Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Elektronik Anabilim Dalı Elektronik I Dersi Laboratuvarı 1. Deneyin Amacı DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ Diyot çeşitlerinin karakteristiklerini anlamak Her diyot çeşidinin kendine özgü özelliklerini tanımak 2. Ön Bilgi 2.1. Terimler: 1. Katkılama: Bir yarıiletkenden daha yüksek akım geçirebilmek için, üç valans elektronu olan elementler (boron, galyum veya indiyum gibi) ya da beş valans elektronu bulunan elementler (antimon, arsenik veya fosfor gibi), has yarıiletkenin içine daha çok delik ve serbest elektron elde etmek amacıyla eklenirler. Bu işlem katkılama olarak adlandırılır, söz konusu üç yada beş valans elektronlu elementlere ise katkı elementi denir. 2. İyon: Eğer bazı nedenlerden dolayı atomun en dıştaki elektron yörüngesine bir veya daha fazla elektron eklenir ya da yörüngesinden bir veya daha çok elektron kopartılırsa, bu atom bir "iyon"a dönüşür. Eğer üç valans elektronu bulunan elemente yeni bir elektron eklenirse, bu element şekil 1'de görüldüğü gibi negatif bir iyona dönüşür. Eğer beş valans elektronu olan bir element bir elektron kaybederse, bu element şekil 2'de gösterildiği gibi pozitif bir iyona dönüşür. Şekil 1 Şekil 2 3. Valans Elektronu: Atomun yörüngesindeki elektronlar 2n 2 şeklinde hesaplanırlar. Burada n ilgili yörüngenin katman numarasıdır. Elektronlar şekil 3'deki gibi düzenlenmişlerdir. En dış yörüngede bulunan elektronlar valans elektronları olarak adlandırılırlar. Şekil 3
Maddelerin elektriksel karakteristikleri valans elektronlarının sayısına bakarak açıklanabilir. Genellikle 8 valans elektronu olması bakımından, elektron (serbest elektron) vermesi ve de iletken olması hali yalıtkan için çok zordur. Genellikle 1 tane gibi az sayıda valans elektronu bulundurması bakımından, iletkenin elektron vermesi ve akımı iletebilmesi çok kolaydır. Bir yarıiletkenin valans elektron sayısı iletkeninki ile yalıtkanınki arasındadır ki, bu da tipik olarak 4'e tekabül eder. Yarıiletkenin iletkenliği de iletken ile yalıtkan arasındaki bir değerdedir. 4. Has Yarıiletken: Has yarı iletkene hiçbir katkı eklenmemişken, en dış yörüngenin dört elektronu komşu atomlarla bir oktahedron oluşturur, ilgili her iki elektron da kovalent bağ yapar. Elektronlar, kovalent bağların oluşumundan sonra birleşeceğinden, has yarıiletken iletmeyen durumdadır. Ancak, ortam sıcaklığı mutlak sıfırdan (-273 C) büyük olduğu için, bazı elektronların hareketi artan sıcaklığa bağlı olarak artacak ve bu elektronlar sonuç olarak kovalent bağlardan kurtularak, serbest elektronlar olarak davranacaklardır. Elektron kovalent bağdan koptuktan sonra, geriye kalan boşluğa "delik" adı verilir. Normalde elektriksel olarak nötr olan bir atomdan bir elektron serbest kaldığında, bu atom pozitif bir iyona dönüşür. Oda sıcaklığında silikon ve germanyumda birkaç serbest elektron bulunduğu için (aynı zamanda eşit sayıda delik de bulunur, yani n = p), has yarıiletken tam anlamıyla yalıtkan değildir. 5. N-Tipi Yarıiletken: Beş valans elektronu olan elementler her noktada aynı olacak şekilde germanyum ve silikonun içine katkılandırılırlarken, valans elektronlar birbirleriyle kovalent bağ kurmak için birleşirler. Her beş valans elektronlu elementin bu şekilde komşu dört valans elektronlu elementlerle (germanyum, silikon) kovalent bağ yapmak amacıyla birleşmesi, şekil 4'de görüldüğü gibi fazladan bir elektronla sonuçlanır. Buna N-tipi yarıiletken denir. Şekil 4 Beş valans elektronu bulunan elementler has yarıiletkenin içine katkılandırıldığı zaman, serbest elektron verilir. Beş valans elektronlu elemente bu yüzden "veren atom" denir. Bu beşinci grup elementleri has yarıiletkene katkılandırıldıkları zaman, serbest elektronlar fazlalaşır. Deliklere göre çoğunlukta olan elektronlar, bu yüzden "çoğunluk taşıyıcıları", az sayıda olan delikler ise "azınlık taşıyıcıları" olarak adlandırılırlar. 6. P-Tipi Yarıiletken: Üç valans elektronu olan (üçüncü grup) elementler (bor, galyum veya indiyum) her noktada aynı şekilde germanyum ve silikonun içine katkılandırılırlar, valans elektronlar birbirleriyle kovalent bağ kurmak amacıyla ortaklaşırlar. Her üçüncü grup
elementi böylelikle komşu dördüncü grup elementleri (germanyum, silikon) ile kovalent bağ oluşturmak üzere ortaklaşır. Bunun sonucu olarak da bir elektron eksiğine eşdeğer olan bir boşluk doğar. Şekil 5' de de görülülen bu noktaya boşluk, delik ya da oyuk adı verilir. Üçüncü grup elementi ile katkılandırılmış olan yarıiletkene p-tipi yarıiletken denir. Şekil 5 2.2 Temel İlke : PN Jonksiyon Diyodu: Bir P-tipi yarıiletken bir N-tipi yarıiletkenle, şekil 6'da görüldüğü gibi birleşsin. P-tipi yarıiletkende çok sayıda delik, N-tipi yarıiletkende ise çok sayıda elektron olduğundan, jonksiyona (birleşme noktasına) yakın olan elektronlar jonksiyona yakın olan delikleri P-N birleşecek şekilde dolduracaklardır. Jonksiyona yakın olan N-tipi yarıiletken elektron kaybettikten sonra pozitif iyona dönüşürken, P-tipi yarıiletken ise delik kaybettikten sonra negatif iyona dönüşecektir. Şekil 6 Böylelikle jonksiyona yakın olan bölgede, taşıyıcılar (elektronlar ya da delikler) azalmıştır, burada sadece artı ve eksi yüklü iyonlar bulunabilir. Bu bölgeye boşaltılmış bölge denir. Boşaltılmış bölgede artı yüklü iyonlar delikleri, eksi iyonlar da elektronları ittiği için elektronlar ve delikler arasında sürekli kombinasyon engellenmiştir. Elektronların ve deliklerin jonksiyondan geçmesini iyonların etkisiyle engelleyen kuvvete engel (eşik) gerilimi denir. Germanyumun (Ge) P-N jonksiyonunda tipik eşik gerilimi 0.2-0.3V, silikonun (Si) P-N jonksiyonunda tipik eşik gerilimi ise 0.6 V civarındadır. GaAs ise 1.3 V civarındadır.
3. Deneyin Yapılışı 3.1 Deney Donanımları Ölçü Aletleri: Multimetre, osiloskop Bread board 3.2 Deneyler 3.2.1 Silisyum diyodun V-I karakteristik eğrisinin çizilmesi: Bread board üzerine Şekil 7 ile verilen devre kulurur. VS kaynak gerilimi 12 V seçilir. Vf iletim yönünde kutuplama durumundaki gerilimi, Vr ise tıkama yönünde kutuplandığındaki gerilimi ifade etmektedir. Tablo1 ve Tablo2 de verilen gerilim değerlerini elde edecek şekilde potansiyometre ayarlanır ve Voltmetre ile gerilim seviyesi okunur. Her defasında ampermetre ile ölçülen akım değerleri kaydedilir. Tablolar doldurulduktan sonra Silisyum diyotun iletim ve tıkama yönündeki akım-gerilim karakteristiği milimetrik kağıda çizilir. Şekil 7 Tablo 1 Vf (V) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.55 0.58 0.61 0.64 0.67 0.70 0.73 0.76 0.79 If (ma) Tablo 2 Vr (V) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ir (ma)
Silisyum diyot deney yorumu: Çizelge 1 Silisyum diyotun akım-gerilim karakteristiği
3.2.2 Germanyum diyodun V-I karakteristik eğrisinin çizilmesi: Bread board üzerine Şekil 8 ile verilen devre kulurur. VS kaynak gerilimi 12 V seçilir. Vf iletim yönünde kutuplama durumundaki gerilimi, Vr ise tıkama yönünde kutuplandığındaki gerilimi ifade etmektedir. Tablo3 ve Tablo4 de verilen gerilim değerlerini elde edecek şekilde potansiyometre ayarlanır ve Voltmetre ile gerilim seviyesi okunur. Ampermetre ile ölçülen akım değerleri kaydedilir. Tablolar doldurulduktan sonra Germanyum diyotun iletim ve tıkama yönündeki akım-gerilim karakteristiği milimetrik kağıda çizilir. Şekil 8 Tablo 3 Vf (V) If (ma) 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.19 0.21 0.23 0.25 0.27 0.30 0.33 Tablo 4 Vr (V) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ir (ma)
Çizelge 2 Germanyum diyotun akım-gerilim karakteristiği Germanyum diyot deney yorumu:
3.2.3 Zener diyodun V-I karakteristik eğrisinin çizilmesi çizilmesi: Bread board üzerine Şekil 9 ile verilen devre kulurur. VS kaynak gerilimi 12 V seçilir. Vf iletim yönünde kutuplama durumundaki gerilimi, Vr ise tıkama yönünde kutuplandığındaki gerilimi ifade etmektedir. Tablo5 ve Tablo6 da verilen gerilim değerlerini elde edecek şekilde potansiyometre ayarlanır ve Voltmetre ile gerilim seviyesi okunur. Her defasında ampermetre ile ölçülen akım değerleri kaydedilir. Tablolar doldurulduktan sonra Zener diyotun iletim ve tıkama yönündeki akım-gerilim karakteristiği milimetrik kağıda çizilir. Şekil 9 Tablo 5 Vf (V) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.55 0.58 0.61 0.64 0.67 0.70 0.73 0.76 0.79 If (ma) Tablo 6 Vr (V) 1 2 3 4 5 6 7 Ir (ma)
Zener diyot deney yorumu: Çizelge 3 Zener diyotun akım-gerilim karakteristiği