YARIİLETKENLER ve P

YARIİLETKENLER ve
P-N EKLEMLERİ
TEMEL KAVRAMLAR
Atom:
elektron
elektron
yörüngesi
K
L
M
çekirdek
elektron
elektron
Çekirdek
Atomun basit gösterimi
Çekirdek normalde neutron ve protonlardan oluşur
Elektronlar çekirdek etrafında ayrık kabuklar şeklinde K, L, M, N, vb. gibi
isimler verilen orbitler oluştururlar.
Atom, proton sayısı = elektron sayısı olduğu için elektriksel olarak nötrdür.
En dıştaki kabuk VALANS (DEĞERLİK) kabuk olarak isimlendirilir.
Bu kabuktaki elektronlar da valans elektronları olarak isimlendirilir.
N
TEMEL KAVRAMLAR
Elektrik Yükü
Atomu oluşturan elektron ve protonlar, elektrik yükünü meydana getirirler. Normalde
elektron yükü ile proton yükü ters yönde etki gösterirler. Dolayısıyla elektronlara Negatif
yüklü denirken protonlara da pozitif yüklü denir. Atom çekirdeğinde bulunan nötronlar ise
herhangi bir yük taşımazlar. Yani Nötrdürler.
İyonlar
Normal bir atomun elektron yörüngesindeki elektron sayısı kadar çekirdeğinde proton
bulunur. Böylece pozitif yükler (protonlar) ile negatif yükler (elektronlar) birbirlerini dengeler
ve atom elektriksel olarak nötrlenir.
Bir atomun herhangi bir yolla fazladan bir elektron aldığını varsayalım. Bu durumda atom
artık nötral değildir. Çünkü fazlalık bir negatif yükü vardır ve negatif yüklü diğer kütleler gibi
davranır. Benzer şekilde, normal bir atom, bir elektron kaybederse, pozitif yüklü hale gelir.
Çünkü bu durumda çekirdeğinde pozitif yüklü fazladan bir protona sahiptir.
Kaybedilmiş ya da kazanılmış elektronlar nedeniyle yüklü hale gelmiş (nötr durumu
bozulmuş) bir atoma iyon adı verilir. Eğer bir atom, elektron kaybetmişse pozitif iyon,
kazanmışsa negatif iyon olur.
TEMEL KAVRAMLAR
Yük Transferi
Bir atom elektron kazanıp ya da kaybedince yüklü hale gelir. Benzer durum
cisimler için de sözkonusudur. Yünlü kumaşa sürtüldüğünde fazladan elektron
alarak negatif yüklü hale gelen kalem buna bir örnektir. Yüklü kalem bir kağıt
parçasına yaklaştırıldığında bunu çeker. Bunun nedeni statik elektriktir. Yük
akışı olmamadan meydana gelen bu çekme olayı elektrostatik çekim olarak
isimlendirilir.
Keskin kış günlerinde bir halı üzerinde yürürken, araba koltuğunda otururken,
v.b. gibi durumlarda insan vücudu da bu statik elektrikle yüklenir ve herhangi
bir şeye dokununcaya kadar da vücutta yüklü kalır. Bir şeye dokunduğumuzda
ise vücuttan bu dokunulan nesneye akar ve vücut bu yükten boşalmış olur. Bu
statik yük vücuttan deşarj cismine akarken artık statik (durgun) değildir. Bu
durum da dinamik elektrik özelliğine sahiptir. Çünkü yük hareket halindedir.
Yükün vücuttan dışarı boşalması, bir şok etkisiyle hissedilir.
Unutulmamalıdır ki yük, kalemin bir kumaşa sürtülmesiyle
oluşmaz. Sadece bir cisimden diğerine transfer edilir.
TEMEL KAVRAMLAR
Coulomb
Elektrik yükleri miktar bakımından çok küçüktürler ve işlem
yapmakta zorluk çıkarırlar. Bu nedenle Coulomb bir birim olarak
kullanılıp bu zorluk ortadan kaldırılır.
1 Coulomb (C) = 6,24 × 1018 elektron
Elektrik yükü sembolü: Q, birimi: C
Örnek
Eğer bir gövde 26,1 × 1012 elektron kaybederse ne kadarlık bir yük
kazanır. Mikro Coulomb türünden bulunuz.
Çözüm:
Gövde elektron kaybettiği için pozitif yüklenir.
Q = 26,1 × 10
= 4,2 µC
12
elektron ×
10 6 µ C
×
C
elektron
1C
6,24 × 1018
1- İletkenler
Bir maddenin iletkenliğini belirleyen en önemli faktör, atomlarının son
yörüngesindeki elektron sayısıdır. Bu son yörüngeye "Valans Yörünge“, üzerinde
bulunan elektronlara da "Valans Elektron" denildiğini daha önce söylemiştik.
Valans elektronlar atom çekirdeğine zayıf olarak bağlıdır. Valans elektrona
uygulanan enerji ile elektron atomu terk eder. Valans elektronun serbest hale
geçmesi, o maddenin iletkenlik kazanması demektir.
Valans elektronlara enerji veren etkenler:
v  Elektriksel etki
v  Isı etkisi
v  Işık etkisi
v  Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi
v  Manyetik etki
Valans yörüngesindeki elektron sayısı 4 'den büyük olan maddeler
yalıtkan, 4’den küçük olan maddeler de iletkendir. Örneğin bakır
atomunun son yörüngesinde sadece bir elektron bulunmaktadır. Bu da
bakırın iletken olduğunu belirler. Bakırın iki ucuna bir elektrik enerjisi
uygulandığında bakırdaki valans elektronlar güç kaynağının pozitif
kutbuna doğru hareket eder. Bakır elektrik iletiminde yaygın olarak
kullanılmaktadır. Sebebi ise maliyetinin düşük olması ve iyi bir iletken
olmasıdır.
En iyi iletken ise özdirencinin daha düşük olması nedeniyle
gümüştür (gümüşün öz direnci: 1.6 µΩ.cm). İletkenlik sıralamasında;
gümüşten sonra bakır, sonra altın gelir. Bakır ve altının
özdirençleri ise sırasıyla; 1.7 ve 2.2 µΩ.cm’dir. Gümüş ve altın,
maliyetinin yüksek olması nedeniyle elektrik iletiminde
kullanılmamaktadır.
2-Yalıtkanlar:
Yalıtkan maddelerin atomlarının valans yörüngelerinde 8 elektron bulunur. Bu
tür yörüngeler doymuş yörünge sınıfına girdiği için elektron alıp verme gibi bir
istekleri yoktur. Bu sebeple de elektriği iletmezler. Yalıtkan maddeler iletken
maddelerin yalıtımında kullanılır. Yalıtkan maddelere örnek olarak tahta, cam
ve plastiği örnek verebiliriz.
3-Yarıiletkenler:
Yarıiletken, iletkenliği yalıtkan ve metal arasında olan ve yine iletkenliği
sıcaklık veya katkılama ile değiştirilebilen kristal veya amorf yapıdaki
katılardır.
Yarıiletkenlerin valans yörüngelerinde 4 elektron bulunmaktadır. Bu yüzden
yarıiletkenler iletkenlerle yalıtkanlar arasında yer almaktadır. Elektronik
elemanlarda en yaygın olarak kullanılan yarıiletkenler Germanyum ve
Silisyumdur. Tüm yarıiletkenler son yörüngelerindeki atom sayısını 8'e çıkarma
çabasındadırlar. Bu nedenle saf bir germanyum maddesinde komşu atomlar
son yörüngelerindeki elektronları kovalent bağ ile birleştirerek ortak kullanırlar.
Ametal, ısıyı ve elektrik akımını hiç iletmeyen. Oda sıcaklığında katı, sıvı ve gaz halde
bulunan ametaller vardır. Örneğin Oksijen, Azot, Helyum, Klor gibi elementler saf halde iken oda
sıcaklığında gaz halinde bulunur. Brom sıvı bir ametaldir. Karbon, Fosfor, Kükürt, İyot ise oda
sıcaklığında katı halde bulunur.
Metal, yalıtkan ve yarıiletkenlerin iletkenlik ve serbest elektron
sayıları oda sıcaklığında aşağıdaki tabloda karşılaştırılmaktadır:
Katı
İletkenlik
(oda sıcaklığı)
Serbest elektron
(taşıyıcı) sayısı
İletken (metal) 106 (Ω.cm)-1
1022 1/cm3
Yalıtkan <108 1/cm3 10-12 (Ω.cm)-1
Yarıiletken (Si) 10-6 – 103 (Ω.cm)-1
108-1019 1/cm3 Valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri madde
yapısına göre şöyle değişmektedir:
Ø  İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir (yasak enerji aralığı
çok düşük olduğundan) → Eg ≅ 0
Ø  Yarıiletkenlerde nispeten fazla enerji gereklidir (yasak enerji aralığı
ikisinin ortasında) → 0 < Eg < 3 eV
Ø  Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir (yasak enerji aralığı çok
büyük olduğundan) → Eg ≥ 3 eV
Bu durum Şekil 1.2’de gösterilmektedir.
Şekil 1.2. İletkenlik derecesine göre değişen bant enerjileri: (a) İletken,
(b) Yarıiletken, (c) Yalıtkan (Not: Enerji Boşluğu = Yasak enerji aralığı)
Kovalent Bağ Oluşumu
Aşağıdaki şekilde kovalent bağ gösterilmektedir. Silisyum özellik olarak
germanyumla hemen hemen aynı olmakla birlikte yarıiletken elektronik
devre elemanlarında daha çok silisyum kullanılır. Silisyumun ana
hammaddesi kum olduğundan maliyeti ucuzdur.
Şekil 1.1 Yarıiletkenlerde kovalent bağ oluşumunun gösterimi
Yarıiletkenlerde boşluk (hole) oluşumu ve taşıyıcı hareketi
§  İçinde yabancı madde bulunmayan düzgün bir kristal yapıya sahip olan
yarıiletken saf yarıiletken (intrinsic semiconductor) olarak
adlandırılır. Düşük sıcaklıklarda taşıyıcı yük olmadığından
yarıiletkenden akım iletilemez ve yalıtkan gibi davranır. Sıcaklık
arttığında bağ oluşturan elektronların enerjisi artar ve bağların birinden
bir elektron kopar.
§  Elektron bağdan ayrılınca elektronun ayrıldığı bölgede yük dengesi
bozulur ve elektronun ayrıldığı bağ +q yüküne sahip olur. +q yükü
olarak görülen eksik elektronlu bağ delik-boşluk-oyuk (hole) adını
alır. Kristal içindeki bu (+) ve (-) yüklerin çoğalması ile kristal daha iyi
iletken hale gelir.
§  Yarıiletken kristal, bir elektrik alanı içine konursa delikler ve e’ler
birbirlerinin tersi yönde hareket eder. Boşluk, komşu bağdan gelen
elektron tarafından doldurulur; daha doğrusu delik, elektronun geldiği
bağa geçer. Aslında hareket eden elektron olmasına rağmen delik
hareket ediyor gibi görünmektedir. Yarıiletken içerisinde +q yüklü
boşluklar ile –q yüklü elektronlar hareket edebilmekte,
iletkenlerden farklı olarak iki tip taşıyıcı yük bulunmaktadır.
Saf yarıiletkende bağlardan kopan her bir elektrona karşılık boşluk
oluşmaktadır. Birim hacimde bulunan elektron sayısı n ve boşluk sayısı p ile
gösterildiğinde saf yarıiletken için:
n = p = ni
Burada ni saf yarıiletkenin taşıyıcı yoğunluğudur.
Yariletkenlerin direnci, sıcaklığa bağlı olarak üstel bir fonksiyon şeklinde
azalır. Öte yandan metallerde ise sıcaklık arttıkça direnç de artar. Bundan
dolayı yarıiletkenler NTC tipi termistör yapımında kullanılır.
3.1 Katkılanmış yarıiletken (extrinsic/doped semiconductor):
Yarıiletkenin elektriksel ve optiksel özellikleri çok küçük bir katkılama
(doping) ile oldukça değiştirilebilir. Bu maddeler katkılandırılarak Pozitif
veya Negatif maddeler elde edilir. Pozitif (+) maddelere "P-tipi", Negatif
(-) maddelere de "N-tipi" yarıiletken denir.
3.1.1. N-tipi yarıiletken:
Arsenik elementinin valans yörüngesinde 5 adet elektron bulunur.
Silisyum arsenik ile katkılandırıldığında, arsenik ile silisyum atomlarının
kurdukları kovalent bağdan arsenik atomunun 1 elektronu açıkta kalır
(Şekil 1.3).
Örnek olarak yarıiletkene 106 da 1 oranında 5 valans elektronlu yabancı
atom (bu atomlara verici-donör atom denir) katılsın. Yarıiletkende cm3
başına 1022 mertebesinde atom olduğundan buna göre cm3 de 1016
mertebesinde yabancı atom ve bu atomlara karşılık serbest elektron
açığa çıkacaktır. Yapıdaki elektron sayısı oldukça arttığından
"Negatiflik" özelliği kazandırır ve malzeme n-tipi yarıiletken olarak
adlandırılır. Birim hacimde bulunan veren atom sayısı ND ile gösterilsin.
Bir elektron kaybeden katkı atomu +q yüküne sahip olacaktır. Elektron
yoğunluğu n ve boşluk yoğunluğu da p olduğuna göre birim hacimde n tane –q
yükü ve p+ND tane de +q yükü olacaktır. Yük dengesi olduğundan;
n=p+ND
Yapıda n>>p olduğundan elektron sayısı yaklaşık olarak veren atom
sayısına eşit olacaktır:
n ≅ ND
Şekil 1.3 N-tipi yarıiletkenin gösterimi
3.1.2 P-tipi Yarıiletken:
Bor, Al, Ga ve In elemetlerinin valans yörüngesinde 3 adet elektron
bulunmaktadır. Silisyum maddesine bor maddesi enjekte edildiğinde atomların
kurduğu kovalent bağlarda bir elektronluk eksiklik kalır (Şekil 1.4) ve bu eksikliğe
yukarıda da belirtildiği gibi "Delik-Oyuk-boşluk" adı verilir. Yani katkı atomunun 3
elektronu bağ oluştururken dördüncü elektron, komşu bağlardan birinden
sağlanan elektronla tamamlanır.
Bu işlem sırasında katkı atomu bir elektron kazandığından –q yüküne sahip
olmuştur. Yabancı atom bağ sayısını dörde çıkarırken yarıiletkenin atomlarından
birinden bir elektron eksilmiştir ve kopan bağda bir boşluk meydana gelmiştir. Bu
elektron eksikliği, yapıya "Pozitiflik" özelliği kazandırır yani pozitif yüklü taşıyıcı
boşluk sayısı, negatif yüklü taşıyıcı (elektron) sayısından daha fazladır. N-tipi
yarıiletkendeki durumun tersi olarak;
p=n+NA (NA: Katkı atomlarının birim hacimdeki sayısı)
Her bir katkı atomuna karşılık bir boşluk oluştuğundan, boşluk sayısı elektron
sayısından çok daha fazladır ve bu nedenle;
p ≅ NA
P tipi maddeye bir gerilim kaynağı bağlandığında kaynağın negatif
kutbundaki elektronlar P tipi maddeki boşlukları doldurarak kaynağın pozitif
kutbuna doğru ilerlerler. Elektronlar pozitif kutba doğru ilerlerken
boşluklar da elektronların ters yönünde hareket etmiş olurlar. Bu
kaynağın pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru bir boşluk hareketi sağlar.
Şekil 1.4. P-tipi yarıiletkenin gösterimi
3.1.3. Azınlık ve Çoğunluk Taşıyıcılar :
§  Yukarıda da bahsedildiği gibi P tipi yarıiletkende bulunan boşluk sayısı,
elektron sayısından fazladır. Aynı şekilde N tipi maddede de serbest
elektron sayısı boşluk sayısından fazladır. İşte bu fazla olan boşluk ve
serbest elektronlara "Çoğunluk Taşıyıcılar", az olanlara da "Azınlık
Taşıyıcılar" denir. Yani P-tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcılar
boşluklar ve azınlık taşıyıcılar ise serbest elektronlardır. N-tipi
malzemede bunun tersidir.
§  Azınlık taşıyıcılar, yarıiletken elektronik devre elemanlarında
sızıntı akımına neden olur. İçerisinde çok sayıda yarıiletken devre
elemanı bulunduran entegrelerde fazladan gereksiz akım çekimine
yol açar ve bu da elemanın ısınmasına hatta zarar görmesine
neden olur.
3.1.4 Difüzyon akımı
.
§  Yarıiletkenlerde iletkenlerde olmayan bir iletim biçimine rastlanır. Bu,
difüzyon akımıdır. Yarıiletken içerisinde herhangi bir bölgede taşıyıcı
yoğunluğu, dış etki nedeniyle veya farklı taşıyıcı yoğunluklu bölgelerin
bir araya gelmesi ile artabilir. Bu durumda yoğunluğu fazla olan
bölgeden az olan bölgeye doğru taşıyıcı yük akışı meydana gelir ve
yük akışı nedeniyle de akım oluşur. Bu akıma difüzyon akımı denir.
Yoğunluk değişimi olmadığı durumda difüzyon meydana gelmediğinden
difüzyon akımı da oluşamayacaktır.
§  Yarıiletken içerisinde taşıyıcı yükler, difüzyon nedeniyle hareket
ederken zıt yüklü taşıyıcı ile karşılaştığında bağ oluşturarak yok
olacaktır. Taşıyıcı yük, difüzyon sırasında, yok oluncaya kadar
yarıiletken içerisinde bir yol kat eder. Kat edilen yolun ortalama değeri
difüzyon yolu adını alır. Difüzyon yolu, yarıiletken cinsine, katkı
yoğunluğuna ve sıcaklığa bağlı bir büyüklüktür.
.
•  Difüzyon olayına, aynı kristal içerisinde p ve n tipi yarıiletken
malzemelerin oluşturulması halinde de rastlanır. Böyle bir
durumda iki bölge arasında taşıyıcı yük yoğunlukları farklıdır. Bu
fark nedeniyle yoğunluğu az olan böIgeye doğru, difüzyon
nedeniyle yük geçişi olacaktır.
•  Difüzyon olayı ve akımı, iletkenlerde rastlanmayan bir
durumdur. İletkenlerde valans elektronların tamamına yakını
serbesttir ve iletken içerisinde taşıyıcı yük yoğunluğu sabit
olacak biçimde dağılmıştır. Bu yüzden taşıyıcı yoğunluğu
herhangi bir etki ile değişmez ve iletken içerisinde difüzyon olayı
oluşmaz.
3.1.5 Katkı Maddelerine sıcaklığın etkisi
•  N ve P tipi malzemelerde sıcaklıkla birlikte azınlık taşıyıcılarında da artış
olur. Çoğunluk taşıyıcıların sayısı sıcaklıkla değişmez. Örnek olarak n-tipi
bir malzemede farklı sıcaklıklarda oluşan elektron ve boşluklar Tablo 1’de
gösterilmiştir.
•  Mutlak sıfırda (-273 oC) elektron boşluk çifti oluşturacak bir enerji yoktur.
Aynı zamanda katkı atomlarının elektronlarını iletim bandına geçirecek
seviyede bir enerji de yoktur. Oda sıcaklığında (25 oC) azınlık
taşıyıcılarının sayısı, katkı maddesinden kaynaklanan serbest elektron
sayısına göre düşüktür. Sıcaklık 250 oC olduğunda ise boşluk sayısı
elektron sayısına yaklaşık olarak eşittir ve madde saf bir yarıiletken
gibi davranır.
Tablo 1. Sıcaklığa bağlı olarak elektron ve boşluk oluşumu.
4- P-N eklemi
ü  p ve n tipi yarıiletken bölgeler aynı kristal içerisinde
oluşturulduğunda iki bölge arasında bir arakesit yüzey oluşur. Bu
arakesit yüzey, p-n jonksiyonu (eklemi) adını alır. p-n jonksiyonu,
yarıiletken elemanların (diyot ve transistor gibi) elde edilmesinde
kullanılmaktadır. Bir p-n ekleminin şematiği Şekil 1.5’de
verilmektedir.
ü  Jonksiyonun iki tarafında farklı taşıyıcı yoğunluklarına sahip
yarıiletken bölgeler bulunmaktadır. n-tipi bölgede çoğunluk taşıyıcı
yük elektron ve azınlık taşıyıcı yük boşluktur. p-tipi yarıiletken
bölgede çoğunluk taşıyıcı boşluk, azınlık taşıyıcı ise elektrondur.
ü  Ayrıca yarıiletken bölgeler içerisinde akım iletimine katılamayan
yükler bulunmaktadır. Bu yükler n-tipi bölgede +q yüküne sahip
verici (donor) atomlar, p-tipi bölgede -q yüklü alıcı (acceptor)
atomlardır.
.
VB: İç potansiyel
Şekil 1.5. p-n ekleminin gösterimi
p-n ekleminin ve deplesyon bölgesinin oluşumunun diğer bir gösterimi Şekil
1.6’da veriliyor.
(a)
(b)
Şekil 1.6. (a) p-n ekleminin ve (b) deplesyon bölgesinin gösterimi
P ve n tipi malzemelerin bir araya getirilmesinden (kontaktan) sonra, elektron
ve boşluklar yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu
bölgeye doğru difüzyonla geçiş yaparlar.
§  P-tarafına geçen elektronlar burada boşluklarla birleşirler (bağ
oluştururlar) ve yok olurlar (böylece p-tarafındaki bazı sınır negatif
yükleri boşluklar tarafından nötralize edilemezler); n tarafına geçen
boşluklar da elektronlarla birleşerek yok olurlar (böylece n-tarafındaki
bazı sınır pozitif yükleri serbest elektronlar tarafından nötralize
edilemezler). Böylece eklem civarında depletion layer (deplesyonboşaltılmış-fakirleşmiş bölge) meydana gelir.
§  Bu deplesyon bölgesi n tarafı pozitif (sebebi yukarıda altı çizili ifade), p
tarafı negatif olacak şekilde sabit yükler içerir ve bir elektrik alanı
meydana getirir. Bu alan, daha fazla taşıyıcının eklemi aşmasına
mani olur ve deplesyon bölgesinde bir iç potansiyel (VB) veya
temas gerilimi oluşturur.
§  Temas geriliminin değeri yarıiletken bölgelerin katkı yoğunluklarına,
sıcaklığa ve yarıiletkenin cinsine bağlıdır. p-n eklemi Si yarıiletken
kullanılarak yapılmış ise bu gerilimin değeri normal sıcaklıklarda 0.6-0.7
V kadardır (Germanyum için bu değer 0.3 V civarındadır).
.§  Bu elektriksel alanın yönü, diğer deyişle iç potansiyel (VB) çoğunluk
taşıyıcıların karşı bölgeye geçişini engelleyecek, azınlık taşıyıların ise
geçişini kolaylaştıracak yöndedir. Ancak yarıiletken bölgelerin boşluk ve
elektron yoğunlukları arasında çok büyük fark vardır. Çoğunluk
taşıyıcılar, elektriksel alanın engeline rağmen difüzyonla karşı bölgeye
az sayıda da olsa geçmeyi başarırlar.
§  Azınlık taşıyıcılar alan etkisi ile çoğunluk taşıyıcılar da difuzyonla karşı
bölgeye geçmektedir. Jonksiyona dışardan gerilim uygulanmadığında
bir denge söz konusudur ve akan akım sıfırdır. Yani jonksiyondan alan
etkisi ile geçen azınlık taşıyıcıların sayısı kadar difüzyonla çoğunluk
taşıyıcı geçmektedir. Bu durum jonksiyonda oluşan dengeye karşılık
gelmektedir.
4.1.1İle(myönündekutuplama
Şekil1.7
V
I
ü  p-n eklemine Şekil 1.7’de görüldüğü gibi p tarafı pozitif olacak şekilde bir
V gerilimi uygulansın. N tarafına uygulanan negatif gerilim n’deki
elektronları iterken, p tarafına uygulanan pozitif gerilim ise p’deki
boşlukları ekleme doğru itecektir. Böylece, uygulanan V geriliminin yönü
temas geriliminin (VB) yönüne terstir ve p-n ekleminde oluşan gerilim,
VB-V olacaktır.
ü  Bu da eklemin iç potansiyelinin azalması anlamına geldiğinden çoğunluk
taşıyıcıların difüzyonu kolaylaşacak ve difüzyon akımı artacaktır. Bu
sırada eklemden azınlık taşıyıcıların geçişi de devam etmektedir, fakat
azınlık taşıyıcıların sayısı çok az olduğundan oluşturacakları iletim akımı
çoğunluk taşıyıcıların oluşturduğu difüzyon akımı yanında çok küçük kalır.
Uygulanan gerilim arttıkça (iç potansiyeli aştıkça) Şekil 1.7’de oklarla
gösterildiği gibi her iki tipin akım taşıyıcıları eklemi geçerek diğer uca
doğru hareket ederler. Sonuç olarak elektronların oluşturduğu akım
için de elektron akış yönünün tersi alındığı zaman p-n ekleminde
p’den n’ye doğru I akımı akar.
( I = In + Ip)
I akımı (difüzyon akımı) p-n eklemine uygulanan V gerilimi
büyüdükçe artmakta, hatta amperler seviyesine çıkabilmektedir. p-n
eklemine bu biçimde gerilim uygulamaya p-n eklemini iletim yönünde
(forward-biased) kutuplama denir.
4.1.2Tıkamayönündekutuplama
Şekil1.8
V
§  N tarafı pozitif, p tarafı da negatif olacak şekilde kutuplandığı zaman
(Şekil 1.8), n’deki elektronlar pozitif uca doğru çekilirken, p’deki
boşluklar da negatif uca doğru çekileceklerdir. Bu nedenle uygulanan
gerilimin yönü eklem temas gerilimi ile aynı yönde olacak ve temas
gerilimi büyüyecektir.
§  Yani geçiş bölgesinde Şekil 1.8’de görüldüğü gibi genişleme meydana
gelecektir. Bu da, çoğunluk taşıyıcıların difüzyonla geçişini
engellemeye, azınlık taşıyıların geçişini ise kolaylaştırmaya devam
edecektir. Bu nedenle difüzyon akımı azınlık taşıyıcıların sağladığı
akım yanında yok denecek kadar küçüktür.
§  Azınlık taşıyıcıların oluşturduğu akım, elektriksel alan etkisi ile
meydana geldiğinden iletim akımı (I) niteliğindedir. Azınlık
taşıyıcıların sayısı az olduğundan gerilim artırılsa bile akım küçük
bir değerde (µA-nA) sabit kalır ve bu akım p-n ekleminin doyma
akımı (Io) olarak adlandırılır. Azınlık taşıyıcılar elektron bağlarının
ısıl nedenlerle çözülmesi ile oluşmaktadır ve bu nedenle Io’ın
değeri sıcaklıkla değişecektir.
§  Değişim, her 10oC’lik sıcaklık artımı için Io’ın yaklaşık olarak iki
katına çıkması biçimindedir. Si kullanılarak gerçekleştirilmiş bir
p-n ekleminde doyma akımı 1 pikoamper (pA) mertebesindedir.
p-n eklemine n tarafı pozitif olacak şekilde gerilim uygulanmasına
tıkama yönünde (reverse-biased) kutuplama denir.
YARIİLETKEN ELEKTRONİK ELEMANLAR
1- DİYOTLAR (P-N EKLEMLİ DİYOTLAR)
p-n eklemini oluşturan n ve p 6pi yarıiletken bölgelere elektrotlar
bağlanarak oluşturulan iki elektrotlu yarıiletken yapıya diyot denir. Diyot
devre elemanın sembolü Şekil 2.1’de gösterilmiş6r. Şekilde anot p-6pi ve
katot ise n-6pi yarıiletken bölgeye bağlanmışCr. Diyot ile6m yönünde
kutuplandığızamananotkatodagörepozi6folacakCr.Tıkamadurumunda
ise tersi olacakCr. İle6m yönünde akan akım, gerilimle birlikte eklemin
kesi6nedebağlıdır.P-neklemi(diyot)buözelliğiileakımıtekyönde(ile6m
yönünde)iletenbiryapıdır.Tersyöndeiseaçıkdevreolanbirelemandır.
Anot
Şekil 2.1. Diyotun sembolü
Diyot(p-neklemi)yukarıdadaaçıklandığıgibiile6myadaCkamayönünde
kutuplanabilir. DiyoNan akan akım büyük değerlere çıkmadığı zaman
diyotauygulanangerilimle(V)akım(I)arasındaaşağıdakibağınCvardırve
bubağınCdiyotdenklemiolarakadlandırılır.
V / VT I
=
I
(
e
−
1
)
o
BuradaIodiyotundoymaakımı,VTısılgerilimolarakadlandırılır.Isılgerilim
sıcaklığabağlıolanbirbüyüklüktürveşueşitlikleverilir:
kT VT =
q Bu bağıntıda T, Kelvin cinsinden sıcaklık olup k değeri, 1.38x10-23 J/K olan
Boltzman sabitidir. q ise elektron yüküdür (1.6x10-19 C). Diyot denklemi
iletim ve tıkama yönünde kutuplama için geçerlidir. Tıkama yönünde gerilim
uygulanınca V gerilimi negatif olacaktır. VT<<|V| olduğundan üstel terim 1’e
göre çok küçük olur ve tıkama yönü akımı yaklaşık Io olacaktır yani diyot
denklemi I=Io olacaktır.
İletim yönünde ise V/VT oranı 1’den çok büyük olduğundan bu durumda
iletim yönü akımı yaklaşık I = I o (eV / VT ) olacaktır.
DiyotunGerilim-AkımEğrisi
Diyotun ile6m veya Ckama durumundaki tepkesini gösteren gerilim ve akım
eğrisi -diyot denkleminden faydalanarak- Şekil 2.2’de gösteriliyor. İle6m
yönünde Vγ eşik gerilimine (daha önce bahsedilen p-n eklemindeki temas
gerilimi) kadar akım akmadığı görülmektedir, işte bu akım eşik akımı
(thresholdcurrent)olarakadlandırılır.
G e r i l i m , V γ d e ğ e r i n e
ulaşJğında (Si diyot için
0.6-0.7 V) diyot akımı
a l g ı l a n a b i l i r d e ğ e r l e r i
almaya başlar ve diyot
denklemine uygun olarak
üstel bir şekilde artar.
Diyotun uçları arasındaki
gerilim, akım çok büyük
değerlere çıkmadığı zaman
b ü y ü k ö l ç ü d e
değişmeyecek(r.
Şekil2.2
Tıkama yönünde diyot denkleminin I=Io’a dönüştüğünü söylemiştik. Bu durum
Şekil 2.2’de tıkama yönünde gösteriliyor. Şekilde gösterilen belverme
gerilimini şu şekilde izah edebiliriz:
Diyotu tıkama yönünde
kutupladığımızda anot negatif, katot ise pozitif olacak şekilde bir V gerilimi
uygulanacaktır (tıkama yönünde kutuplanmış p-n eklemi). Tıkama yönünde V
geriliminin değeri artırılırsa eklemde oluşan elektriksel alanın şiddeti de
büyüyecektir. Geçiş bölgesi genişliği 1 µm mertebesindedir. Bu nedenle V
gerilimi çok büyük değerleri almadığı zaman bile elektriksel alan şiddeti büyük
değerlere çıkabilecektir (E=V/d).
Sonuçta artan elektrik alanı geçiş bölgesi içinde taşıyıcıların hızı artar ve hızları
artan bu taşıyıcılar kinetik enerjilerini kovalent bağ oluşturan elektronlara
aktarırlar. Bunun sonucunda bağlardan ayrılan elektronlar hızlanarak başka
valans bandlarına çarparlar ve elektron koparırlar. Böylece geçiş bölgesi içinde
zincirleme olarak taşıyıcı yük sayısı artar. Bu olaya çığ veya zener olayı denir
ve diyot (p-n eklemi) tıkama yönünde kutuplanmasına karşın akım, çok büyük
değerlere çıkabilir (gerilim çok az değiştiği halde). Akımın çok yüksek değerlere
çıkmasına diyotun belvermesi (breakdown) ve bu gerilim değerine de
belverme gerilimi (VBR) denir.
Sonuç olarak, diyot doğru polarmada küçük dirençli bir devre elemanı,
ters polarmada ise büyük dirençli bir devre elemanı niteliği gösterir ve
akımın tek yönde akmasını sağlamaktadır. Doğru yön akımı ve ters yön
gerilimi, sınır değerlerin üzerine çıkarsa diyot yanar.
Diyotlar arasında bir kıyaslama yapabilmek için Tablo 2.1’de bazı
diyotların karakteristik değerleri verilmiştir:
Tablo 2.1. Farklı türdeki diyotlar için karakteristik değerler
(
)
ÖDEV:Birdiyot25oCsıcaklıkiçineşitliğiilemodellenmektedir.
I D= 20 e35 VD − 1 nA
a)Budiyotaseri25Ω’luk(I=0:1:30mAalınız)ve
b)Paralel25Ω’lukdirençbağlanmasıdurumunda(V=0:0.1:0.5Voltalınız)
Her iki devrenin ayrı ayrı V-I değişimini MATLAB’de çiziniz ve diyotların ne tür
olduğunubelir(niz(SiveyaGe).
Not:IakımıanakoldanakanakımveveVgerilimianakolgerilimidir.
DiyotunEşdeğeri
IQ akımı, diyota uygulanan doğru gerilime karşılık gelen akım değeridir.
V
Pratikte diyotun
rd ≅ T değişken işaret direnci, yarıiletken bölgelerin direnci
I Q ile bulunan değerden biraz büyük olur.
nedeniyle
İdeal olmayan bir diyotun eşdeğer devresi, ideal diyot ve gerilim
kaynağına seri olarak Rs direnci bağlandığında elde edilen devredir
(Şekil 2.6). Devredeki Rs direnci, yarıiletken bölgelerin dirençleri ile
eklemin değişken işaret direncinin (rd) toplamına eşittir.
Şekil 2.6. Diyotun değişken işaret eşdeğeri
DiyotÇeşitleri
p-n ekleminin bazı özelliklerinden yararlanılarak özel diyotlar imal
edilmektedir.Budiyotçeşitlerişunlardır:
1-Doğrultucudiyotlar:
p-n ekleminin sadece tek yönlü akım ile66minden yararlanılarak yapılan diyotlara
doğrultucu diyotlar denilmektedir. Genellikle düşük frekanslardaki (50-60 Hz) şehir
şebekeişaretlerinidoğrultmakiçinkullanılırlar.
2-ZenerDiyotlar:
p-n eklemi Ckama yönünde kutuplandığında belverme bölgesinde akım büyük ölçüde
değişmesine rağmen gerilim çok az değişiyordu. p-n ekleminin bu özelliğinden
yararlanmaküzereimaledilendiyotlarazenerdiyotdenir.