Bir iletken katı malzemenin en önemli elektriksel özelliklerinden birisi, elektrik akımını kolaylıkla iletmesidir. Ohm kanunu, akım I- veya yükün geçiş hızının, uygulanan voltaj V ile aşağıdaki şekilde ilişkilidir:
Elektriksel öz direnç ρ ise numune geometrisinden bağımsızdır ve aşağıda ifade edildiği gibi R ile ilişkilidir:
Bir malzemenin elektriksel özelliklerini belirtmek için, elektrik iletkenliği σ kullanılır. Bu basit olarak öz direncin tersidir;
Metaller iyi bir iletkendir, tipik olarak 10 7 (Ω. m) 1 mertebesinde elektrik iletkenliğine sahiptirler. Diğerleri ise 10 10 ile 10 20 (Ω. m) 1 arasında değişen çok düşük elektrik iletkenliğine sahip malzemelerdir; bunlar, elektriksel açıdan yalıtkan kabul edilir. Orta seviyede iletkenliğe sahip olanlar, genellikle 10 6 ile 10 4 (Ω. m) 1 arasında bir değere sahiptir ve yarı iletken olarak adlandırılır.
Pozitif yüklü parçacıklar alan doğrultusunda, negatif yüklü partiküller ise ters yönde ivmelenirler. Çoğu katı malzemelerde, akım elektronların akışından kaynaklanır ve bu elektronik iletkenlik olarak adlandırılır. Diğer taraftan, iyonik malzemelerde akım, yüklü iyonların hareketiyle oluşur ve bu iyonik iletkenlik olarak adlandırılır.
Atomlararası mesafenin nispeten büyük olduğu durumlarda, her bir atom diğerlerinden bağımsızdır ve izole bir atomda olduğu gibi, atomik enerji seviyeleri ve dizilişine sahiptir. Ancak atomların bir başka atoma çok yaklaşması durumunda, komşu atomun elektronları ve çekirdeği tarafından etkilenir. Bu etkiyle, katıda her bir atom konumu, birbirlerine çok kısa mesafeli bir seri elektron konumlarına ayrılır ve oluşan bu konumlara elektron enerji bandı denir.
Fermi enerjisi 0K de dolu olan mevcut elektron enerji seviyelerinin en yüksek konumuna karşılık gelir ve E f ile gösterilir. Bu enerji bant yapısı, özellikle bir tek s valans elektronuna sahip olan bazı metallerde (örneğin bakır) belirgindir.
Son iki bant yapısı birbirine benzerdir. Burada boş bir iletim bandı ile elektronlar tarafından tamemen dolu olan bir valans bandı, enerji bant aralığı ile ayrılmıştır. Çok saf malzemelerde, bu enerji aralığında elektronlar bulunmaz. İki bant yapısı arasında bu fark, enerji bant aralığının büyüklüğünden kaynaklanır ve yalıtkan olan çoğu malzemeler için bu enerji aralığı nispeten daha geniştir (Şekil 18.4c), yarı iletkenlerde ise dardır (Şekil 18.4d).
İletkenliği sağlayan elektronlar, serbest elektron olarak tanımlanır. Yarı iletken ve yalıtkanlarda boşlukta bir elektrik yüküne sahiptir. Boşlukların enerjileri E f den daha az olmasına karşın, iletime katkıda bulunurlar. Sonraki kısımlarda da belirtildiği gibi, elektrik iletkenliği serbest elektron ve boşluk sayısının doğrudan bir fonksiyonudur.
Elektrondaki saçılma olayı, geçen elektrik akımına gösterilen direnç olarak ifade edilebilir. Bu saçılmanın boyutunu tanımlamak için, birkaç parametre kullanılır. Bunlar elektronun sürüklenme hızı ve elektronun hareketliliğidir.
Burada ρ t, ρ i, ρ d sırasıyla ısıl, empürite ve deformasyonun neden olduğu öz direnci göstermektedir. Denklem 18.9, Matthiessen kuralı olarak bilinir.
Şekil 18,8
Plastik deformasyon da elektronların saçılmasına neden olduğu için, dislokasyon sayısındaki artış elektrik öz direncini arttırır. Deformasyonun öz direnç üzerine olan etkisi Şekil 18.8 de gösterilmiştir. Ancak grafikten de anlaşılacağı üzere, deformasyonun etkisi, sıcaklık veya empüriteye göre çok azdır.
Bakır elektriksel ve diğer özellikleri nedeniyle en çok kullanılan metalik iletkendir. Gümüş hem bakırdan hem de alüminyumdan daha yüksek iletkenliğe sahip olmasına rağmen, ekonomik olmadığı için kullanımı alanı sınırlıdır.
Has yarı iletkenlerin elektriksel davranışı, üretildiği saf malzemenin elektronik yapısıyla yakından ilişkilidir. Elektriksel özellikleri empürite atom tarafından sağlandığı yarı iletkene katkılı yarı iletken denir.
Has yarı iletkenler, Şekil 18.4d de gösterildiği gibi, elektron bant yapısıyla tanımlanır: 0 K de tamamen dolu olan valans bandı, nispeten dar ve 2 ev tan daha az enerjiye sahip bir yasak bant aralığı ile tamamen boş olan iletim bandından ayrılmıştır. Yarı iletken olan silisyum (Si) ve germanyum (Ge) elementlerinin yasak bant enerji aralığı yaklaşık 1,1 ve 0,7eV değerlerine sahiptir.
Şekil 18.6b
Oda sıcaklığında, mevcut ısıl enerji donor konumlarındaki çok sayıdaki elektronları uyarmak için yeterlidir; ayrıca, Şekil 18.6b de görüldüğü gibi, bazı has valansiletim bandı geçişi de meydana gelebilir, ancak bunlar ihmal edilebilecek derecede azdır.
Alıcı konum: Yarı iletkenlerde veya yalıtkanlarda valans bandın hemen üstünde ve yasak bandın alt kısmında yer alan, valans bandından elektron transferinin mümkün olduğu enerji seviyesi. Bu alıcı enerji seviyesi normalde malzemeye ilave edilen empürite atomlarıyla oluşturulur.
Katkılı yarı iletkenler (gerek n-tipi, gerekse p- tipi) oldukça yüksek oranda saf, yaygın olarak toplam empürite miktarı at. % 10-7 mertebelerindeki malzemelerden üretilir. Bu malzemelere çeşitli teknikler kullanılarak kontrollü bir şekilde donor (verici) veya alıcı ilave edilir. Yarı iletken malzemelerdeki bu alaşımlandırma işlemine doping (katkılama) denir.
Bazı durumlarda malzemedeki etkin yük taşıyıcı tipinin, konsantrasyonunun ve hareketliliğinin belirlenmesi istenir. Ancak bunun basit elektrik iletkenlik ölçümleriyle belirlenmesi mümkün değildir. Bunun için Hall etkisi deneyinden yararlanılabilir. Hall etkisi, yüklü bir parçacığa dik yönde etkiyen bir manyetik alan, parçacığın hem hareket yönüne hem de manyetik alana dik doğrultuda bir kuvvet uygular.
Ayrıca Denklem 18.8 den elektron hareketliliği μ e veya Denklem 18.19 kullanılarak,
Belirli elektronik fonksiyonlara sahip cihazlarda, özgün elektriksel özelliklere sahip yarı iletkenler kullanılır. Eski model vakum tüplerinin yerini alan diyotlar ve transistörler verilebilecek örnekler arasındadır.
Bir elekronik cihaz olan doğrultucu veya diyot, akımın sadece bir yönde akmasını sağlar. Örneğin, bir doğrultucu, alternatif akımı doğru akıma çevirir. p-n çifti yarı iletkenler icad edilmeden önce, doğrultma işlemi vakum tüp diyotları kullanılarak sağlanırdı. Bu p-n doğrultma birleşimi, bir tarafı n-tipi diğer tarafı p-tipi olacak şekilde katkılandırılmıştır tek parçalı bir yarı iletkenden üretilmiştir (Şekil 18.21a).
Bir pilin pozitif p-n numunesinin p-tarafına ve negatif uç n-tarafına bağlandığında, buna ileri ön gerilim (kutuplama), tersi kutuplama (eksi p ye ve pozitif n) durumuna ise ters ön gerilim (kutuplama) denir.
Bugünün mikroelektronik devreleri için oldukça önemli olan yarı iletkenlerden meydana gelen transistörler iki temel fonksiyona sahiptir: Birincisi, daha önceleri vakum tüplerinin yaptığı elektrik işaretlerini kuvvetlendirme işidir. Ayrıca, bilgisayarlarda bilgi işleme ve depolama için anahtarlama görevi gören bir cihazdır. Birleşmeli transistör ve metal-oksit yarı iletken alan etkili transistör (kısaca MOSFET: Metaloxidesemiconductor- field-effect transistor) olmak üzere iki temel türü vardır.
Bilgisayara ait sayı ve fonksiyonlar ikili koda (yani sayılar esas olarak 2 olarak yazılmakta) göre ifade edilir. Bu çerçevede, sayılar iki duruma ait seriler şeklinde, 0 ve 1 olarak gösterilir. Bir dijital devrede transistorler ve diyotlar anahtar olarak çalışır ve açma iletken olmama, kapama iletken olma, şeklinde iki durum söz konusudur. Burada açma ve kapama ikili sayı sisteminde bir sayıya karşılık gelir. Böylece, bir tek sayı uygun şekilde anahtarlanmış transistörler içeren bir dizi devre elemanlarıyla gösterilebilir.
Hafıza kartı yarı iletken cihazların kullanıldığı hızla gelişen bir bilgi depolama teknolojisidir. Hafıza kartı, bilgisayarlardaki depolamada olduğu gibi, elektronik olarak programlanabilir ve silinebilir. Ancak, bilgisayardaki depolamanın aksine, hafıza kartı teknolojisi kalıcıdır, yani depolanan bilgiyi saklamak için elektrik gücüne ihtiyaç duymazlar.
Günümüzdeki birçok ülkede nüfusunun büyük bir kısmı kişisel bilgisayarları rahatlıkla satın alabilir hale gelmiştir. Ayrıca, entegre devrelerin kullanımı hayatımızın bir çok alanına hesap makineleri, iletişim, kol saatleri, endüstriyel üretim kontrol ve elektronik endüstrisinin tüm safhalarına girmiştir.
Sentezlenen polimer malzemelerin elektrik iletkenliği, metal iletkenlerinkiyle aynı seviyede olabilir, bunlar iletken polimerler olarak adlandırılır. Bu malzemelerin iletkenlik değeri 1,5 10 7 (Ω m) -1 olup hacim bazında bu değer bakırın iletkenliğinin 4 te birine, ağırlık bazında ise iki katına karşılık gelir.
Metalik olmayan ve elektriksel olarak yalıtkan davranan malzemelere dielektrik malzeme denir. Bu malzemelere elektrik alan uygulanması durumunda, elektirk dipol yapısını kazanırlar.
Kapasitörün üzerine bir voltaj uygulandığında, pozitif kutuptan negatif kutba oluşan elektrik alanın etkisiyle levhanın (plaka) birisi pozitif, diğeri negatif olarak şarj olur. Bu kapasitans C, her bir levha üzerinde depolanan Q yükü ile şeklinde ilişkilidir.
Levhaları arasında vakum bulunan paralel bir kapasitör ele alalım (Şekil 18.28a). Burada kapasitans değeri aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanabilir: A levha alanını ve l levhalar arası mesafeyi gösterir. ϵ 0 parametresi vakuma ait geçirgenlik olarak adlandırılan üniversal bir sabit olup 8,85 10 12 F/m değerine sahiptir.
Levhalar arasına bir dielektrik malzeme konulması durumunda (Şekil 18.28b), kapasitansa ait denklem aşağıdaki gibi yazılabilir: Burada ϵ dielektrik ortamın geçirgenliği olup, ϵ 0 değerinden büyüktür. Bağıl geçirgenlik r genellikle dielektrik sabit olarak adlandırılır.
Kapasitans olayını en iyi açıklayan belkide alan vektörü yardımıyla yapılan yaklaşımdır. Başlangıçta, Şekil 18.29 da gösterildiği gibi, her bir elektrik dipolünün pozitif ve negatif elektrik yükleri arasında bir mesafe mevcuttur. Bir elektrik dipol momenti p her bir dipol ile aşağıdaki gibi ilişkilidir:
Vektörel büyüklük olan elektrik alanın etkimesi sonucunda oluşan bir kuvvet (dolayısıyla bir moment) elektrik dipolünü, Şekil 18.30 da gösterildiği gibi, uygulanan alan doğrultusunda yönlendirir. Bu şekilde dipollerin düzenlenmesi olayına polarizasyon denir.
Bazen D dielektrik ötelenme olarak da isimlendirilir.
Elektronik polarizasyon, bütün atomlarda farklı mertebelerde meydana gelebilir ve uygulanan elektrik alan vasıtasıyla atomdaki negatif yüklü elektron bulutunun pozitif çekirdeğe göre ötelenmesi sonucu ortaya çıkar (Şekil 18.32a).
İyonik polarizasyon, sadece iyonik malzemelerde meydana gelir. Uygulanan bir elektrik alan, katyonları bir yöne, anyonları ise tersi yöne öteler ve bu şekilde net bir dipol momenti oluşumuna neden olur. Bu olay Şekil 18.32b de gösterilmiştir.
Üçüncü tür olan yönsel polarizasyon, sadece kalıcı dipol momentine sahip maddelerde bulunur. Polarizasyon Şekil 18.32c den anlaşılacağı üzere, kalıcı momentlerin uygulanan alan doğrultusunda dönmesi sonucu meydana gelir.
Bir ac elektrik alanı ile polarize edilen bir dielektrik malzemeyi ele alalım. Her bir yön değişiminde, Şekil 18.33 te gösterildiği gibi, dipoller uygulanan alan ile yeniden yönlenme eğilimine girer. Bu yönlenme belirli bir zaman alır. Her bir polarizasyon türü için, dipollerin düzenlenme kabiliyetine bağlı olarak değişen bir minimum yönlenme (yeniden) süresi vardır. Burada gevşeme frekansı minimum yönlenme süresinin tersi olarak alınır.
Delinime neden olan gerekli elektrik alanın büyüklüğü dielektrik dayanım, bazen de delinim dayanımı olarak adlandırılır. Tablo 18.5 te çeşitli dielektrik malzemelerin dielektrik dayanım değerleri verilmiştir.
Seramik ve polimer malzemelerin bazıları yalıtkan ve/veya kapasitör olarak kullanılabilir. Çoğu seramikler, cam, porselen, steatit ve mikanın dielektrik sabiti 6 ile 10 arasında değişir. Seramikler daha büyük dipol momentine sahip oldukları için, seramik malzemelerin dielektrik sabiti değerleri çoğu polimerlerinkinden yüksektir.
Ferroelektrik olarak adlandırılan dielektrik malzeme grubu, doğal olarak (kendiliğinden) polarize olur, yani herhangi bir elektrik alan uygulanmasına gerek duyulmaksızın malzemenin polarizasyonu söz konusudur. Bunlar dielektrik malzemeler olup, ferromanyetik malzemelere benzerdir ve kalıcı manyetik davranış gösterirler.
Piezoelektrik malzemeler dönüştürücülerde (transdüser) kullanılır. Bu cihazlar, elektrik enerjisini mekanik enerjiye veya tersine mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Piezoelektriklerin bilinen diğer uygulamaları, ses kayıt kartuşları, mikrofonlar, alarmlar ve ultrasonik görüntüleme sistemleridir.