✖
Yarıiletken Temelleri
Yarıiletken Temelleri
![[Resim: diode-diode1_1.gif]](https://www.electronics-tutorials.ws/wp-content/uploads/2018/05/diode-diode1_1.gif)
![[Resim: diode-diode1.gif]](https://www.electronics-tutorials.ws/wp-content/uploads/2018/05/diode-diode1.gif)
![[Resim: diode-diode2.gif]](https://www.electronics-tutorials.ws/wp-content/uploads/2018/05/diode-diode2.gif)
![[Resim: diode-diode3.gif]](https://www.electronics-tutorials.ws/wp-content/uploads/2018/05/diode-diode3.gif)
Yarı iletken malzemeler; transistörlerden telefonlara, bilgisayarlardan internete kadar tüm elektronik cihazların temel yapı taşlarıdır.
Bu eğitimde, yarı iletken temellerinin arkasındaki kavramlara, fiziğe ve yalıtkanlar ile iletkenler arasındaki farklara bakacağız.
Bir direnç, elektriksel veya elektronik devrelerdeki en temel pasif bileşense, yarı iletken diyotu da en temel aktif bileşen olarak düşünmemiz gerekir. Ancak bir dirençten farklı olarak diyot, uygulanan gerilime karşı doğrusal davranmaz. Üstel bir I–V (akım–gerilim) ilişkisine sahiptir ve bu nedenle dirençlerde yaptığımız gibi basitçe Ohm Yasası kullanılarak tanımlanamaz.
Diyotlar, akımın yalnızca tek bir yönde akmasına izin veren temel tek yönlü yarı iletken elemanlardır. Tek yönlü bir elektrik vanası gibi davranırlar (ileri kutuplama durumu). Ancak sinyal veya güç diyotlarının nasıl çalıştığına bakmadan önce, yarı iletkenlerin temel yapısını ve kavramlarını anlamamız gerekir.
Diyotlar, bir ucunda pozitif “P-bölgesi”, diğer ucunda negatif “N-bölgesi” bulunan tek parça bir yarı iletken malzemeden yapılır. Bu malzemenin özdirenç değeri, bir iletken ile bir yalıtkanınki arasında bir yerdedir. Peki “yarı iletken” malzeme nedir? Öncelikle bir şeyin iletken veya yalıtkan olmasını sağlayan özelliklere bakalım.
Özdirenç (Resistivity)
Bir elektriksel veya elektronik bileşenin ya da cihazın elektriksel direnci, genel olarak üzerindeki gerilim farkının içinden geçen akıma oranı olarak tanımlanır; bu, Ohm Yasası’nın temel prensibidir. Ancak direnci ölçü olarak kullanmanın bir sorunu vardır: Direnç, ölçülen malzemenin fiziksel boyutuna ve yapıldığı malzemeye büyük ölçüde bağlıdır. Örneğin, malzemenin uzunluğunu artırırsak (daha uzun yaparsak), direnci de orantılı olarak artar.
Benzer şekilde, çapını veya boyutunu artırırsak (daha kalın yaparsak), direnç değeri azalır. Bu nedenle, malzemenin boyutundan veya şeklinden bağımsız olarak, elektrik akımını iletme ya da ona karşı koyma yeteneğini tanımlayabileceğimiz bir büyüklüğe ihtiyaç duyarız.
Bu özelliği ifade etmek için kullanılan büyüklüğe özdirenç (resistivity) denir ve Yunanca ρ (ro) sembolü ile gösterilir. Özdirenç birimi ohm-metre (Ω·m)’dir. Özdirenç, iletkenliğin tersidir.
Farklı malzemelerin özdirençleri karşılaştırıldığında, aşağıda gösterildiği gibi üç ana gruba ayrılabilirler: İletkenler, Yalıtkanlar ve Yarı İletkenler.
Özdirenç Tablosu
İletkenler (örneğin gümüş ve altın) arasındaki özdirenç farkının çok küçük bir aralıkta olduğu, buna karşılık yalıtkanlarda (cam ile kuvars arasında) özdirenç farkının çok daha geniş bir aralıkta olduğu görülmektedir. Özdirençteki bu fark, kısmen ortam sıcaklığından kaynaklanır; çünkü metaller, yalıtkanlara kıyasla ısıyı çok daha iyi iletirler.
İletkenler
Yukarıdakilerden artık iletkenlerin, genellikle metre başına mikro-ohm mertebesinde çok düşük özdirenç değerlerine sahip malzemeler olduğunu biliyoruz. Bu düşük değer, temel atom yapıları içinde serbestçe dolaşan çok sayıda serbest elektron bulunması sayesinde elektrik akımını kolayca iletmelerini sağlar. Ancak bu elektronlar, hareketlerini tetikleyecek bir etken olmadıkça iletken içinde akmazlar; bu etken elektriksel gerilimdir.
Malzemeye pozitif bir gerilim potansiyeli uygulandığında, bu “serbest elektronlar” bağlı oldukları atomdan ayrılır ve malzeme boyunca birlikte hareket ederek bir elektron sürüklenmesi oluşturur; bu da daha yaygın adıyla akım olarak bilinir. Bu elektronların bir iletken içinde ne kadar “serbestçe” hareket edebileceği, gerilim uygulandığında atomlarından ne kadar kolay kopabildiklerine bağlıdır. Akan elektron miktarı ise iletkenin sahip olduğu özdirenç değerine bağlıdır.
İyi iletkenlere örnek olarak genellikle bakır, alüminyum, gümüş gibi metaller veya karbon gibi bazı ametaller verilebilir. Bunun nedeni, bu malzemelerin dış değerlik kabuğunda (valans kabuğu) çok az elektron bulunması ve bu elektronların atom yörüngesinden kolayca kopabilmesidir.
Bir Elektrik Kablosu
İletkenler ve Yalıtkanlar kullanır.
Bu yapı, elektronların malzeme içinde serbestçe akmasına ve diğer atomlarla birleşene kadar ilerlemesine olanak tanır. Böylece malzeme boyunca bir “Domino Etkisi” oluşur ve elektrik akımı meydana gelir. Gösterildiği gibi, elektrik kablolarında kullanılan başlıca iletkenler bakır ve alüminyumdur.
Genel olarak, çoğu metal elektriği iyi iletir; çünkü direnç değerleri çok küçüktür ve genellikle metre başına mikro-ohm (μΩ·m) mertebesindedir.
Bakır ve alüminyum gibi metaller elektriğin çok iyi iletkenleri olsalar da, elektron akışına karşı yine de bir miktar direnç gösterirler ve bu nedenle mükemmel iletkenler değildirler.
Elektrik akımı geçirilmesi sırasında kaybedilen enerji ısı şeklinde ortaya çıkar. Bu yüzden iletkenler ve özellikle dirençler ısınır; çünkü iletkenlerin özdirenci ortam sıcaklığı arttıkça yükselir.
Yalıtkanlar
Yalıtkanlar ise iletkenlerin tam tersidir. Genellikle ametallerden oluşan bu malzemelerin temel atom yapılarında çok az ya da hiç “serbest elektron” bulunmaz. Bunun nedeni, dış değerlik kabuğundaki elektronların pozitif yüklü iç çekirdek tarafından güçlü bir şekilde çekilmesidir.
Başka bir deyişle, elektronlar ana atoma sıkı sıkıya bağlıdır ve serbestçe hareket edemezler. Bu nedenle malzemeye bir gerilim potansiyeli uygulansa bile akım akmaz; çünkü hareket edecek “serbest elektron” yoktur. Bu durum, bu malzemelere yalıtkanlık özelliğini kazandırır.
Yalıtkanların dirençleri de çok yüksektir; metre başına milyonlarca ohm değerine ulaşabilirler ve genellikle normal sıcaklık değişimlerinden etkilenmezler (ancak çok yüksek sıcaklıklarda odun kömürleşerek yalıtkandan iletkene dönüşebilir). İyi yalıtkanlara örnek olarak mermer, ergitilmiş kuvars, PVC plastikler, kauçuk vb. verilebilir.
Yalıtkanlar, elektriksel ve elektronik devrelerde çok önemli bir rol oynar; çünkü onlar olmadan devreler kısa devre olur ve çalışmaz. Örneğin, cam veya porselenden yapılmış yalıtkanlar havai enerji iletim kablolarını yalıtmak ve taşımak için kullanılırken, epoksi-cam reçine malzemeler baskılı devre kartlarının (PCB) yapımında kullanılır. PVC ise gösterildiği gibi elektrik kablolarını yalıtmak için kullanılır.
Yarı İletken Temelleri
Silikon (Si), germanyum (Ge) ve galyum arsenit (GaAs) gibi yarı iletken malzemeler, elektriksel özellikleri bakımından bir iletken ile bir yalıtkan arasında yer alır. Ne iyi bir iletkendirler ne de iyi bir yalıtkandırlar (bu nedenle “yarı” iletken olarak adlandırılırlar). Atomları, kristal örgü (kristal kafes) adı verilen kristal bir yapı içinde sıkı şekilde dizildiğinden çok az serbest elektrona sahiptirler. Ancak özel koşullar altında elektronlar yine de akabilir.
Yarı iletkenlerin elektrik iletme yeteneği, bu kristal yapıya belirli verici (donör) veya alıcı (akseptör) atomların eklenmesi ya da bazı atomların yer değiştirmesiyle büyük ölçüde artırılabilir. Böylece serbest elektron sayısı, oyuk (hole) sayısından fazla veya tam tersi olacak şekilde ayarlanabilir. Bu işlem, temel malzeme olan silikon veya germanyuma çok küçük bir oranda başka bir element eklenmesiyle yapılır.
Silikon ve germanyum saf hâlleriyle öz (intrinsic) yarı iletken olarak sınıflandırılır; yani kimyasal olarak saftırlar ve yalnızca yarı iletken malzeme içerirler. Ancak bu öz yarı iletkenlere eklenen safsızlık miktarı kontrol edilerek iletkenlikleri ayarlanabilir. Donör veya akseptör adı verilen çeşitli safsızlıklar eklenerek sırasıyla serbest elektronlar veya oyuklar oluşturulabilir.
Yarı iletken atomlarına donör veya akseptör atomların eklenmesi işlemine (yaklaşık her 10 milyon yarı iletken atomuna 1 safsızlık atomu olacak şekilde) katkılama (doping) denir. Katkılanmış silikon artık saf olmadığından, bu donör ve akseptör atomlar topluca “safsızlıklar” olarak adlandırılır. Yeterli miktarda katkılama yapılarak silikon, N-tipi veya P-tipi yarı iletken hâline getirilebilir.
Günümüzde açık ara en yaygın kullanılan yarı iletken malzeme silikondur. Silikon, en dış kabuğunda dört değerlik elektronuna sahiptir ve bunları komşu silikon atomlarıyla paylaşarak sekiz elektronlu tam yörüngeler oluşturur. İki silikon atomu arasındaki bağ yapısı, her atomun komşusuyla bir elektron paylaşması şeklindedir ve bu bağ oldukça kararlıdır.
Saf silikon kristali içinde hareket edebilecek çok az serbest elektron bulunduğundan, saf silikon (veya germanyum) kristalleri iyi birer yalıtkan ya da en azından çok yüksek değerli dirençlerdir.
Silikon atomları belirli ve simetrik bir düzende dizilerek kristal bir katı yapı oluşturur. Saf silika (silisyum dioksit veya cam) kristali genellikle öz kristal olarak adlandırılır (safsızlık içermez) ve bu nedenle serbest elektron barındırmaz.
Ancak bir silikon kristalini basitçe bir bataryaya bağlamak, ondan elektrik akımı elde etmek için yeterli değildir. Bunun için silikon içinde bir “pozitif” ve bir “negatif” kutup oluşturmamız gerekir. Böylece elektronlar ve dolayısıyla elektrik akımı silikon içinden akabilir. Bu kutuplar, silikonun belirli safsızlıklarla katkılanmasıyla oluşturulur.
Bir Silikon Atomunun Yapısı
Yukarıdaki diyagram, “normal” saf bir silikon kristalinin yapısını ve kristal örgüsünü göstermektedir.
N-Tipi Yarı İletken Temelleri
Silikon kristalimizin elektriği iletebilmesi için, kristal yapıya arsenik, antimon veya fosfor gibi bir safsızlık atomu eklememiz gerekir. Bu işlem, kristali öz (intrinsic) hâlden katkılı (extrinsic) hâle getirir. Bu atomların en dış yörüngelerinde komşu atomlarla paylaşabilecekleri beş adet elektron bulunur ve bu nedenle “beş değerlikli (pentavalan)” safsızlıklar olarak adlandırılırlar.
Bu durumda, beş yörünge elektronunun dördü komşu silikon atomlarıyla bağ oluştururken, bir elektron serbest kalır ve bir elektrik gerilimi uygulandığında hareket edebilir (elektron akışı). Her bir safsızlık atomu bir elektron “bağışladığı” için, beş değerlikli atomlar genellikle “donör (verici)” olarak adlandırılır.
Antimon (sembolü Sb) ve fosfor (sembolü P), silikona beş değerlikli katkı maddesi olarak sıklıkla kullanılır. Antimon atomu, çekirdeğinin etrafında beş kabukta dizilmiş 51 elektrona sahiptir ve en dış yörüngesinde beş elektron bulunur. Ortaya çıkan yarı iletken malzeme, negatif yüklü ve akım taşıyan elektronlardan fazlalık içerir. Bu nedenle bu malzeme N-tipi olarak adlandırılır. Bu elektronlara “çoğunluk taşıyıcılar (majority carriers)”, oluşan oyuklara ise “azınlık taşıyıcılar (minority carriers)” denir.
Harici bir güç kaynağı ile uyarıldığında, bu uyarım sonucu silikon atomlarından kopan elektronlar, katkılanmış antimon atomlarının sağladığı serbest elektronlar tarafından hızla yerlerine doldurulur. Ancak bu süreç, katkılanmış kristal içinde fazladan bir elektronun (serbest kalan elektronun) dolaşmasına neden olur ve bu da kristalin negatif yüklü olmasını sağlar.
Bir yarı iletken malzeme, donör yoğunluğu akseptör yoğunluğundan büyükse, yani oyuklardan daha fazla elektrona sahipse, N-tipi olarak sınıflandırılır. Bu durum, gösterildiği gibi negatif bir kutup oluşmasına yol açar.
Yarı İletken Temelleri – Antimon Atomunun Yapısı ve Katkılama (Doping)
Yukarıdaki diyagram, donör safsızlık atomu olan antimonun yapısını ve kristal örgüsünü göstermektedir.
P-Tipi Yarı İletken Temelleri
Bunun tersine, kristal yapıya alüminyum, bor veya indiyum gibi “üç değerlikli (trivalan)” bir safsızlık atomu eklersek, yani en dış yörüngesinde yalnızca üç değerlik elektronu bulunan bir atom kullanırsak, dördüncü kapalı bağ oluşturulamaz. Bu nedenle tam bir bağlanma mümkün olmaz ve yarı iletken kristal yapısında, elektronların eksik olduğu bölgeler oluşur. Bu bölgeler, oyuk (hole) olarak adlandırılan pozitif yüklü taşıyıcıların kristal içinde bol miktarda bulunmasına neden olur.
Silikon kristalinde bir oyuk oluştuğunda, komşu bir elektron bu oyuğa çekilir ve onu doldurmaya çalışır. Ancak oyuğu dolduran elektron hareket ederken arkasında yeni bir oyuk bırakır. Bu da başka bir elektronu çeker ve aynı süreç devam eder. Sonuç olarak, kristal yapı içinde oyukların pozitif yük taşıyormuş gibi hareket ettiği izlenimi oluşur (konvansiyonel akım yönü).
Bu oyuk hareketi, silikondaki elektron eksikliğine yol açar ve katkılanmış kristalin tamamını pozitif bir kutup hâline getirir. Her bir safsızlık atomu bir oyuk oluşturduğundan, üç değerlikli safsızlıklar genellikle “akseptör (alıcı)” olarak adlandırılır; çünkü sürekli olarak fazladan veya serbest elektronları kabul ederler.
Bor (sembolü B), en yaygın kullanılan üç değerlikli katkı maddelerinden biridir. Bor atomu, çekirdeği etrafında üç kabukta dizilmiş 5 elektrona sahiptir ve en dış yörüngesinde yalnızca üç elektron bulunur. Bor atomlarıyla yapılan katkılama sonucunda iletkenlik büyük ölçüde pozitif yük taşıyıcıları tarafından sağlanır. Böylece P-tipi bir malzeme oluşur. Bu malzemede pozitif oyuklar “çoğunluk taşıyıcılar (majority carriers)”, serbest elektronlar ise “azınlık taşıyıcılar (minority carriers)” olarak adlandırılır.
Bir yarı iletken malzeme, akseptör yoğunluğu donör yoğunluğundan büyükse, P-tipi olarak sınıflandırılır. Dolayısıyla P-tipi bir yarı iletkende oyuk sayısı elektron sayısından fazladır.
Yarı İletken Temelleri – Bor Atomunun Yapısı ve Katkılama (Doping)
Yukarıdaki diyagram, akseptör safsızlık atomu olan borun yapısını ve kristal örgüsünü göstermektedir.
Yarı İletken Temelleri – Özet
N-Tipi (ör. Antimon ile katkılanmış)
Bunlar, beş değerlikli (pentavalan) safsızlık atomları (donörler) eklenmiş ve iletimi elektron hareketi ile sağlayan malzemelerdir. Bu nedenle N-tipi yarı iletkenler olarak adlandırılırlar.
N-tipi yarı iletkenlerde: