Yarıiletkenler

İletkenlik:

Maddelerin elektrik iletkenliği atomik yapılarından gelir. Atomun yapısı basit bir modelleme ile incelenecek olursa, (+)yüklü protonlar ile yüksüz (nötr) nötronların çekirdekte sabit olduğu, (-)yüklü elektronların ise bu çekirdek etrafında belirli enerji seviyelerinde (katmanlarda) döndüğü kabul edilir. Her bir katman bir enerji seviyesini gösterir ve katmanda bulunabilecek elektron sayısı sınırlıdır. En dış katmandaki elektronlar elektrik iletiminden sorumludur. Çünkü elektrik akımı olabilmesi için yük hareketi gereklidir ve atomun çekirdeğinden ne kadar uzaksa o elektronu (- yükü) atomdan koparmak ve hareketlendirmek o kadar kolaydır. Son katmanda bulunan ve atomdan kolayca kopartılabilen bu elektronlara serbest (valans) elektron denir. Metaller elektrik akımını iyi iletirler çünkü serbest elektronları vardır.

Bir metal telin modelize edildiği yukardaki şekilde üretecin negatif kutbundan gelen elektronlar en soldaki metal atomunun son yörüngesindeki elektronu atomdan kopartır ve onun yerine geçer. Bu atomdan kopan elektron bir sağdaki atoma çarpar, son yörüngesinde elektronu kopartır ve onun yerine geçer. Bu hareket sağa doğru devam eder. Çünkü bağlanılan üreteç tel üzerinde oluşturduğu elektrik alanı ile (-) yükleri (elektronları) sağa doğru iter. Sonuç olarak üretecin negatif kutbundan çıkan bir elektrona karşılık, pozitif kutbuna bir elektron ulaşır.

Tanım olarak elektrik akımının yönü katılarda elektronların yönünün tersi, sıvı ve gazlarda (+) yüklü iyonların yönüyle aynı yönlüdür. Dolayısıyla tel üzerinde soldan sağa doğru elekton hareketi olduğundan, sağdan sola doğru bir elektrik akımı vardır.

Yalıtkan maddelerde serbest elektron olmadığından elektrik akımını iletmezler.

Elementler özelliklerine göre periyodik tabloda yerlerini almışlardır. Sıralama atom numaralarına (proton sayısı) yapılmasına rağmen her bir sütundaki (grup) elementler benze kimyasal özelliklere sahiptir.  Her bir satıra ise periyot denir. Son sütunda bulunan elementler (Helyum, Neon, Argon, ..) en kararlı elementlerdir ve asla başka elementlerle bileşik yapmazlar. Bu elementler oda sıcaklığında gaz halinde bulunurlar ve soygazlar ya da asalgazlar olarak adlandırılır. Helyum dışındaki tüm soygazların son katmanlarında 8 elektron bulunur. Helyumda is bu sayı 2 dir. Diğer Her bir element elektron alış verişi yaparak kendisine en yakın soygaza benzemek istediğinden kararsız yapıda olarak adlandırılır. Periyodik tablonu sol tarafında bulunan metaller kolay elektron vermeye, sağ tarafta bulunan ametaller ise elektron almaya meyillidir. Bu şekilde son katmanlarındaki elektron sayısını 8 yaparak kararlı hale gelmeye çalışırlar. Bir metal ve bir ametal bir araya gelip elektron alış verişi ile bir bağ kurup bileşik oluştururlar. Bu bağa İyonik Bağ denir.

Yarıiletkenler:

Yarıiletkenlerde genellikle Silisyum ve Germanyum kullanılır. Her iki atomun da son yörüngesinde 4 elektron vardır. Bu atomlar kararlı hale gelmek için elektron alıp vermek yerine başka bir atomun son yörüngesindeki  elektronları ortaklaşa kullanarak bir bağ oluşturur. Elektronların ortak kullanılmasıyla kurulan bağa Kovalent Bağ denir.

Şekildeki Silisyum (Si) atomları diğer Silisyum atomlarıyla kovalent bağ oluşturmuş ve kararlı yapıya ulaşmıştır. Görüldüğü gibi her bir atomun etrafında 8 elektron bulunmakta olup bunların sadece 4 tanesi kendisine aittir. Diğer 4 elektronun her biri başka bir Silisyum atomuna ait olup ortak kullanıma girmiştir.

Bir silisyum maddede (yonga da denilebilir) dışarıdan bir enerji ile örneğin yüksek enerjili bir ışık yollanarak bir elektron sistemden kopartılabilir. Elektronun koparıldığı bağda bir elektron eksikliği olur. Bu eksiklik, boşluk (hole) olarak adlandırılır ve (+) yüklüdür. Devreye şekildeki gibi bağlanan üretecin oluşturduğu elektrik alanı nedeniyle elektronlar sağa doğru itilmektedir. Boşluğa yakın olan soldaki bir elektron bu alan nedeniyle sağa doğru hareket ederek bu boşluğu doldurur. Ancak bu kez onun boşalttığı yer (+) yüklü bir boşluk olur. Bu olay böylece devam eder, elektronların boşalttıkları yerlerdeki (+) yüklü boşluk sol tarafa kadar ulaşır. Bu da bu yonga üzerinde sola doğru bir elektrik akımı demektir. Dışardan uygulanan etki (burada yüksek enerjili ışık) ile bu akım kontrol edilebilir.

Doping:

Dış etki yerine daha sık uygulanan metot silisyumun saflığının bozulmasıdır. Bu yaklaşık 10⁸ Silisyum atomunda bir Bor ya da Fosfor atomunun imalat esnasında yerleştirilmesiyle (doping) sağlanır.

Fosforun (P) son katmanında 5 elektron vardır. Bu atom bir silisyum yonganın içine yerleştirildiğinde son katmandaki 4 elektron Silisyum atomlarıyla kovalent bağ oluştururken,  bir elektron serbest halde kalır. Burada dikkat edilmesi gereken, açıkta bir fazla elektron olsa da yonganın net yükü sıfırdır. Çünkü Fosforda da fazladan bir proton vardır.

Bu yapıya aşağıdaki gibi bir üreteç bağlanılırsa serbest haldeki bu elektron elektrik alanı etkisiyle sağa doğru itilir ve üretecin pozitif kutbuna ulaşır. Bu da sola doğru bir elektrik akımı demektir. Burada elektrik akımı negatif yüklü elektronlar olduğu için bu yapıya N-tipi yarıiletken denir.

Fosfor(P) ile dope edilen silisyum(Si) modellemesi aşağıdaki gibidir. Unutmayalım Fosforbağlı olduğu için sadece elektronlar hareket edebilir.

.

 Bor atomunun son yörüngesinde 3 elektron vardır. Silikon yonganın içerisine Bor yerleştirildiğinde, bu 3 atom da etraftaki Silikon atomlarıyla bağ yaparken bir kenarda bir boşluk oluşur. Yukarıdaki modellemede Bor atomunun altında sadece bir elektron görülmektedir. Onun yanı boşluktur.

Burada bir eksik elektron olsa da yonganın net yükü sıfırdır. Çünkü Borda da bir proton eksiktir.

Bu yongaya şekildeki gibi bir üreteç bağlandığında daha önce anlatıldığı üzere oluşan elektrik alanı, elektronları sağa doğru iter. Bu boşluğun soldaki en yakın elektron tarafından doldurulmasına, elektronun boşalttığı yerde bir boşluk oluşmasına ve sürekli olarak boşluğun sola doğru hareket etmesine sebep olur. Dolayısıyla bir akım oluşur. Burada akımın yönü (+) yüklü boşluklarla aynı yani sola doğrudur. Bu modellemede elektrik akımı pozitif yüklü boşluklar olduğu için bu tür yapılara P-tipi yarıiletkenler denir. Ve aşağıdaki gibi gösterilir:

P-N Bağlantısı (P-N Junction):

P-tipi bir yarıiletken ile N-tipi bir yarı iletken şekildeki gibi birleştirildiğinde ne olur? Eklem yeri de denen bağlantı hattının her iki tarafında bulunan (-) yüklü elektronlar ile (+) yüklü boşluklar birleşerek nötr bir bilge oluşturur. Ancak eklem noktasının sağ tarafı elektron kaybettiğinden pozitif yüklü, eklem noktasının sol tarafı ise boşluklar gittiğinden negatif yüklü olur. Bunun sonucunda da sağdan (+ dan) sola (- ye) bir elektrik alanı oluşur. Bu alan içerisindeki bölgeye arınmış (yük bulunmayan) bölge denir. Bu bölge hareket etmek isteyen yükler için bir bariyer görevi görür. Çünkü elektrik alanı elektronların sola, boşlukların sağa hareketine engel olur, herhangi bir akım oluşmaz.

Şekildeki gibi bir üreteç devreye bağlandığında soldan sağa doğru bir elektrik alanı (E’) oluşur. Bu alan arınmış bölgedeki elektrik alanı (E) ile zıt yönlüdür ve onun etkisini azaltır. Arınmış bölge daralır ve üretecin değeri belirli bir seviyeyi geçtiği anda yüklerin hareketi mümkün olur, elektrik akımı oluşur. Bu gerilim Silisyum için 0,6-0,7 volt civarında, Germanyum için 0,2-0,3 volt civarındadır.

Üretecin yönü değiştirildiğinde oluşan elektrik alan (E’), iç elektrik alanla (E) aynı olacağından bu alanı kuvvetlendirir, arınma bölgesi genişler, bariyer büyür ve elektrik akımı geçmez.

Bu yapı aslında alternatif akımın doğru akıma dönüştürülmesi için doğrultucu olarak kullanılan devre elemanı diyottur!

Transistör:

Anahtarlama ya da sinyal yükselteci olarak kullanılan transistörler de aslında bir N-P eklemi ile bir P-N ekleminin birlikte kullanıldığı yapıdır. Solda uygulanan(P-N arasına) gerilim bariyeri düşürerek elektronların orta bölgeye geçmesini sağlar. Alttaki N-N arasına bağlanan daha büyük bir üreteç, ortadaki bölgeye geçen elektronların bir kısmının sağa doğru hareket ederek üretecin pozitif kutbuna ulaşmasını sağlar. Soldaki küçük üreteç ile iki N bölgesi arasındaki akımın olup olmaması ve büyüklüğü kontrol edilebilir. P bölgesine bir gerilim uygulanmazsa, sağdaki gerilim ne kadar büyük olursa olsun akım geçmez. Bu yapı bir NPN transistördür. İki üretecin de negatif kutbunun bağlandığı soldaki N bölgesi emitter (emitör),  ortadaki P bölgesi base (beyz) ve sağdaki N bölgesi de Collektor (kollektör) olarak adlandırılır.