Valans Elektronları Atomun en dış kabuğundaki elektronlara valans elektron adı verilir. Valans elektronları kimyasal reaksiyona ve malzemenin yapısına katkı sağlar. Bir atomun en dış kabuğundaki elektronlar, çekirdek etrafında simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralarında bir bağ oluştururlar. Bu bağa kovelant bağ denir. İyonizasyon Bir atom, ısı kaynağından veya ışıktan enerjilendiği zaman elektronlarının enerji seviyeleri yükselir. Elektronlar enerji kazandığında çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerleşir. Böylece Valans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzaklaşma eğilimleri artar. Valans elektronunu kaybetme işlemi İYONİZASYON olarak bilinir ve atom pozitif şarj ile yüklenmiş olur ve pozitif iyon olarak adlandırılır. Atomdan kaçan valans elektronları serbest elektron olarak adlandırılır.
Kovelant Bağ Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağ denilen bağlarla bağlanırlar. Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşim oluşturması sonucu meydana gelir.
Maddelerin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılmasında enerji bandları oldukça etkindir.
Yarıiletken maddeler; Elektrik akımına karşı, ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan özelliği gösterirler. Elektronik endüstrisinin temelini oluşturan yarıiletken maddelere örnek olarak; silisyum (si), germanyum (ge) ve karbon (ca) elementlerini verebiliriz. Bu elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar
Silisyum ve Germanyum Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre elemanlarının üretiminde iki tip yarı iletken malzeme kullanır. Bunlar; SİLİSYUM ve GERMANYUM elementleridir. Bu elementlerin atomlarının her ikisi de 4 Valans elektronuna sahiptir. Bunların birbirinden farkı; Silisyumun çekirdeğinde 14 proton, germanyumun çekirdeğinde 32 proton vardır.
Elektronlar ve Boşluklarda iletkenlik Saf bir silisyum kristalinde oda sıcaklığında valans elektronlar enerji aralıklarından geçerek, valans bandından iletkenlik bandına atlarlar. Bunlara serbest elektron veya iletkenlik elektronları denir. Bir elektron; valans bandından iletkenlik bandına atladığında, valans bandında boşluklar kalacaktır. Bu boşluklara delik=boşluk veya hole denir. Isı veya ışık enerjisi yardımıyla iletkenlik bandına çıkan her elektron, valans bandında bir delik oluşturur. Bu durum, elektron boşluk çifti diye adlandırılır.
Katkı İşlemi Silisyum ve germanyumun iletkenliği kontrollü olarak artırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak artırmak için saf yarıiletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu işleme katkılama denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya boşluk) sayısının artırılması malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direnci artırır. Her iki katkılama sonucunda N-tipi veya P-tipi madde oluşur.
N-Tipi Yarıiletken Saf silisyumun iletkenlik bandındaki elektronların artırılması atomlara katkı maddesi ekleyerek yapılır. Bu atomlar, 5-değerli valans elektronları olan arsenik (As), fosfor (P), bizmut (Bi) veya antimon dur. Silisyuma katkı maddesi olarak 5 valans elektrona sahip fosfor belli bir oranda eklendiğinde, diğer silisyum atomları ile nasıl bir kovelent bağ oluşturulduğu aşağıda gösterilmiştir. Fosfor atomunun 4 valans elektronu, silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Fosfor un 1 valans elektronu açıkta kalır ve ayrılır. Bu açıkta kalan elektron iletkenliği artırır.
P-Tipi Yarıiletken Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3-değerli) atomların belli bir oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yapı oluşur. Bu yeni kristal yapıda delik (boşluk) sayısı artırılmış olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; alüminyum (Al), Bor (B) ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz
P tipi yarı iletkenlerde oyuklar, N tipi yarı iletkenlerde de elektronlar çoğunluktadır. P tipi yarı iletkenlerdeki oyuklar, çoğunluk akım taşıyıcı, elektronlar ise azınlık akım taşıyıcı olarak adlandırılır. N tipi yarı iletkenlerde ise, elektronlar, çoğunluk akım taşıyıcı, serbest oyuklar ise azınlık akım taşıyıcı olarak adlandırılırlar.
PN BİRLEŞİMİ Silisyum veya Germanyum kristaline yeterli oranda katkı maddeleri eklenerek, P-tipi ve N-tipi maddeler oluşturulmuştu. Bu maddeler yalın halde elektriksel işlevleri yerine getiremezler. P ve N tipi malzeme bir arada kullanılırsa, bu birleşime PN birleşimi (junction) veya PN eklemi denir. PN birleşimi; elektronik endüstrisinde kullanılan diyot, transistör v.b devre elemanlarının yapımında kullanılır.
Aşağıda yarısı P-tipi, diğer yarısı N tipi malzemeden oluşan iki bölümlü bir silisyum parçasını gösterilmektedir. Bu temel yapı biçimine yarı iletken diyot denir. N bölgesinde daha çok serbest elektron bulunur. P bölgesi ise çok sayıda boşluklar (delik=hole) içerir. PN birleşimi elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların, transistörlerin ve diğer katkı hal devrelerinin temelini oluşturur.
Polarmasız PN birleşiminde nötr bölgenin oluşumu Birleşme yüzeyi çevresinde nötr bölge oluşur. Bu bölge bir gerilim duvarı gibi davranarak, elektron ve oyukların karşı bölgelere geçmesini önlemektedir. Denge durumunda olan bağlantının uçlarından elektrik akımının (elektronların) geçebilmesi için elektriksel bir engel voltajı, V D, oluşmuştur. Bu engel bağlantının arasında kalan nötr bölgedir. Aradaki bölgeyi elektronların aşabilmesi için silisyum için germanium için 0.3V kadar bir gerilime ihtiyaç vardır. 0,7V ve
PN Bağlantısının İletkenliği; Doğru Polarma PN bağlantısının P tarafına pozitif, N tarafına negatif gerilim uygularsak yapı iletime geçer. Bu bağlantıya Doğru Polarma denir. P V D N DC A E < V D Şekil 1.17 0.7 V < V D durumunda doğru polarlanmış PN birleşimi E
V D P N Daralan nötr bölge DC A E = 0.7V da daralmaya başlayan nötr bölge. E = V D E Oyuk akışı P N Serbest elektron akışı Doğru polarlanmış PN birleşimi I D Daralan nötr bölge DC A E > V D E
PN Bağlantısının Yalıtkanlığı; Ters Polarma PN bağlantısının P tarafına n e g a t i f, N Bu bağlantıya Ters Polarma denir. tarafına p o z i t i f g e r i l i m u y g u l a r s a k y a p ı y a l ı t k a n o l u r. V D P N Genişleyen nötr bölge DC A E > 0V Ters polarlanmış PN birleşimi E
Ters polarlamada yarı iletken içindeki azınlık taşıyıcılarından dolayı mikroamper seviyelerinde de olsa bir akım akar. Bu akıma sızıntı akımı denir. Azınlık taşıyıcıları sıcaklığın artması ile artacağı için PN bağlantıda sızıntı akımı, sıcaklığın artması ile artar. PN bağlantıda doğru polarma için P ucuna pozitif, N ucuna negatif gerilim verilir. Doğru polarma da PN bağlantıdan akım akar. PN bağlantıda ters polarma için P ucuna negatif, N ucuna pozitif gerilim verilir. Ters polarma da PN bağlantıdan akım akmaz.
Diyot Diyot, tanım olarak elektrik akımını bir yönde geçiren, diğer yönde ise geçirmeyen bir elektronik yarı iletken devre elemanıdır. Diyot, PN birleşmesinden meydana gelir. Anot (A) Katot (K) A K (a) Sembol (b) Fiziki yapı
V D DC V I D DC A E = V D + (I D xr) R Doğru polarlanmış bir diyot V D = E DC V + E I D = 0 DC A Kullanılan R direnci akım sınırlama direnci olarak görev yapmaktadır. Devrede kullanılan diyot doğru polarma altında çalıştığı zaman, diyot içerisinden akan akımın ifadesi aşağıdaki bağıntıdan bulunur. I D E V R Germanyum diyotlar için yaklaşık V D =0,3V, Silisyum diyotlar için yaklaşık V D =0,7V kadardır. D R E + Ters polarlanmış bir diyot devresinde: I D = 0 A (Diyot içerisinden akım akmaz) V D = E (Diyot üzerindeki gerilim, kaynak gerilimine eşit olur.) Ters polarlanmış bir diyot
Zener Bölgesi Zener bölgesi, diyodun ters yöndeki bölgesindedir. Bu noktada uygulanan ters yön geriliminin etkisiyle azınlık taşıyıcıların hareketliliği artıp, diğer atomlara çarparak yeni taşıyıcıların açığa çıkmasına sebep olur. Bu etki çığ etkisi olarak tanımlanır. Bu noktadan sonra diyot ters yönlü olarak da akım geçirmeye başlar. Bu maksimum ters yönlü gerilim kırılma gerilimi olarak tanımlanır.
Örnek Aşağıda verilen devrede, devre akımı 1 ma olabilmesi için V2 kaynağının gerilim değerini bulunuz? (Diyotları Silisyum olarak düşünün) Çözüm Verilen devrede diyotlar seri olarak kullanılmışlardır. Dolayısı ile, V 2 = (0.7 V + 0.7V) + (1 ma x 2 k ) + 10 V = 13.4 V olarak bulunur. V2 + D1 R 2k D2 + V1 10V
Örnek Aşağıda verilen devrelerin herbirinde kullanılan diyodların, doğru yönde polarlanabilmesi için gerekli olan gerilim değerlerini bulunuz? V1 10V D R V2 V2 D R V1 2 ma 2k 0.5 ma 1k -2V 10V V 2 = 0.7V + (2mA x 2k) 10V V 2 = 4.7V 10V 4.7V = V 2 5.3 V = V 2 V 2 (-2V) = 0.7V + (0.5mA x 1k) V 2 + 2V = 1.2V V 2 = - 2V + 1.2 V V 2 = - 0.8 V
Işık Yayan Diyot (LED) Işık yayayn diyot doğru polarma altında çalışır ve içinden 10 miliamper civarında akım geçtiğinde ışık yayar. LED uçlarına doğru yönde polarma uygulandığında, P maddeseindeki oyuklar ve N maddesindeki elektronlar birleşim yüzeyine doğru hareket ederler ve burada oyuklarla elektronlar birleşir. Bu birleşme sırasında meydana gelen enerji, ışık olarak açığa çıkar. Bu ışığın gözle görülebilmesi için LED diyodun birleşme yüzeyine galyum arsenik maddesi katılmıştır.
Işık Anot + + + - - - Katot LED (a) LED sembolü E Işık yayan diyot (LED) (b) LED Yapısı LED ler devreye seri bir akım sınırlayıcı dirençle birlikte bağlanmalı ve geçen akım 10 miliamperle 30 miliamper arasında tutlmalıdır. 30 miliamperin üzerindeki akımlar LED i bozabilir. LED çalışırken, üzerinde yaklaşık olarak 1.5 voltluk bir gerilim düşümü meydana gelir.
Transistörler
TRANSİSTÖR İki polarmalı yüzey temaslı transistörler, teknik ifadelerde BJT ( Bipolar Junction Transistör) olarak adlandırılmaktadır. Transistör birçok elektronik devrede uygulama bulan İşaret yükseltme işlemi veya anahtar olarak görev yapmaktadır
Transistörler de diyotlar gibi P ve N tipi yarı iletkenlerin birleşmesinden oluşmaktadır. Bir transistör, NPN ya da PNP şeklinde bir araya getirilmiş üç yarı iletkenin birleşmesidir. Transistör üç terminali olan bir elektronik devre elemanıdır. Emiter (Yayıcı), Kollektör (Toplayıcı) ve Baz(Taban,kontrol,giriş). Bu terminaller ayni zamanda sırası ile E, C ve B harfleri ile ifade edilmektedir.
Transistör Kılıfları
https://www.youtube.com/watch?v=iqu7sh0q0sy https://www.youtube.com/watch?v=ifk ht0vua https://www.youtube.com/watch?v=jbteckh3l9q