elektronların dalga hareketleri arasında bir eşleme (senkronizasyon) yaratmaktadır. Bu ortaklaşa hareket ve etkileşim direncin yok olmasına yani iletkenliğin çok artmasına neden olmaktadır
1,2,3 Süper iletken YBa2Cu3O7-x
Yarı iletkenler
a)has yarı iletkenler Normal metallerin tersine!!!! Yarıiletkenlerin iletkenliği sıcaklıkla Arrhenius eşitliğine göre artar
Yarı iletkenin artan sıcaklıkla iletkenliğinin artması elektron İletim bandı boşluk Valans bandı
arttırılır. n tipi yarıiletken ( Negatif tip yarıiletken) (ppm seviyesinde) fazladır. IV grup yarı iletkenlere katkı olarak,v grup elementler katılır.
Bir P atomu bir Si atomunun yerini almış.yerel olarak dış yörüngedeki elektron sayısı 8 yerine 9. Bir fazla elektron.
p tipi yarı iletken (Pozitif yarıiletken) Grup IV yarıiletkenlere katkı elementleri olarak grup III elementleri kullanılır.
Diyodlar elektrik akımının sadece Bir yönde geçmesine izin veren cihazlardır. Bir p-n diyodunda uygulanan gerilimin yönüne bağlı olarak, ara yüzey iletken veya yalıtkan olur. Yani p-n diyodu sadece bir yönde akım geçmesine izin verir. Böylece alternatif akımın yarım dalga doğrultulmasında da kullanılır. -yüklü elektron - kutba gitmez. -+ yüklü boşluk + kutba gitmez. -tersini yaparlar!
3s enerji 3p 3s bandının 3p bandına binme hali 3s ve 3p bandlarının elektronları Yarı dolu 3s bandı Tam dolu 3s bandı Tam dolu 3s bandı, kısmen dolu 3p bandı Örnek: Sodyum. 3s ve sp enerji bandları birbiri üzerine biner(atomlar arası denge mesafesinde). 3s bandının yarısı doludur. 3p bandı boştur.3s bandındaki elektronları 3p bandına hareket ettirmek için (elektron akışı için) çok az enerji gerektiğinden sodyum iyi bir iletkendir. Örnek: Mağnezyum, 3s bandı dolu, ancak 3s bandı 3p bandına binmiş.3p bandı boş. Dolu 3s kuşağına rağmen Mg iyi bir iletkendir. Elektronlar kolaylıkla 3p bandına geçerek elektriği iletirler. Örnek: Alüminyum,3s bandı dolu, ancak 3s bandı 3p bandına binmiş. 3p bandı kısmen dolu.kısmen dolu 3p bandı tam dolu 3s bandına bindiğinden Al iyi bir iletkendir.
Yalıtkanlık Yalıtkanlar, iletkenlik seviyeleri çok düşük olan malzemelerdir. İletkenlikleri 10-10 10-16 -1 m -1 seviyelerindedir. Enerji aralığı 2 ev un üzerindedir. Yük taşıyıcı olarak elektron yoğunluğu (n e ) çok düşüktür. Bu nedenle genelde çok küçük seviyelerde olan iletim sıcaklık nedeniyle değil, iyonik katışkılar sebebiyle olur. Endüstride seramiklerin %80 ni elektronik endüstrisinde kullanılır. %20 si yapısal uygulamalarda kullanılır.
Yalıtkanlar-Kapasitörler Kapasitörler yüksek yalıtkanlık seviyelerine sahip dielektrik malzemeler kullanılarak üretilir. Yüksek E, Elektrik alan etkisinde dipoller elektrotlar üzerinde birikir. D. E.. E o D: Yük yoğunluğu: C/m 2 : elektrik geçirgenlik: C / (V.m) o: vakumun elektrik geçirgenliği:8.854x10-12 C / (V.m) Elektriksel dipol, atomsal veya moleküler seviyede artı ve eksi elektrik yük merkezlerinin birbirinden ayrılması anlamına gelir.
*Transduser: Elektrik enerjisini mekanik birim şekil değişimine (veya tersi) çeviren cihazlara verilen isimdir. Piezoelektriklilik (Basınç elektriklenmesi) polarizasyon ve buna bağlı elektrik alanı Kalıcı veya etkiyle oluşmuş dipollerin uygulanan elektrik alanının etkisiyle yönlenmesine polarizasyon adı verilir. Transduser*adı verilen cihazların yapımında kullanılırlar.