VCS159 INTRODUCTION TO ELECTRONICS Lecture 1

ELK273 Elektrik ve Elektronik Mühendisliğinin Temelleri
Ders 9-Yarıiletkenler
www.howstuffworks.com
http://www.omems.redstone.army.mil/documents/electronics/transistors/T1/01x%20CF351%20D01%20Semiconductor%20Diodes.ppt
https://nanohub.org/resources/2096/download/transistor.ppt
Yard.Doç.Dr. Ahmet Özkurt
Ahmet.ozkurt@deu.edu.tr
http://ahmetozkurt.net
Giriş
• Yarıiletkener günlük hayatımızda kullandığımız tüm elektriksel cihazlar
içinde kullanılan entegre devrelerin temel yapılarıdır.
• Mikroişlemciler, her türlü iletişim sistemleri yapıtaşı olarak transistörleri
kullanır.
• Günümüzde birçok yarıiletken entegre devre silikon kullanır.
İletken- Yalıtkan- Yarıiletken
•
İletken;
– En dış ya da valans bandında zayıf bağlı elektronları vardır ve
küçük bir enerji uygulandığında bu elektronlar atomdan
koparılabilir.
•
Yalıtkan;
– En dış ya da valans bandındaki elektronlar sıkı bağlıdır ve
elektronlar atomdan kolayca kopmaz.
– .
Semiconductor;
–
En dış ya da valans bandında en az 4 electronu vardır. İletken
ya da yalıtkan değildir. Saf durumda iletken ile yalıtkan arasında
elektriksel iletim yapar.
•
N
SI
P
SI
SI
SI
SI
SI
N
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
P
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
Kovalent Bağ;
4 elektronunu diğer
atomlarla paylaşır ve saf
kristal yapısı oluşturur
Pentavalent
Katlkılama;
Trivalent
Katkılama;
Elektronu fazla
atomlar eklenir
Elktronu az olan
atomlar. eklenir
N tip yarıiletken oluşturur
P tipi yarıiletken oluşturur
N Tipi Yarıiletken:
Elektronu fazla a Negatif yüklüdür.
Çoğunluk taşıyıcıları Elektronlardır.
N
SI
N
SI
SI
SI
N
SI
SI
N
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
N
SI
SI
SI
N
SI
SI
P Type Material;
Elektronu azdır ve Pozitif yüklüdür.
Çoğunluk taşıyıcıları is Deşiklerdir.
SI
SI
P
SI
SI
SI
P
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
P
SI
SI
SI
P
SI
SI
SI
P
P
P
P
Silisyum Diyot
• Diyot en basit yarıiletken elemandır. Akımı bir yönde geçirir diğer yönd
geçirmez.
PN Eklemi
Fakirleşme Bölgesi:
P ve n tipi materyaller birleştirildiğinde birleşme
bölgesinde elektron ve deşikler birleşir ve iki taraftaki
fakirleşme bölgesinin her ki tarafı iyonize olur.
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
Fakirleşme
Bölgesi
PN
Eklemi
+
+
+
-
+
-
-
-
+
+
+
-
+
-
-
-
+
+
+
-
+
-
-
-
Doğru yönde kutuplama
1.
N tipine (-) kutup P tipine (+) kutup bağlandığında oluşur.
2.
Silisyum diyot için 600mV, Germanyum için 100mV aşıldığında
akım geçmeye başlar.
3.
Diyot idealde kısa devre gibi davranır.
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
I
Ters yönde kutuplama
Ters yönde besleme uygulandığında diyot açık devre gibi davranır yani akımı geçirmez.
Eğer ters yöndeki akım çok arttırılırsa kırılma (çığ) durumu yşanır ve ters yönde geçen
yüksek akım diyotu yakar.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
-
-
-
-
+
-
-
-
-
+
-
-
-
Depletion Region
+
+
+
-
+
-
-
-
+
+
+
-
+
-
-
-
+
+
+
-
+
-
-
-
Anod;
Katod;
P Tipi
N tipi
+10 VDC
A.
+10 VDC
B.
1. D1 açık devre
- 10 VDC
C.
2. D1 is kısa
devre
+10 VDC
D.
Doğrultucular
• Alternatif akımı doğru akıma çevirmede kullanılan devrelere doğrultucu
adı verilir.
• Bir güç kaynağının içinde aşağıdaki devreler bulur
Trafo
• Trafo gücü değiştirmeden gerilim veya akım büyüklüğünü değiştiren
devre elemanıdır.
Doğrultucu Çeşitleri
• 1-Yarım dalga doğrultucu
2-Tam dalga doğrultucu
3-Köprü doğrultucu
:
Yarım Dalga Doğrultucu
• Girişe sinusoidal bir gerilim uygulandığında diyot sadece pozitif alternansı
geçirir.
• Negatif alternansta çıkış sıfırdır.
• Çıkış kondansatörü, gerilimin en büyük değerine kadar şarj olur, gerilim
azalmaya başlayınca o da deşarj olmaya başlar.
• Gerilim artınca yine tepe değerine ulaşır.
Tam Dalga Doğrultucu
• t1-t2 arasında D1 doğru yönde, D2 diyodu ters kutuplanmıştır. Akım
a,d,e,c yolunu izler ve ac arasındaki gerilim çıkışta gözlenir.
• t2-t3 arasında D1 ters yönde, D2 diyodu doğru yönde kutuplanmıştır.
Akım b,d,e,c yolunu izler ve ac arasında pozitif gerilim çıkışta gözlenir.
• Çıkışa bir kondansatör bağlanarak daha DCye yakın bir gerilim alınır.
Köprü Doğrultucu
• t1-t2 arasında D1 ve D2 iletimdedir. Akım e,a,c,g,h,d,b,f yolunu izler.
• t2-t3 arasında D3 ve D4 iletimdedir. Akım f,b,c,g,h,d,a,e yolunu izler.
ve yük direnci üstünde pozitif gerilim gözlenir.
Transistörler
Tanım
•
Transistörler yarıiletkenlerin iletkenlik özelliklerinin değişmesiyle anahtarlama ve
yükseltme işlemleri yapabilen 3 terminalli elektriksel devre elemanlarıdır.
– Kaynak (Source)
– Geçit (Gate)
– Akaç (Drain)
http://www.privateline.com/
TelephoneHistory3/History3.html
Önemi
– Transistörler daha önce kullanılan vakum tüplerinin yerine geçmiştir.
– Günümüz bilgi çağının vazgeçilmezleri bilgisayar, iphone, cep bilgisayarları
ve kullanıcı elektroniği devrelerinde kullanılan entegre devrelerin üretiminde
en önemli bileşendir.
1874
•
Ferdinand Braun doğrultmayı keşfetti
– Kristaller akımı belli koşullar altında
sadece bir yönde geçirir
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Ferdinand_Braun.jpg
◄
1883
•
Edison etkisi ( thermionic emission).
– Termal titreşim (ısı) etkisiyle
metallerden elektron akışı elektronları
yüzeyde tutan elektrostatik kuvvetlerin
aşar.
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Thomas_Edison.jpg
◄
1895
•
Guglielmo Marconi bir milden daha
uzağa radyo dalgası gönderdi
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Marconi.jpg
◄
1895
•
John Ambrose Fleming –vakum tüpü
geliştirdi
– Elektronların boşlukta hareketiyle
sinyali değiştiren bir cihaz.
– Elektronlar sadece bir yönde akarak
bir diyot oluşturur.
http://concise.britannica.com/ebc/art-58608
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:
Diode_vacuum_tube.png
◄
1898
• Thomson elektronu keşfetti.
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Jj-thomson2.jpg
◄
1906
•
•
•
Lee De Forest –telefon konuşmalarını
uzağa iletebilmek için triod’u icat etti.
Izgara
elektron
akışını
sınırlayarak
ayarlama yapmayı sağlıyordu.
Fakat cihaz güvenilir değildi ve çok güç
çekiyordu.
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Deforest.jpg
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Triode_
vacuum_tube.png
◄
1907
•
•
•
Bell telefon patentinin süresi doldu.
AT&T (Bell’in şirketi) De Forest’in triod
patentini satın aldı.
Kıtalararası telefon iletişimi sağlandı.
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Ale
xander_Graham_Bell22.jpg
◄
1928
• MOS transistörle ilgili keşiflerde bulundu.
http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/
lilienfeld.htm
◄
1934
• Alman fizikçi Dr. Oskar Heil alan etkili
transistörün patentini aldı.
http://www.precide.ch/eng/eheil/eheil.htm
◄
1936
•
Bell Lab‘ın araştırma yöneticisi Mervin
Kelly Bell iyi bir yükselteç yapmak için
yarıiletken teknolojisine eğilmek
gerektiğini düşündü ve bu konuda bir
araştırma labı kurdu.
http://
www.pbs.org/transistor/album1/addlbios/kelly.html
◄
1945
•
•
Bill Shockley, Walter Brattain ve John Bardeen.
İlk yarıiletken transistörlü yükselteci yaptı
http://www.lucent.com/minds/
transistor/history.html
◄
1947
•
Bardeen ve Brattain nokta etkili transistörü icat etti
http://www.lucent.com/minds
/transistor/history.html
http://www.lucent.com/minds/
transistor/history.html
http://www.lucent.com/minds/t
ransistor/history.html
◄
1947 cont.
1947 cont.
•
Shockley ilk eklem transistörü icat etti
http://www.ecse.rpi.edu/Homepages/schubert/Unused%20stuff/Educational%20resources/
Picture%20First%20junction%20transistor.jpg
1947 cont.
• NPN transistörler 2 N bölge
arasında bir P bölgeisnden
oluşur.
• PNP de 2P arasında bir N
bölgesi vardır
◄
1948
• Bells Lab transistörü ilan etti.
• John Pierce adını değişken(geçişgen) direnç anlamında bir isim verdi.
◄
1950’s
•
•
•
Sony lisansı satın aldı.
1946’da Sony radyo tamir kiti geliştirdi.
1950’de transistörlü radyo icat edildi.
http://www.sony.net/Fun/SH/1-6/h2.html
◄
1955
• Shockley Semiconductor firmasının kuruluşu Silikon vadisinin
temellerini attı.
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:SJPan.jpg
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:ShockleyBldg.jpg
◄
1957
• Fairchild Semiconductor kuruldu.
http://
www.fairchildsemi.com/company/history_1957.html
◄
1958
•
Jack Kilby, Texas Instruments – Entegre devreyi
(Integrated Circuit, IC) icat etti
– Silikon bir kristal üzerine devre kurulmasıyla
alan küçülür, daha kolay üretim yapılır.
Texas Instruments' first IC
◄
1958 - IC
http://www.helicon.co.uk/online/datasets/
samples/education/images.htm
http://www.ece.uiuc.edu/grad/7reasons/5reputation.html
1968
• Bob Noyce, Gordon Moore, Andy Grove, Intel i kurdu
http://www.itnews.sk/buxus_dev/images/
2006/Intel_logo_nove1_velky.jpg
http://www.granneman.com/techinfo/
background/history/
◄
Transistör nasıl çalışır?
• Bir eklem transistörün bazına uygulanan akımın değişmesi kollektör ve
emitör arasında geçen akımın miktarını değiştirir.
• Bu da bir dimmer’in çalışmasına benzer.
◄
•
•
•
Anahtar veya yükselteç modunda
çalışabilir.
Ancak transistör çok daha hızlı çalışır.
Silikon ve galyum arsenid gibi yarı
iletkenlerden yapılır.
http://www.ieicorp.com/consum/dimmer.gif
◄
Transistor Tipleri
• MOS - Metal Oxide Semiconductor
• FET - Field Effect Transistor
• BJT - Bipolar Junction Transistor
◄
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/06/Moore_Law_diagram_%282004%29.png
◄
The Transistörlerin Geleceği
•
•
•
•
"Photo: National Research Council of Canada.“
http://www.nrc-cnrc.gc.ca/multimedia/picture/
fundamental/nrc-nint_moleculartransistor_e.html
Moleküler elektronik
Karbon nanotüp transistorler
Quantum hesaplamalar
…
◄
Transistorler
http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html
◄