Katkılı Yarı İletkenler Katkı maddesi eklenerek oluşturulan iki temel yarı iletkenler N-tipi ve P-tipi yarıiletken malzemelerdir. Elektronik devre elemanlarının üretiminde yaygın olarak kullanılır. Si ve Ge un iletkenliği kontrollü olarak arttırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak arttırmak için saf yarı iletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu işleme doping denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya boşluk) sayısının arttırılması malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direncini arttırır. Her iki doping olayı sonucunda N-tipi ve P-tipi yarı iletken malzeme oluşur.
N ve P Malzemelerinin Elde Edilişi: P ve N malzemelerinin temelinde monokristal yapıdaki (4A grubundaki Si ve Ge gibi elementler kendi aralarında oldukça kararlı bağ yaparlar. Her atom kararlılığa ulaşmak yani 8A grubu elementlerine benzemek için 4 adet kovalent bağ yapar. Bu sayede düzenli bir bağ sistemi kurulur. Bu yapıya monokristal yapı denir) yarı iletkenler vardır. Bu yarı iletkenlere gerekli tekniklerle başka maddeler katılır ve katılan maddeye göre P ve N tipi madde elde edilir.
Katkılı yarı iletkenler çok seyreltik yer alan katı çözeltilerdir ve çözünen katkı atomları çözen atom kafesinden farklı değerliğe sahiptir. Bu yarı iletkenlere katılan katkı atomlarının derişimi çoğunlukla 100-1000 parça/milyon (ppm) arasındadır. Katkılı yarı iletkenler n-türü ya da p-türü olarak iki türdür. n-türü (eksi) yarı iletkenlerin çoğunluk taşıyıcıları elektronlardır. P, As ve Sb gibi grup VA grubu katkı atomları Si ya da Ge a katıldığında elektrik iletimi için kolaylıkla iyonlaşan elektron verirler. Bu atomlar verici katkı atomları olarak bilinir. Bor gibi üç değerlikli bir III A grubu elementi Si un dörtyüzlü bağının kafesine yer alan olarak girecek olursa bağ yörüngelerinden birisi eksi olacak ve silisyumun bağ yapısında bir delik meydana gelecektir. p-türü (artı) yarı iletkenlerde delikler (yerinde olmayan elektronlar) çoğunluk taşıyıcılarıdır. Yeterli enerjiye sahip bir diğer elektron bu boşluğa hareket edecektir. Video 5
N Tipi Yarı İletken Arsenik maddesinin atomlarının valans yörüngelerinde 5 adet elektron bulunur. Silisyum ile arsenik maddeleri birleştirildiğinde, arsenik ile silisyum atomlarının kurdukları kovalent bağdan arsenik atomunun 1 elektronu açıkta kalır. 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. 6
8
N-tipi malzeme elde edilişi: N tipi malzeme için monokristal yapıdaki malzemeye 5A grubu elementler katılır. 5A grubu elementlerin 5 tane valans elektronu vardır. 4 elektron etraftaki silisyum veya germanyum atomuyla bağ yapar. Fakat 5. elektron sanki boştaymış gibi 5A grubu elementinin yörüngesinde kalır. Bu sayede N tipi malzemenin içinde çok kolay şekilde serbest hale geçebilecek elektronlar bulunur. Elektron fazlalığından dolayı negatif yüke sahip olduğundan N tipi adı verilmiştir. Şekilde 5A grubu elementi olan arseniğin germanyuma katılmış hali görülmektedir.
Soru 1: n tipi bir yarıiletkende, Si da 1.000.000 atomda bir atom, Sb atomu ile yer değiştirdiğinde her cm 3 de katkılı yük taşıyıcı sayısını hesaplayınız. Yorulma (tükenme) bölgesinde yarıiletkenin iletkenliğini belirleyiniz? a= 5.4307.10-10 m, Elmas kübik yapı, hareketlilik 0.19, q=1.6.10-19 C Soru 2: Si un tükenme bölgesinde 10.10 3 (ohm.m) -1 bir iletkenlik sağlamak için kaç tane taşıyıcı gerekmektedir? Kaç tane Sb atomunun Si a ilavesi gerekebilir? Video
P tipi malzeme elde edilişi: P tipi malzeme de ise katılan elementler 3A grubu elementleridir. Bu elementler de 4A grubu elementleriyle bağ yaptıklarında 7 elektrona sahip olurlar. Yani sanki bir elektron boşlukları varmış gibi davranırlar. P tipi malzemelerde ise elektrik akımı yani elektronlar bu boşluklardan geçerler. Yani bir atomun boşluğuna elektron bağlanır sonra komşu atoma geçer ve böylece elektron akışı sağlanmış olur. Akım sanki boşluklardan geçiyormuş gibi görülür. Bu yüzden P tipi malzemelerde akımı boşluklar taşır denir. Bu tür malzemelerin elektronu eksik olduğundan pozitif özellik gösterilir. Şekilde P-tipi yarıiletken yapısı görülmektedir.
P Tipi Yarı İletken Bor maddesinin valans yörüngesinde 3 adet elektron bulunmaktadır. Si a B 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 maddedeki oyukları doldurarak kaynağın pozitif kutbuna doğru ilerlerler. Elektronlar pozitif kutba doğru ilerlerken oyuklarda elektronların ters yönünde hareket etmiş olurlar. Bu kaynağın pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru bir oyuk hareketi sağlar. 14
16
Soru: Bir sıcaklık aralığında 100 (ohm.cm) -1 iletkenlik sağlayan silisyum esaslı p-tipi yarı iletkeni tasarlayın ve gerekli saflık düzeyini yorumlayınız.
Soru: Bir Fe 3 O 4 -MgCr 2 O 4 katkılı yarıiletkenden üretilen termistör 1mm çapında ve 10mm uzunluğundadır. A. 27 C de 16 V devrede termistörde üretilen akımı ve b. 16V termistör devresinde 12.5 ma bir akım aktığında sıcaklığı hesaplayınız?
Soru: An n-type semiconductor is known to have an electron concentration of 4.9 x 10 19 m -3. If the electron drift velocity is 113 m/s in an electric field of 510 V/m, calculate the conductivity [in (Omega-m)^-1] of this material
Akımı hiç geçirmeyen madde var mıdır? Aslında elektrik akımını hiç geçirmeyen madde yoktur. Yalıtkan olarak bilinen maddeler "çok az" bir akım geçirirler. (İyi bir yalıtkan olarak kabul edilen polistirin'in 1 cm 3 'ünde 6,1.10 10 adet serbest elektron bulunur.) Fakat bu canlılar için zararlı değildir. Yalıtkana uygulanan gerilim arttıkça geçirdiği akım da artmaya başlar. Belli bir gerilim seviyesinden sonra yalıtkan tamamen iletken olur. Buna yalıtkanın delinmesi denir. Her yalıtkanın delinmesine yol açan gerilim değeri ayrıdır. Elektrik ve elektronik çalışmalarında kullanılan el takımlarının sap izoleleri incelenecek olursa, burada yalıtkanın dayanabileceği son (maksimum) gerilim değeri yazılıdır. Örneğin penselerin sap izolesinde 10.000 Volt. yazar. Bu, plastik yalıtkan 10.000 Volt'tan sonra iletken hale geçebilir anlamı taşır. 23
Yarıiletkenlerin kullanım alanları : - Sıcaklık ölçme - Işık şiddetini ölçme - Basınç ölçme - Işık yayıcı diyodlar - Doğrultucu diyodlar - Transistörler - Mikrochipler
Üretici şirketlerin yaygın olarak kullandığı bazı yarı iletken maddeler ve kullanım alanları: -Azot (N): N tipi yarı iletken oluşturmada. -Antimuan (Sb): N tipi yarı iletken oluşturmada. -Arsenik (Ar): N tipi yarı iletken oluşturmada. -Fosfor (P): N tipi yarı iletken oluşturmada. -Germanyum (Ge): Diyot, transistör, entegre vb. yapımında. -Silisyum (Si): Diyot, transistör, entegre vb. yapımında. -Bor (B): P tipi yarı iletken oluşturmada. -Galyum: P tipi yarı iletken oluşturmada. -İndiyum (In): P tipi yarı iletken oluşturmada. -Selenyum (Se): Diyot yapımında. -Bakıroksit (Cu 2 O): Diyot yapımında. 25
YARI İLETKEN DEVRE ELEMANLARI Elektronik sanayinin gelişmesinde en önemli pay yarı iletken kullanımından dolayıdır. Bilgisayarlarda bu uygulama ile, 1994 yılında geliştirilmiştir, 1 cm 2 lik ve 200 μm kalınlıkta bir yongaya Si esaslı yarı iletken elektrik devrelerin binlercesinin konulması bu işin temelini oluşturmuştur. Si gibi bir yarı iletkenden tek kristalde pn eklemleri oluşturularak çeşitli yarı iletken devre elemanları yapılabilir. Bu elemanlar p-türü ve n-türü malzemeler arasındaki sınırın özelliğinden yararlanmaktadır. Örneğin pn eklem diyotları ve npn transistorları bu tür eklemler kullanılarak üretilir. Bir pn eklem diyotu, bir katkısız Si tek kristali büyütülerek ve daha sonra bu kristali önce n-türü bir malzemeyle, ardından p-türü bir malzemeyle katkılayarak üretilebilir. Fakat, pn ekleminin daha yaygın bir üretim yöntemi, bir tür katkının (örneğin p türü) varolan bir n-türü malzemeye katı halde yayındırılması şeklindedir. Si ve Ge bugün elektronik sanayinde kullanılan eşsiz birer yarı iletkendir. 1990 lı yıllardan sonra inanılmaz bir atılım gerçekleştirilmiştir.
YARI İLETKEN MALZEMELERİN UYGULAMA ALANLARI Güneş Pilleri: Güneş pilleri, yarı-iletkenlerden yapılır. Yarı-iletken özellik gösteren birçok malzeme arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar; Si, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi malzemelerdir. Yarı-iletken malzemelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır.
Transistörler: Transistörler, küçük ve sağlamdır, bir flaman ısıtma devresine ihtiyacı yoktur, çalışma gerilimleri alışılmış gerilimler değildir, aksine küçük gerilimler ile çalışabilirler. Transistör genel olarak, bir yarıiletken kristalde bulunan yük taşıyıcı akımın kontrolü ile yükseltme etkisinin elde edildiği bir yarı iletken elemandır. Video
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: Metal-oxide semiconductorfield-effect transistor) olmak üzere iki temel türü vardır.
MOFSET: Metal-oxide semiconductor- field-effect transistor metal-oksit yarı iletken alan etkili transistör
Transistörler zayıf akımların kuvvetlendirilmesi amacı ile n-p-n veya p-n-p yarıiletken takımından oluşurlar. N tipi yayıcı (emitör), ortada p tipi taban ve n tipi sağda toplayıcıdan oluşurlar. GERİLİM UYGULANINCA Yayıcıdan e lar sınırı aşarak tabana geçer, taban çok ince (10 mikron) olduğundan e ların çoğu toplayıcıya atlar ve hızla (+) uca doğru ilerler ve Ic toplayıcı akımını oluşturur. Böylece zayıf bir kaynaktan gelen akım birkaç yüz kat arttırılmış olur. Bundan dolayı transistörler akım yükseltici olarak kullanılır. Video
BASİT BİR METAL OKSİT YARI İLETKEN TRANSİSTÖRÜN İMALAT SÜRECİ Polisilikon kapısı top nitrit Metal kaynak bağlantısı Kapı metal bağlantı Katkılı silikon metal bağlantı borusu Oksit alanı oksit kaynak Silikon yüzey geçit kanal oksit Oksit geçidi
LED (Işık Yayan Diyot) LED ler elektrik enerjisini ışığa dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır. LED in en önemli kısmı yarı iletken malzemeden oluşan ve ışık yayan LED çipidir. LED çipi noktasal bir ışık kaynağıdır ve kılıf içine yerleştirilmiş yansıtıcı eleman sayesinde ışığın belirli bir yöne doğru yayılması sağlanır. Şeffaf kılıflı bir LED e dikkatli bakılırsa LED çipi gözle görülebilir. LED lerin yaydığı ışık, LED çipi içerisindeki yarı iletken katkı maddeleri ile ilgilidir. LED in hangi renkte ışık yayması isteniyorsa galyum, arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum nitrit gibi kimyasal malzemelerden uygun oranda yarı iletken malzemeye katkı yapılır (GaAIAs, GaAs, GaAsP, GaP, InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LED çipinin istenen dalga boyunda ışıma yapması sağlanır. Örneğin kırmızı renk (660nm) için GaAlAs, sarı renk (595nm) için InGaAIP, yeşil renk (565nm) için GaP, mavi renk (430nm) için GaN kullanılır.
P-N
s = A exp( Eg/2kT) A sabit ln s ile 1/T grafiğinin eğimi band enerji aralığı olan Eg/2k verir.
39
Direnç Çeşitleri 5. YARIİLETKEN DİRENÇLER Yarıiletken dirençlerin ısı, voltaj, ışık ve gerilmeyle dirençlilik değerleri değişen elemanlardan oluşan çeşitleri vardır. a) a) Isı bağımlı dirençler - Termistörler b) Işık bağımlı direnç-foto Direnç-LDR (Light Dependent Resistance) c) Voltaj bağımlı direnç VDR (Voltage Dependent Resistör) d) Gerilmeye bağımlı direnç- Strain Gage c) b) d)
Sıcaklık ile direnci değişen elektronik malzemelere; term (sıcaklık), rezistör (direnç), kelimelerinin birleşimi olan termistör denir. Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden imal edilmektedir. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı kullanılır. Termistörler ; PTC (Pozitif Isı Katsayılı Termistör) ve NTC (Negatif Isı Katsayılı Termistör) olmak üzere ikiye ayrılır.
Sıcaklığın artmasıyla direnci artan termistörlere PTC denir. PTC ler - 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışır. 0.1 ºC ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılır. Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde kullanılabilir.
Sıcaklığın artmasıyla direnci azalan termistörlere NTC denir. NTC ler - 300 C ile +50 C arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışırlar. 0.1 Cº ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerin de, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda kullanılırlar. PTC lere göre kullanım alanları daha fazladır.
Termistör: Yarıiletken Dirençler
Alan (Hall) Etkili Transdüserler Hall sensörü hall etkisine dayanır Bir yarı iletkenden elektronlar akarken akım yönüne dik bir manyetik alan uygulanınca elektronlar belli bir bölgede yoğunlaşır. Bu da yarı iletkenin diğer uçlarında gerilim oluşmasına neden olur. Bu duruma hall etkisi denir. Bu gerilimin değeri manyetik alana, levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensibe göre alan etkili transdüserler yapılır. Alan etkili transdüserler hassas mesafe, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır. Şekil. Alan etkili transdüserler Şekil. Alan etkili transdüserler ve araçlarda alan etkili sensörlerin kullanılması
Yarıiletken Dirençler Işık bağımlı direnç-foto Direnç-LDR (Light Dependent Resistance)
Yarıiletken Dirençler Voltaj bağımlı direnç VDR (Voltage Dependent Resistör)
ZnO VARİSTÖRLER Çinko oksit yaygın olarak yarı iletkenlik özelliği nedeniyle varistör, UV ışık filtreleri, gaz sensörleri ve güneş pillerinde elektrot olarak kullanılmaktadır. Günümüzde çinko oksit e. Zn +2 iyonundan yüksek valanslı Al +3, In +3, Ga +3 gibi donor katkıları ile iletkenliğinin arttırılmasına çalışılmaktadır. Çinko oksit ince filmleri diğer oksit filmleri ile karşılaştırıldığında yüksek kimyasal ve mekanik kararlılığa sahip olması, bununla birlikte iyi optik ve iletkenlik özellik göstermesi nedeniyle önem kazanan bir malzemedir.
Ticari ZnO varistörler 50
Yarıiletken Dirençler Gerilmeye bağımlı direnç- Strain Gage
Strain Gauge (Şekil Değişikliği) Sensörler Temel olarak strain gageler esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından oluşmuştur. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi, iletken şeridin de gerilerek uzamasına sebep olmaktadır. Bu uzama esnasında telin boyu uzayarak kesiti azalacaktır. İletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde de değişme olacaktır. Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin miktarı tespit edilebilir. Çeşitli strain gage tipleri ve kullanıldığı yerler şekillerde görülmektedir. Strain gagenin iç yapısı
Çeşitli strain gage tipleri Bisikletin sağlamlık testinde kullanılan strain gage
Pervane esnemesinin algılanmasında kullanılan strain gageler