Elektrik akımının bir değere kadar akmasına izin vermeyen bu değerden sonra sonsuz küçük direnç gösteren maddelerdir.
Yarı iletkenlerin yapımında kullanılan en çok kullanılan maddeler silikon ve germanyumdur. Plajdaki kum bir silikon maddedir ve germanyum ise baca kurumundan temin edilebilir. Bu yüzden bu ham maddeler her yerde görünebilir. Bununla birlikte bu maddeler olağanüstü derecelere kadar saflaştırılmalıdır. Bu maddeler saflaştırıldığı zaman tuz ve şeker gibi kristal bir yapıya sahip olurlar. Bu maddeleri yapan atomlar birbirlerine pencere şeklinde birleşir atomlar içindeki elektronların hareket etmesi önlenir. Bunun anlamı şudur ki saf silicon ve germanyum iyi yalıtkandır.
Saflaştırmadan sonra katkı maddesi eklenir. Bu katkılar kafes içerisine uygundur. Fakat boş olan elektronlarla ilişkiye girerek elektronların hareket etmesini sağlayarak bir elektron akımı meydana gelir. Burada fazla miktarda negatif yüklü elektron bulunduğundan dolayı bu maddelere N tipi yarı iletken adı verilir.
Katkı maddelerinin diğer tipleride silikon ve germanyumu saflaştırmak için eklenebilir. Bu kafes içerisinde elektron eksikliğine yol açar. Bu durumda kafes içerisinde boşluklar meydana gelecektir. Elektronlar bu boşlukların içine atlayabilir ve böylece bir boşluk akışı meydana gelir. Bu durum doktorların bekleme odasındaki sırada oturan hastalara benzetilebilir. Birisi doktorun yanına girdiği zaman sırada bir boşluk doğacaktır. İnsanlar (elektronlar) doktor odasına doğru ilerlerken o boşlukta tam aksi yönde ilerleyecektir.
Yarıiletkenlerin direnci iletkenler ile yalıtkanların arasında bir yerdedir. Bundan dolayı bunlara yarıiletkenler denilmiştir. Yarı iletkenler, diyot , transistör ve entegre gibi yarıiletken devre elemanları içerisinde kullanılır.
Yarı İletken maddelerin özellikleri
•İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alır.
•Normal hâlde yalıtkandır.
•Ancak ısı, ışık ve manyetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hâle geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır.
•Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına döner.
•Tabiatta basit eleman hâlinde bulunduğu gibi laboratuvarda bileşik eleman hâlinde de elde edilir.
•Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptir. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır.
•Bu tür yarı iletkenler, yukarıda belirtildiği gibi ısı, ışık, etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli oranda iletken hâle geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleri artırılmaktadır.
Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri
•Elektroniğin iki temel elemanı olan diyot ve transistörlerin üretiminde kullanılangermanyum (Ge) ve silikon (Si) yarı iletkenleri gelecek bölümde daha geniş olarak incelenecektir.
•Elektroniğin iki temel elemanı olan diyot ve transistörlerin üretiminde kullanılan germanyum (Ge) ve silikon (Si) yarı iletkenleri gelecek bölümde daha geniş olarak incelenecektir.
Yarı iletken maddeler
Günümüzde yarı iletken maddeler adına tarihsel açıdan önce germanyum daha sonra da silisyum gelmektedir. Silisyum artık neredeyse tek kullanılan madde halini almıştır. Bunun nedeni hem doğada çok bulunması hem de germanyum kullanılan durumlara göre daha yüksek sıcaklıklara dayanıklı diyot ve transistör yapılabilmesini sağlamaktadır.
Silisyum
Silisyum gri renkli ve kristal yapıya sahip bir elementtir. Silisyum dünya üzerinde oksijen bileşiklerinden sonra en çok rastlanan elementtir. Doğada oksijenle birlikte kuartz, kayalarda ve kum şeklinde karşımıza çıkmaktadır. Silisyumun yarı iletken olarak kullanılabilmesi için çok saf halde bulunması gerekmektedir.
Germanyum
Yarı iletken tarihine bakıldığında germanyum transistör yapımında daha çok kullanılmakla beraber günümüzde kullanımı iyice azalmıştır. Transistör içerisinde kullanıldığında silisyuma göre yüksek sıcaklıklara çok dayanamamaktadır.
Silisyum ve Germanyum atomu
Katkı Yapılması
Yarı iletken maddeler içlerine yapılan katkının ne olduğuna bağlı olarak elektriksel özelliklerini iletkenlik düzeyini değiştirmektedir.
N tipi Katkı Maddeleri
Kullanacağımız yarı iletkenin N tipi olmasını istediğimizde periyodik tabloda belirtilen sütundan seçim yapılmaktadır. Böylelikle kristal yapı içerisinde elektron fazlalığı sağlanmış olur.
Elektron Fazlasının Oluşması: (N tipi Yarı iletken)
Arsenik maddesinin atomlarının valans yörüngelerinde 5 adet elektron bulunur. Silisyum ile arsenik maddeleri birleştirildiğinde arsenik ile silisyum atomlarının kurdukları kovalent bağdan arsenik atomunun 1 elektronu açıkta kalır. Yandaki resimde açıkta kalan elektronu görebilirsiniz. Bu sayede birleşimde milyonlarca elektron serbest kalmış olur. Bu da birleşime negatif madde özelliği kazandırır. N tipi madde bir gerilim kaynağına bağlandığında üzerindeki serbest elektronlar kaynağın negatif kutbundan itilip pozitif kutbundan çekilirler ve gerilim kaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna doğru bir elektron akışı başlar.
N Tipi yarı iletken içinde iletim
Aşağıdaki şekilde başlangıçta S anahtarı açıktır. yarıiletken, oda sıcaklığında (T=25°C) ısı etkisi ile yaratılan elektron-boşluk çiftlerinin ve donör katkı atomlarının oluşturduğu serbest elektronları içerir. Bu pozitif ve negatif yükler devamlı hareket halinde olup sağa sola yayılırlar.
S anahtarı kapatıldığı zaman, yarıiletkenin her iki bağlantı kontağı arasında bir elektrik alanı oluşur. Bu elektrik alanı serbest elektronları negatif kutuptan pozitif kutba, boşlukların pozitif kutuptan negatif kutba doğru hareket etmesine neden olur.
Yarı iletkenin pozitif yüklü olan sağ tarafı kendisine en yakın olan D atomundan bir elektronu kendisine çeker.(1) Elektriksel dengesi bozulan (pozitif yüklenen ve elektron – boşluk çifti, boşluk – boşluk haline dönüşen) D atomu elektronca zengin olan ve kendisine en yakın olan C atomunun elektronunu çekerek (2) yeniden dengeli hale gelir. (elektron – boşluk çifti yeniden oluşur) Elektriksel dengesi bozulan C atomu kendisine en yakın B atomunun elektronunu çekerek dengeli hale gelir.(3) Elektriksel dengesi bozulan B atomu kendisine en yakın A atomundan bir elektron çekerek yeniden dengeli hale gelir. Dengesi bozulan A atomu da elektronca zengin olan bataryanın negatif ucundan bir elektron çekerek dengesini sağlar.(4) Bu sırada pozitif uç D atomundan yeni bir elektron çekerek yukarıdaki olayların aynı şekilde tekrarını sağlayacaktır.
Anlaşılacağı gibi bataryanın pozitif ucu tarafından çekilen bir elektron negatif ucu tarafından verilerek devrenin kendi içinde dengede kalması sağlanmakta ve bir elektrik akımı oluşmaktadır.
N-tipi yarıiletken içindeki serbest elektronlar yapı içinde hareket ederek elektron alma-verme işinde, elektron–boşluk işlemlerinde yer alırlar ve elektron akışının artmasına katkıda bulunurlar. Boşluk hareketini burada detaylı olarak açıklamayacağım.
Bilinmesi yeterli olan nokta boşlukların yarıiletken içinde pozitif kenarından negatif kenarına kadar olması, elektron hareketininse bataryanın negatif ucundan pozitif ucuna kadar olmasıdır.
P tipi Katkı Maddeleri
Bir diğer katkı katkı maddesinin periyodik tablodaki yeri yandaki resimde görülmektedir. Bu katkı türü yarı iletken yapı içerisinde oyuk oluşmasını sağlamaktadır (yani elektron eksikliği).
Oyuk Oluşması (P Tipi yarı iletken)
Bor maddesinin de valans yörüngesinde 3 adet elektron bulunmaktadır. Silisyum maddesine bor maddesi enjekte edildiğinde atomların kurduğu kovalent bağlardan bir elektronluk eksiklik kalır. Bu eksikliğe oyuk adı verilir. Bu elektron eksikliği, karışıma pozitif madde özelliği kazandırır. P tipi maddeye bir gerilim kaynağı bağlandığında kaynağın negatif kutbundaki elektronlar p tipi maddedeki oyukları doldurarak kaynağın pozitif kutbuna doğru ilerler. Elektronlar pozitif kutba doğru ilerlerken oyuklarda elektronların ters yönünde hareket etmiş olur. Bu kaynağın pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru bir oyuk hareketi sağlar.
P Tipi yarı iletken içinde iletim
P tipi yarıiletken içindeki çoğunluk taşıyıcıları boşluklardır. Boşluklar acceptor (verici) katkı atomları ve çevre ısısı etkisi ile elektron-boşluk çiftleri tarafından oluşturulur.
S anahtarı kapatıldığı zaman yarıiletkenin sol tarafı negatif, sağ tarafı ise pozitif olarak yüklenir. (1) A atomunun elektron boşluk çiftinin boşluğu batarya tarafından gelen bir elektronu çeker. (2) Dengesi bozulan A atomunun kristal içine bıraktığı elektron B atomunun elektron boşluk çiftinin boşluğu tarafından çekilir. Bu işlem C ve D atomları ile de tekrar edilerek elektron bataryanın pozitif ucu tarafından çekilir. Burada çoğunluk taşıyıcısı olan boşluklar kristal içinde, elektronları taşıyan bir araba gibi davranmaktadır.
Acceptor atomlarının oluşturduğu serbest boşluklar yarıiletkenin iletkenliğinin artmasına katkıda bulunmaktadır.
Özetleyecek olursak, N tipi yarıiletken içinde akım taşıma için elektronlar P tipi yarıiletken içinde ise boşluklar tarafından gerçekleştirilmektedir. Gerek N gerekse P tipi yarıiletken içinde elektron ve boşluk hareketleri olmakta, iletkenler üzerinde ise sadece elektronlar hareket etmektedir.
Değerli arkadaşlarım, saf N yada P tipi iletken üretmek mümkün değildir. Bu denenle çok çok az miktarda da olsa N tipi yarıiletken içinde serbest boşluklar P tipi yarıiletken içinde de serbest elektronlar vardır.
Azınlık ve Çoğunluk Taşıyıcılar
Silisyum ve germanyum maddeleri tamimiyle saf olarak elde edilememektedir. Yani maddenin içinde, son yörüngesinde 5 ve 3 elektron bulunduran atomlar mevcuttur. Bu da P tipi maddede elektron, N tipi maddede oyuk oluşmasına sebep olur. Fakat P tipi maddede istek dışı bulunan oyuk sayısı, istek dışı bulunan elektron sayısından fazladır. Aynı şekilde N tipi maddede de istek dışı bulunan elektron sayısı istek dışı bulunan oyuk sayısından fazladır. İşte bu fazla olan oyuk ve elektronlara “Çoğunluk Taşıyıcılar” az olan oyuk ve elektronlara da “Azınlık Taşıyıcılar” denir. Azınlık taşıyıcılar yarı iletkenli elektronik devre elemanlarında sızıntı akımına neden olur. İçeriğinde çok sayıda yarı iletkenli devre elemanı bulunduran entegrelerde fazladan gereksiz akım çekimine yol açar ve bu da elemanın ısınmasına, hatta zarar görmesine neden olur.
