ELEKTRONİK DEVRE ELEMANLARI Transistör 20. yüzyılın en büyük buluşlarından biri olduğu düşülmektedir. İnsanlığın aya gitmesi, giderek daha küçük ve daha etkili bilgisyarların yapılması, kulak içi işitme cihazları, günümüz dünyasında transistör içeren örneklerden bazılarıdır. Transistörlü radyo, transistör içeren bir yapının ilk ticari başarısıdır. Günümüzde transistör, entegre devrelerin yapısında hayati rol oynamakta işlemcilerin kaç milyon transistör içerdiğinden bahsedilmektedir. Kimileri transistörü bilgi çağının sinir hücresi olarak tanımlamaktadır. Transistör bu kadar büyük öneme sahip olmasına rağmen ne olduğunu ya da nasıl çalıştığını bilen insan sayısı çok azdır. ELEKTRONİK DEVRE ELEMANLARI İletken, Yalıtkan ve Yarı İletken Maddeler Yeryüzündeki bütün maddeler, atomlardan oluşmuştur. Atom ise ortada bir çekirdek ve bunun etrafındaki değişik yörüngelerde hareket eden elektronlardan oluşmaktadır. Elektronlar, negatif elektrik yüküne sahiptir. Bir etkime yolu ile atomdan ayrılan elektronların bir devre içerisindeki hareketi, elektrik akımını oluşturur. Elektronların her madde içerisindeki hareketi aynı değildir. 1
Yalıtkan, yarı iletken, iletken enerji bantları Elektron hareketine göre maddeler üçe ayrılır: İletkenler, yalıtkanlar ve yarı iletkenler. Resimde bu maddelerin enerji bantları görülmektedir. İletkenliğin sağlanması için bu enerji bandının aşılması gerekmektedir. İletkenlerin başlıca özellikleri: Elektrik akımını iyi iletir. Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı, ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılır. Dış yörüngedeki elektronlara valans elektron denir. Metaller, bazı sıvı ve gazlar iletken olarak kullanılır. Metaller, sıvı ve gazlara göre daha iyi iletkendir. Metaller de iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara ayrılır. Atomları 1 valans elektronlu olan metaller, iyi iletkendir. Buna örnek olarak altın, gümüş, bakır gösterilebilir. Bakır tam saf olarak elde edilmediğinden altın ve gümüşe göre biraz daha kötü iletken olmasına rağmen, ucuz ve bol olduğundan en çok kullanılan metaldir. Atomlarında 2 ve 3 valans elektronu olan demir (2 dış elektronlu) ve alüminyum (3 dış elektronlu) iyi birer iletken olmamasına ve bakıra karşı daha az mukavemetli olmasına rağmen ucuz ve bol olduğu için tercih edilmiştir. 2
Yalıtkanların başlıca özelikleri: Elektrik akımını iletmeyen maddelerdir. Bunlara örnek olarak cam, mika, kâğıt, kauçuk, lastik ve plastik maddeler gösterilebilir. Elektronları atomlarına sıkı olarak bağlıdır. Bu maddelerin dış yörüngedeki elektron sayıları 8 ve 8 'e yakın sayıda olduğundan atomdan uzaklaştırılmaları zor olmaktadır. Yarı İletken maddelerin özellikleri: İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alır. Normal hâlde yalıtkandır. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hâle geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır. Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına döner. Tabiatta basit eleman hâlinde bulunduğu gibi laboratuvarda bileşik eleman hâlinde de elde edilir. Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptir. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. Bu tür yarı iletkenler, yukarıda belirtildiği gibi ısı, ışık, etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli oranda iletken hâle geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleri artırılmaktadır. 3
Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri Elektroniğin iki temel elemanı olan diyot ve transistörlerin üretiminde kullanılan germanyum (Ge) ve silikon (Si) yarı iletkenleri gelecek bölümde daha geniş olarak incelenecektir. Elektroniğin iki temel elemanı olan diyot ve transistörlerin üretiminde kullanılan germanyum (Ge) ve silikon (Si) yarı iletkenleri gelecek bölümde daha geniş olarak incelenecektir. Yarı iletken maddelerin periyodik Tablodaki yeri Günümüzde yarı iletken maddeler adına tarihsel açıdan önce germanyum daha sonra da silisyum gelmektedir. Silisyum artık neredeyse tek kullanılan madde halini almıştır. Bunun nedeni hem doğada çok bulunması hem de germanyum kullanılan durumlara göre daha yüksek sıcaklıklara dayanıklı diyot ve transistör yapılabilmesini sağlamaktadır. 4
Silisyum Silisyum gri renkli ve kristal yapıya sahip bir elementtir. Silisyum dünya üzerinde oksijen bileşiklerinden sonra en çok rastlanan elementtir. Doğada oksijenle birlikte kuartz, kayalarda ve kum şeklinde karşımıza çıkmaktadır. Silisyumun yarı iletken olarak kullanılabilmesi için çok saf halde bulunması gerekmektedir. Germanyum Yarı iletken tarihine bakıldığında germanyum transistör yapımında daha çok kullanılmakla beraber günümüzde kullanımı iyice azalmıştır. Transistör içerisinde kullanıldığında silisyuma göre yüksek sıcaklıklara çok dayanamamaktadır. 5
Silisyum ve germanyum atomu Katkı Yapılması Yarı iletken maddeler içlerine yapılan katkının ne olduğuna bağlı olarak elektriksel özelliklerini iletkenlik düzeyini değiştirmektedir. 6
N tipi Katkı Maddeleri: Kullanacağımız yarı iletkenin N tipi olmasını istediğimizde periyodik tabloda belirtilen sütundan seçim yapılmaktadır. Böylelikle kristal yapı içerisinde elektron fazlalığı sağlanmış olur. Elektron Fazlasının Oluşması: (N tipi Yarı iletken) Arsenik maddesinin atomlarının valans yörüngelerinde 5 adet elektron bulunur. Silisyum ile arsenik maddeleri birleştrildiğinde arsenik ile silisyum atomlarının kurdukları kovalent bağdan arsenik atomunun 1 elektronu açıkta kalır. Yandaki resimde açıkta kalan elektronu görebilirsiniz. Bu sayede birleşimde milyonlarca elektron serbest kalmış olur. Bu da birleşime negatif madde özelliği kazandırır. N tipi madde bir gerilim kaynağına bağlandığında üzerindeki serbest elektronlar kaynağın negatif kutbundan itilip pozitif kutbundan çekilirler ve gerilim kaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna doğru bir elektron akışı başlar. 7
P tipi Katkı Maddeleri Bir diğer katkı katkı maddesinin periyodik tablodaki yeri yandaki resimde görülmektedir. Bu katkı türü yarı iletken yapı içerisinde oyuk oluşmasını sağlamaktadır (yani elektron eksikliği). Oyuk Oluşması (P Tipi yarıiletken) Bor maddesinin de valans yörüngesinde 3 adet elektron bulunmaktadır. Silisyum maddesine bor maddesi enjekte edildiğinde atomların kurduğu kovalent bağlardan bir elektronluk eksiklik kalır. Bu eksikliğe oyuk adı verilir. Bu elektron eksikliği, karışıma pozitif madde özelliği kazandırır. P tipi maddeye bir gerilim kaynağı bağlandığında kaynağın negatif kutbundaki elektronlar p tipi maddeki oyukları doldurarak kaynağın pozitif kutbuna doğru ilerler. Elektronlar pozitif kutba doğru ilerlerken oyuklarda elektronlerın ters yönünde hareket etmiş olur. Bu kaynağın pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru bir oyuk hareketi sağlar. 8
P-N Yüzey Birleşmesi P tipi ve N tipi yarı iletkenler kullanılarak şekildeki gibi P-N yüzey birleşmesi sağlandığın da diyot adı verilen ve akımı tek yönde geçiren bir yapı yaratılmış olur. Diyot: Bir diyotu elektrik devresine şekildeki gibi yerleştirildiğinde devredeki lamba yanmayacak tır. Bunun nedeni devrede bir güç kaynağının olmaması ve devrede akım oluşmamakta dır. 9
Diyotun ters bağlanması (Ters Kutuplandırma) Devreye bir üreteci şekildeki gibi ters bağladığımızda yarı iletken maddeler özellik değiştirerek elektron akışına engel olacak bir yapıya dönüşür. Bu da devrede akım oluşmamasına neden olur. Diyotun Doğru Bağlanması (Doğru Kutuplandırma) Biz üreteci devreye şekildeki gibi bağladığımızda elektron fazlalığı olan N-tipi madde ile oyuk fazlalığı olan P-tipi maddenin yapısı şekildeki gibi değişir. Bu da yakına gelen elektron ve oyuk yapısında elektronların oyuklarla etkileşmesine ve devrede akım oluşmasını sağlar. 10
Diyot Sembolu Önceki resimlerde ters ve düz bağlanan diyotun akımı tek yönde geçirdiğini gördük. Bu yaklaşımda bize elektrik akımını tek yönde geçiren diyot için yandaki sembolün kullanılması olanağını verir. Ok akımın hangi yönde geçeceğini bizlere söylemekte dir. Diyot günümüzde hala kullanılmaktadır (örneğin alternatif akımın doğru akıma dönüştürülmesi). Foto Diyotlar Üzerine ışık düştüğünde iletken olarak katot ucundan anot ucuna doğru akım geçiren elemanlardır. Foto diyotlar doğrultmaç diyotlarına benzer. Tek fark Resimde görüldüğü gibi foto diyotların birleşim yüzeyinin aydınlatılabiliyor olmasıdır. Bu elemanlar devreye ters bağlanır ve ışık ile ters yöndeki sızıntı akımlarının artması suretiyle kontrol yapar. Bu kontrol, ışıkla yarı iletkenin kristal yapısındaki bağların bazı noktalarında kopması sonucu elektron ve oyukların hareketiy le doğan akım ile çoğalmasıyla olur. 11
Işık Yayan Diyotlar (LED) Işık yayan flamansız yarı iletken (diyot) lambalara LED (light emitting diode, ışık yayan diyod, solid state lamp) denir. Bu elemanlar çeşitli boyutlarda (1-1,9-2-2,1-3-5-10 mm vb.) üretilir. 2-20 ma gibi çok az bir akımla çalıştıkların dan ve sarsıntılara dayanık lı olduk larından her türlü elektronik devrede karşımıza çıkar. Işık, bir yarı iletkende, P tipi madde içine enjekte edilen bir elektronun oyukla birleşmesi ya da N tipi madde içine enjekte edilen bir oyuğun elektronla birleşmesi sonucunda oluşur. Bu olaydaki temel esas, elektronların enerji kaybının ışıma olarak ortaya çıkmasıdır Foto Direnç (LDR) Foto direnç (LDR), üzerine düşen ışığın şiddetine göre direni değişen devre elemanıdır. LDR ye ışık gelmediği durumda direnci çok yüksek olur. Üzerinden akım geçmez. Üzerine ışık düşünce direnci hızla azalır ve akım geçirmeye başlar. Işığın şiddeti LDR nin direncini belirler. Işık ne kadar şiddetli ise direnç o kadar düşer. 12
İlk Transistör 1940 yılların bitimine doğru Shockley, Bardeen ve Brattain adındaki amerikalı bilim insan ları Bell laboratuvarında ilk transistörün geliştirildiği habe rini dünyaya açıklanmıştır. Transistör sözcüğü transfer ve resistör sözcülerinin bir araya gelmesiyle oluşmuştur. Transistör yardımıyla elektrik sinyallerinin güçlendirilmesi veya anahtar olarak kullanılması sağlanmaktadır. İlk transistör nokta temaslı transistör adıyla anılmaktadır. Nokta Temaslı Transistör İlk nokta temaslı transistör germanyum kristali kullanılarak elde edilmiştir. Çalışmanın başlarında temas noktalarını birbirine yakın olacak şekilde yapılandırmak zor olmuştur. Çözüm olarak inceltilebilen altının kullanımı olmuştur. 13
Yandaki şekilde transistörün çalışma şeklini daha iyi anlamamız açısından iki devre içerdiğini söylemeliyiz. Solda ve sağda ayrı ayrı devreler bulunmaktadır. Bu iki devrenin davranışı diyotun davranışına benzerdir. 14
Sağ taraftaki devre üretecinde şekildeki gibi bağlanmasıyla elektronların ve oyukların şekildeki gibi dizilmesine ve lambanın yanmamasına neden olmaktadır. Aynı ters kutuplandırılmış diyot gibi Soldaki devrede ise üreteç düz bağlanmış ve lambanın yanması sağlanmıştır. Düzgün kutuplandırılmış diyot gibi 15
Bu iki devre bir araya getiri lirse nokta temaslı transistör devresi elde edilmiş olur. İki lamba da yanmakta dır. Bunun nedeni olarak solda ki düz kutuplandırılmış devre yeterli sayıda oyuğu sağ taraf taki devrenin hizmetine sunması dır. Böylelikle transistör yardımıyla sol taraftaki devrenin yardımıyla sağ taraftaki devrenin kontrol edilmesi sağlanmıştır. Transistörün üç elektrodu değişik isimler alır. Germanyum kristalinin altındaki kısıma Base, sol tarafta altın kısım bağlantısına Emitter, sağ taraftaki altın kısıma da Collector adı verilir. Nokta Temaslı Transistör Sembolü: Aynı diyotta olduğu gibi nokta temaslı transistöründe sembolik olarak gösterimi vardır. Gerçek devre ile sembolik gösterim birbirine benzemektedir. Burada Emitter ucunun hep okla ifade edildiğine dikkat çekilmelidir. 16
Transistörün Yükselteç olarak kullanılması: Yükselteç olarak kullanım adından da anlaşılacağı gibi elektrik sinyalinin güçlendiril mesi anlamındadır. Örnek olarak ses verilebilir. Ses mikrofon sayesinde devreye girip transistör yardımıyla güçlendirilip hoparlörden daha şiddetli olarak çıkmıştır. 17
Transistörün anahtarlama elemanı olarak kullanılma sı Bu görevde transistör açma kapama anahtarı olarak kullanılmaktadır. Bir devre ile diğer devrenin kapatılması sağlanabilmektedir. Avantajı ise kıpırdayan parçaları olmadığı için kırılması veya bozulması da pek mümkün değildir. Daha hızlıdır. Transistör nasıl çalışır? İster bir anahtar, ister bir yükseltici, isterse de bir üreteç işlevi görsün, bütün transistörler elektrik direncinin değişmesine dayalı olarak çalışır. Transistörün collector (toplayıcı), base (taban) ve emiter (yayıcı) olarak üç bağlantısı (katmanı) vardır. Base akımı olamadığında collector ile emiter arasındaki direnç o kadar yüksektir ki bu iki bağlantı arasında hemen hemen hiçbir akım geçemez. Ama base bağlantısında küçük bir akım aktarıldığında collector ile emiter arasındaki dirençte çok büyük azalma olur. Dolayısıyla emiter ile collector arasından akım geçebilir. Böylece transistör küçük bir akımın yardımıyla büyük bir akımı denetleyebilir. Transistör bir anahtar olarak kullanıldığı zaman, base bağlantısına küçük bir akım verildiğinde güçlü bir elektrik akımının devresini tamamlamasına izin verir. Bir yükseltici olarak kullanıldığı zaman zayıf bir sinyali güçlendirir. Zayıf sinyal küçük bir elektrik akımı biçiminde base'e uygulanır. Bu, collector'den emiter'e büyük bir akımın geçmesine izin verir. Böylece güçlü bir sinyal üretilmiş olur. 18
Bilgisayarlar: Transistörlerin anahtarlama özellikleri bilgisayarlarda herşeyin ikilik düzende yani 0 veya 1 şeklinde düzen almasını sağlar. Günümüzde milyonlarca transistörün aynı yerde anahtarlama işlemi yaptığı entegre devreler bulunmaktadır (intel i7). Entegre Devre: Entegre devre tek parça yarı iletken devre elemanıdır. Transistörlerden başka elektronik devre elemanları da içerir. Entegre devreyi bulan ve 2000 yılında Nobel alan Kilby ve Noyce dur. 19
Küçük Transistörler: Günümüzde teknoloji transistörlerin içinde bulunduğu entegre devreleri giderek küçültmekte veya aynı büyüklükteki entegre devre içerisine daha fazla transistör yerleştirmektedir. Şekilde saç teli ile transistör büyüklük olarak karşılaştırılmaktadır. Yarım Dalga Doğrultucu: 20
Tam Dalga Doğrultucu: 21