YARIİLETKEN MALZEMELER Yarıiletkenler; iletkenlikleri iyi bir iletkenle yalıtkan arasında bulunan özel elementlerdir. Elektronik cihazların yapımında en çok kullanılan üç yarıiletken şunlardır, Ge Germanyum Si Silikon (Silisyum) GaAs Galyum Arsenit
Katkılı malzemeler n tipi ve p tipi malzemeler p tipi malzemede deliklerin(oyukların) sayısı, elektronların sayısından fazladır. Bu nedenle p tipi malzemelerde, delik çoğunluk taşıyıcısı ve elektron azınlık taşıyıcısıdır. n tipi malzemede elektronların sayısı, deliklerin sayısından fazladır. Bu nedenle n tipi malzemelerde elektrona çoğunluk taşıyıcısı ve deliğe(oyuk) azınlık taşıyıcısı denir.
Diyot Diyotlar, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Diyot sembolü, aşağıda görüldüğü gibi, akım geçiş yönünü gösteren bir ok şeklindedir. Diyot Sembolü: Ayrıca, diyodun uçları pozitif (+) ve negatif (-) işaretleri ile de belirlenir. "+" ucu anot, "-" uca katot denir. Diyodun anaduna, gerilim kaynağının pozitif (+) kutbu, katoduna kaynağın negatif (-) kutbu gelecek şekilde gerilim uygulandığında diyot iletime geçer.
Yarıiletken diyot Yarıiletken diyotlar, P ve N tipi germanyum veya Silikon yarı iletkenlerinin bir araya getirilmesiyle elde edilen diyotlardır. PN yüzey birleşmeli (jonksiyon) diyotlarda, diyodun P bölgesinden çıkarılan bağlantı ucuna (elektroduna) ANOT ucu, N bölgesinden çıkarılan bağlantı ucuna da KATOT ucu denir. Anot "+" katot "-" ile gösterilir. Diyotlar temelde iki temel gruba ayrılır: Doğrultmaç diyotları Sinyal diyotları Doğrultmaç diyotları güç kaynaklarında AC yi DC ye dönüştürmekte kullanılır. Sinyal diyotları ise lojik devrelerde devre elemanı ya da radyo frekans (RF) devrelerinde sinyal ayırıcı olarak görev alır.
Eğilimlemesiz durum (V=0V) (öngerilimlemesiz) Gerilim uygulanmamış olan, diyoda POLARMASIZ diyot denir. N tipi malzemenin birleşme yüzeyine yakın kısmındaki serbest elektronlar, P tipi malzemeye, P tipi malzemedeki birleşme yüzeyine yakın oyuklarda N tipi malzemeye geçmek isterler. Birleşme bölgesinde birleşerek nötr bir bölge oluştururlar. Sonuçta, birleşme yüzeyinin (jonksiyonun) iki tarafında hareketli elektriksel yükü bulunmayan bir boşluk(nötr-azaltım) bölgesi oluşur. Yarıiletken diyoda eğilimleme uygulanmadığında, herhangi bir yöndeki net yük akışı sıfırdır. Başka bir deyişle, sıfır eğilimleme durumunda akım sıfırdır.
İleri eğilimleme durumu (V D > 0V) (İleri öngerilimleme) (Doğru Polarma) Doğru polarmada, gerilim kaynağının pozitif (+) kutbu, diyodun anoduna (P bölgesi), negatif (-) kutbu, diyodun katoduna (N bölgesi) bağlanır. Doğru yönde polarlanmış diyotta, N bölgesindeki serbest elektronlar, gerilim kaynağının negatif kutbu tarafından itilir, pozitif kutbu tarafından çekilir. Benzer şekilde, P bölgesi pozitif elektrik yükleri de kaynağın pozitif kutbu tarafından itilir, negatif kutbu tarafından çekilir. Bu sırada, pozitif elektrik yüklerinin tersi yönde hareket eden elektronlar da, P bölgesinden çıkarak kaynağın pozitif (+) kutbuna doğru akar. P bölgesinden kaynağa giden her elektrona karşılık, kayağın negatif kutbundan çıkan bir elektron da N bölgesine gelir. Böylece devrede bir akım doğar. Elektron akışının tersi yönde, yani kaynağın pozitif kutbundan diyoda doğru ve oradan da kaynağın negatif kutbuna doğrudur. Kısacası; akım "+" dan, "-" ye doğru akar.
Ters eğilimleme durumu (V D <0V) (Ters öngerilimleme) (Ters Polarma) Ters polarmada, gerilim kaynağının negatif (-) ucu, diyodun anoduna (P tarafına), gerilim kaynağının pozitif (+) ucu ise, diyodun katot (N) ucuna gelecek şekilde bağlanır. Ters yönde polarlanmış diyotta, P bölgesindeki pozitif elektrik yükleri (oyuklar) kaynağın negatif kutbu tarafından, N bölgesindeki serbest elektronlar ise pozitif kutbu tarafından çekilecek ve jonksiyondan herhangi bir akım geçmeyecektir. Bu durumda, ortadaki boşluk(azaltım) bölgesi de büyümektedir.
Ters doyum akımı (sızıntı akımı) P ve N tipi yarı iletken malzemelerinin incelenmesi sırasında, P tipi malzemede, azınlık taşıyıcısı olarak bir miktar serbest elektronun bulunduğu ve N tipi malzemede de bir miktar, aktif halde pozitif elektrik yükü (oyuk) bulunduğunu belirtmiştik. İşte ters polarma sırasında, bu azınlık taşıyıcıları etkinlik göstererek, diyot içerisinden ve dolayısıyla da devreden ters yönde çok küçük bir akım geçmesine neden olur. Bu akıma ters doyum akımı (kaçak akım) denir. Ters doyum akımı, mikro amper mertebesinde (μa) ihmal edilebilecek kadar küçük olup normal çalışma şartlarında diyodun çalışmasını etkilememektedir. Son yıllarda seviyesi silikon cihazlar için nanoamperlerde olduğu söylenebilir.
İleri ve geri eğilimleme bölgelerindeki yarıiletken diyot karakteristiği katıhal fiziği kullanılarak elde edilen Shockley denklemiyle tanımlanır. Is ters doyum akımı V D diyota uygulanan ileri besleme gerilimi n çalışma koşullarının ve fiziksel yapının fonksiyonu olan ideallik katsayısıdır. Birçok etmene bağlı olarak 1 ile 2 arasında değer alır.(aksi belirtilmedikçe n=1 dir) V T gerilimine ısıl gerilim denir. k Boltzmann sabiti=1.38x10-23 J/K T Kelvin cinsinden mutlak sıcaklık=273+c olarak sıcaklık q elektron yükünün büyüklüğüdür =1.6x10-19 C
Örnek: 27 C de ısıl gerilimi (V T ) yi hesaplayınız.
DİYOT KARAKTERİSTİĞİ DOĞRU POLARMA DURUMUNDA Doğru polarmada, şekil de görüldüğü gibi germanyum diyodun karakteristik eğrisi 0,3V civarında, silikon diyodun karakteristik eğrisi ise 0,7V civarında yukarıya doğru kıvrılmaktadır. Yani, ancak bu gerilim değerlerinden sonra diyot iletime geçmektedir. İletime geçiş gerilimine eşik gerilimi denir. Diyodun hemen iletime geçmemesinin nedeni birleşme yüzeyinin iki yanındaki boş (nötr) bölgesidir. Elektronlar, ancak eşik geriliminden sonra bu bölgeyi geçebilmektedir. Şekilde görüldüğü gibi, küçük değerli gerilim artışında, doğru yön akımı hızla büyümektedir. Bu akım fabrikasında verilen akım limitini aşarsa diyot yanar.
TERS POLARMA DURUMUNDA Ters polarmada, daha öncede belirtildiği gibi, belirli bir gerilime kadar ancak mikro amper mertebesinde ve önemsenmeyecek kadar küçük bir sızıntı akımı akmaktadır. Belirli bir gerilimi aşınca ise ters akım birden büyümektedir. DİYODUN DELİNMESİ Ters akımın birden büyümesi halinde zener bölgesi (çığ kırılma bölgesi), diyodun delinmesi, bu andaki gerilime de delinme gerilimi (zener potansiyeli) denir. Bir diyot şu iki nedenle bozulur: 1) Doğru yönde katalog değerinin üzerinde akım geçirilirse, 2) Ters yönde yine katalog değerinin üzerinde gerilim uygulanırsa.
Direnç Seviyeleri DC veya Statik Direnç Yarıiletken diyot içeren bir devreye dc gerilim uygulanırsa, diyodun karakteristik eğrisindeki çalışma noktası zamanla değişmeyecektir. Diyodun, belirli bir çalışma noktasındaki direncine dc veya statik direnci denir. Kıvrılma noktası ve aşağısında elde edilen dirençler dikey yükselme kısmında elde edilen dirençlerden daha yüksek olacaktır. Ters eğilimleme bölgesinde elde edilen direnç seviyeleri doğal olarak çok yüksek olacaktır.
Örnek: Şekildeki diyodun dc direncini aşağıda verilen değerler için hesaplayınız. a. I D =2 ma (düşük seviye) b. I D =20 ma (yüksek seviye) c. V D =-10 ma(ters eğilimleme)
AC veya Dinamik Direnç Bir diyodun dc direnci, çalışma noktasının yakınındaki, karakteristik eğri üzerinde bulanan diğer noktalara bağlı değildir. Ancak dc yerine sinüzodial bir giriş uygulanırsa durum tamamen değişecektir. Değişken giriş anlık çalışma noktasını yukarı ve aşağı hareket ettirir. Eğer değişken bir sinyal olmasaydı, çalışma noktası uygulanan dc seviyeyle belirlenen Q noktası olurdu. Q noktasından geçen teğet bir doğru çizilirse, ilgili karakteristik bölgesinde ac veya dinamik direnç hesaplanır. Gerilim ve akımdaki değişimler mümkün olduğunca küçük tutulmalı ve Q noktasının her iki tarafında eşit uzaklıklar alınmalıdır.
Örnek: Şekildeki karakteristik için a. ID=2 ma iken ac direnci bulunuz b. ID=25 ma iken ac direnci bulunuz c. a ve b şıkkı sonuçlarını her iki akım için bulanan dc dirençlerle karşılaştırınız. a c b
Dinamik direnci grafik kullanılarak hesaplandı fakat diferansiyel hesabın bir ifadesine yer verirlirse: Bir fonksiyonun bir noktadaki türevi, fonksiyona o noktada çizilen teğet doğrunun eğimine eşittir. İleri eğilimlemeye göre türevi alınır ve birkaç diferansiyel hesabı yapılır ve ters çevrilir.
Ortalama AC Direnci Eğer giriş sinyali, şekilde görünen geniş aralığı oluşturacak kadar yüksekse, bu bölgedeki dirence ortalama ac direnci denir. Ortalama ac direnci, en yüksek ve en düşük giriş gerilimlerine karşılık gelen noktalar arasına çizilen doğru ile belirlenir.
Diyot Eşdeğer Devreleri Bir eşdeğer devre, bir cihazın çalışmasını temsil etmek için uygun şekilde seçilen elemanların birleşimidir. Parçalı Doğrusal Eşdeğer Devre Diyot karakteristiğini düzgün doğru parçaları ile gösterilmesiyle elde edilen devreye parçalı doğrusal eşdeğer devre denir. Karakteristikte ortalama ac direnç eğimli kısma karşılık gelir. İleri eğilimlede 0.7 V a ulaşana kadar silikon diyot iletime geçmez. Düzgün doğru parçalarıyla karakteristik eğriye yaklaştırma yapılarak parçalı doğrusal eşdeğer devrenin tanımlanması
Basitleştirilmiş Eşdeğer Devre Çoğu uygulamada, devredeki diğer elemanlarla karşılaştırıldığında r ort (r av ) ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Eşdeğer devreden r ort un kaldırılmasıyla aşağıdaki karakteristik elde edilir. Silikon yarıiletken diyodunun basitleştirilmiş eşdeğer devresi
İdeal Eşdeğer Devre r ort eşdeğer devreden kaldırıldıktan sonra, bir adım daha ileri gidip, uygulanan gerilim seviyesine göre düşük olan 0.7 V da ihmal edilebilir. İdeal diyot ve karakteristiği
Kaynaklar Boylestad R., Nashelsky L., Elektronik Cihazlar ve Devre Teorisi, Palme Yay., 2011. (Ders Kitabı) Boylestad R., Nashelsky L., Electronic Devices and Circuit Theory, Pearson Education., 2008.