n - SABİS

advertisement
Yarı iletkenler
• Yarıiletkenler saf (has) yarı iletkenler (Intrinsic) ve
• Katkılı yarı iletkenler (Extrinsic)
olmak üzere iki gruba ayrılır.
Katkılı Yarıiletkenler:
1) Negatif N - tipi katkılı Yarı-İletken
2) Pozitif P - tipi katkılı Yarı-İletken
Saf yarı iletkenlik saf malzemelerin özelliklerinden
kaynaklanan elektriksel iletkenliktir. Saf yarı iletkenlere
katılan bazı yabancı atomlar iletkenliği çok arttırabilirler,
bu tür yarı iletkenlerde katkılı yarıiletkenler denir.
Yarıiletken madde elektrik iletkenliği bakımından iletken ile
yalıtkan arasında kalan maddelerdir. Normal durumda
yalıtkan olan bu maddeler ısı, ışık, manyetik etki veya
elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında bir miktar
değerlik elektronlarını serbest hale geçirerek iletken
duruma
gelirler.
Uygulanan bu dış etki veya etkiler ortadan kaldırıldığında
ise yalıtkan duruma geri dönerler. Bu özellik elektronik
alanında yoğun olarak kullanılmalarını sağlamıştır. Yarı
iletkenlerin değerlik yörüngelerinde dört elektron bulunur.
Bu yüzden yarı iletkenler iletkenlerle yalıtkanlar arasında
yer almaktadır. Elektronik elemanlarda en yaygın olarak
kullanılan yarı iletkenler Ge ve Si elementleridir.
Periyodik cetvelde grup 3 elementleri ile grup 5 elementleri,
benzer şekilde grup 2 ile grup 6 elementleri arasında
oluşturulan kovalent bağlı bileşiklerde aynı elektron yapısına
ve aynı kristal kafes yapısına sahiptirler, dolayısıyla bunlara
has (saf) yarı iletkenler denir.
Ayrıca has yarı iletkenlere katılacak katkı elementlerinin
türlerine göre ek elektriksel yük taşıyıcı oluştururlar. Bunlara
katkılı yarı iletkenler denir.
Saf (has) Yarıiletkenler
Uygulamada en çok kullanılan yarı iletkenler periyodik cetvelin
IV. grup elementlerinden saf Si ve Ge’dur. Bunlar kovalent
bağlı olup, kompleks kübik kristallere sahiptirler ve birim
hücrelerinde 8 atom bulunur. Bu elementlere yeterli elektriksel
alan uygulandığı zaman bir miktar valans elektronu enerji
boşluğunu (Ev) atlayarak boş iletim bandına geçer. Dolu band
dan boş banda geçen elektron, ilk bandta bir boş enerji düzeyi
bırakır ve yapıdaki kovalent bağlardan birinde bir elektron
eksilir. Daha düşük enerji düzeyindeki bir elektron az bir enerji
ile bu boş düzeye yükselerek hareket edebilir. Yapıdaki
elektron boşluğu eksi taraftan gelen başka bir elektronla
doldurulur, böylece boşluk artıdan eksiye doğru hareket
ederek artı yük taşıyıcı olur. Saf yarı iletkenlerde her iletim
bandına atlayan bir elektron geriye bir elektron boşluğu
bıraktığından eksi yük taşıyıcı sayısı “nn” , artı yük taşıyıcı
sayısına “np”ye eşittir.
Has yarıiletkenlerde Ea enerji aralığı küçük olduğundan
elektriksel alan veya ısıl enerji etkisinde aktive olan
elektronlar enerji aralığını atlayarak boş iletim bandına
geçer ve iletim sağlar. Bu özelliğe sahip grup 4 elemanları
Si, Ge ve Sn’dır.
Bileşik türü has yarı iletkenler de 3 valans elektronlu grup 3
elemanları B, Al, Ge, In ile 5 valans elektronlu grup 5
elemanları P, As ve Sb arasında oluşturulur. Yapı ve
iletkenlik yönünden Saf (has) yarı iletkenlere benzerler.
Katkısız (saf) yarı iletkenler elektrik iletimleri kendine ait iletim özellikleriyle
belirlenen saf yarı iletkenlerdir. Saf silisyum ve germanyum bu tür
iletkenlerdir. IVA grubunda bulunan bu elementler yüksek yönlenmişlikteki
ortaklaşım bağlarıyla kübik elmas yapısındadır.
Bu yapıda her bir silisyum ve germanyum atomu dört değerlik elektronunu
verir. Katıksız yarı iletkenlerde, değerlik ve iletim kuşakları arasında 0.7 ile
1.1 eV arasında değişen, nispeten küçük bir enerji aralığı bulunur.
Katıksız yarı iletkenler katışkı atomlarıyla katkılanarak katkılı yarı
iletkenler haline getirildiklerinde elektrik iletimini sağlamak için gerekli enerji
büyük çapta azalır.
7
Katkısız, has, saf yarıiletkenler
8
Yarı iletkenlerin başlıca özellikleri:
. İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar,
. Normal halde yalıtkandırlar.
. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim
uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani
iletkenlik özelliği kazanır.
. Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki
kalkınca elektronlar tekrar atomlarına dönerler.
. Tabiatta basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik
eleman halinde de elde edilir.
. Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes
sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır.
. Bu tür yarı iletkenler, ısı, ışık etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli
oranda iletken hale geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler
katılarak da iletkenlikleri arttırılmaktadır.
. Katkı maddeleriyle iletkenlikleri arttırılan
yarı iletkenlerin
elektronikte ayrı bir yeri vardır.
9
Tüm yarı iletken elementler son yörüngelerindeki elektron sayısını sekize
çıkarma çabasındadırlar. Bu nedenle saf bir Ge elementinde komşu
atomlar son yörüngelerindeki elektronları kovalent bağ ile birleştirerek ortak
kullanırlar. Atomlar arasındaki bu kovalent bağ Ge elementine kristal
özelliğini kazandırır. Si’da özellik olarak Ge ile hemen hemen aynıdır. Yarı
iletkenler Ge, Si, Selenyum gibi elementler olabildiği gibi bakır oksit,
galyum arsenid, indiyum fosfür, kurşun sülfür gibi bileşikler de olabilir.
Yarı iletkene voltaj uygulandığında e’lar iletim bandına hareket ederken,
Elektron boşlukları zıt yöndeki valans bandına hareket ederler.
(a) Mutlak sıfırda, (b) yüksek sıcaklıklarda valans ve iletim bantlarında e
ve e boşluklarının dağılımı
Has yarı iletkenlere;
üçer valans elektronuna sahip B, Al, Ga, In gibi elementlerin ilavesiyle p tipi,
beşer valans elektronuna sahip P, As, Sb gibi elementlerin ilavesiyle n tipi
katkılı yarı iletkenler elde edilir. Değerlik (valans) bandının yukarı çekildiği
yarı iletkenlere p tipi yarı iletken, iletkenlik bandının aşağıya çekildiği yarı
iletkenlere ise n tipi yarıiletken denir.
Yarıiletkenlerde Toplam iletkenlik;
Burada;
“µn” eksi yük taşıyıcı elektronların hareket yeteneği,
“µp” artı yük taşıyıcı elektronların hareket yeteneğidir.
nn=ne iletim bandındaki elektronların sayısı
np=nh valans bandındaki boşlukların sayısı
Saf yarıiletkenlerde elektronlarla elektron boşlukları çiftler
halinde oluştuğu için birbirine eşittir.
Gerçekte elektron boşluklarının çok dar bir enerji düzeyinde
bulunması hareketi güçleştirir, bu nedenle µp<µn’dir.
Örnek: Germanyum için 25oC’de, (a) yük taşıyıcı sayısını, (b) valans
banttan iletim bandına hareket eden toplam e oranını, ve (c) n0 sabitini
hesaplayınız?
saf yarı iletkenlerde n=nn=np’dir.
b. Ge’un kafes parametresi 5.6575.10-8 cm.dir. Ge elmas kübik yapıdadır.
2kT=2 (0.025)=0.05eV ise valans bandındaki toplam e sayısı:
Problem: Si’un iletkenliği 6 1/ohm.m olursa bunun yüzde
kaçı elektronlarla % kaçı elektron boşlukları ile iletilir?
µn=0.19 m2/Vs µp= 0.0425m2/Vs
Typical Semiconductors
Silicon
GaAs
Diamond Cubic Structure
ZnS (Zinc Blende) Structure
4 atoms at (0,0,0)+ FCC translations
4 atoms at (¼,¼,¼)+FCC translations
Bonding: covalent
4 Ga atoms at (0,0,0)+ FCC translations
4 As atoms at (¼,¼,¼)+FCC translations
Bonding: covalent, partially ionic
SICAKLIĞIN YARI İLETKENLİĞE ETKİSİ: Metallerde sıcaklık arttıkça
iletkenlik azalır. Metallerde sıcaklık arttıkça atomların titreşimi artar, bu
durum iletkenliğin düşmesine neden olur.
Yarı iletkenlerde sıcaklık arttıkça iletkenlik artar. Yarı iletkenlerde
sıcaklık arttıkça daha fazla elektron iletkenlik bandına geçtiğinden
iletkenlik artar.
Yalıtkanların iletkenlikleri çok düşüktür.
  nn .q.  n  n p .q.  p
Saf yarı iletkenlerde toplam iletkenlik;
 n: eksi yük taşıyıcı elektronların hareket yeteneği
p: artı “
“
boşlukların “
“
Şekil: Metaller ve yarıiletkenlerde sıcaklıkla iletkenliğin
değişimi
21
Katkılı Yarı İletkenler: Katkı maddesi eklenerek oluşturulan
iki temel yarı iletkenler N-tipi ve P-tipi yarıiletken
malzemelerdir. Elektronik devre elemanlarının üretiminde
bu iki madde kullanılır. Si ve Ge’un iletkenliği kontrollü
olarak arttırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak arttırmak için
saf yarı iletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu
işleme ‘doping’ denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya
boşluk) sayısının
arttırılması malzemenin iletkenliğini,
azaltılması ise malzemenin direncini arttırır. Her iki doping
olayı sonucunda N-tipi ve P-tipi yarı iletken malzeme
oluşur.
N ve P Malzemelerinin Elde Edilişi: P ve N malzemelerinin
temelinde monokristal yapıdaki (4A grubundaki Si ve Ge gibi
elementler kendi aralarında oldukça kararlı bağ yaparlar. Her
atom kararlılığa ulaşmak yani 8A grubu elementlerine benzemek
için 4 adet kovalent bağ yapar. Bu sayede düzenli bir bağ sistemi
kurulur. Bu yapıya monokristal yapı denir) yarı iletkenler vardır.
Bu yarı iletkenlere gerekli tekniklerle başka maddeler katılır ve
katılan maddeye göre P ve N tipi madde elde edilir.
Download