Bölüm 4: Yarıiletkenler ve P
advertisement
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 C 12 elektron 10 6 C C elektron 1C 6,24 10 18 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: Elektriksel etki Isı etkisi Işık etkisi Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi 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. 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 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 (.cm)-1 1022 1/cm3 Yalıtkan 10-12 (.cm)-1 <108 1/cm3 Yarıiletken (Si) 10-6 – 103 (.cm)-1 108-1019 1/cm3 Valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri madde yapısına göre şöyle değişmektedir: İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir (yasak enerji aralığı çok düşük olduğundan) Eg 0 Yarıiletkenlerde nispeten fazla enerji gereklidir (yasak enerji aralığı ikisinin ortasında) 0 < Eg < 3 eV 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) 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 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 artttığından "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 elektron sayısı boşluk sayısından fazladır. İşte bu fazla olan boşluk ve elektronlara "Çoğunluk Taşıyıcılar", az olan boşluk ve elektronlara da "Azınlık Taşıyıcılar" denir. Yani P-tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcılar boşluklar ve azınlık taşıyıcılar ise 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 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. 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. 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 difuzyonla 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. 4.1.1 İletim yönünde kutuplama Şekil 1.7 V I 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, VBV olacaktır. 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. 4.1.2 Tıkama yönünde kutuplama Şekil 1.8 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 (A-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. Akımın çok küçük değerler alacak şekilde (n tipi pozitif) p-n eklemine gerilim uygulanmasına tıkama yönünde (reverse-biased) kutuplama denir. BÖLÜM II YARIİLETKEN DİYOTLAR (P-N EKLEMLİ DİYOTLAR) 1. Diyot denklemi: p-n eklemini oluşturan n ve p tipi yarıiletken bölgelere elektrotlar bağlanarak oluşturulan iki elektrotlu yarıiletken yapıya diyot denir. Diyot devre elemanın sembolü Şekil 2.1’de gösterilmiştir. Şekilde anot p-tipi ve katot ise n-tipi yarıiletken bölgeye bağlanmıştır. Diyot iletim yönünde kutuplandığı zaman anot katoda göre pozitif olacaktır. Tıkama durumunda ise tersi olacaktır. İletim yönünde akan akım, gerilimle birlikte eklemin kesitine de bağlıdır. P-n eklemi (diyot) bu özelliği ile akımı tek yönde (iletim yönünde) ileten bir yapıdır. Ters yönde ise açık devre olan bir elemandır. Anot Şekil 2.1. Diyotun sembolü Diyot (p-n eklemi) yukarıda da açıklandığı gibi iletim ya da tıkama yönünde kutuplanabilir. Diyottan akan akım büyük değerlere çıkmadığı zaman diyota uygulanan gerilimle (V) akım (I) arasında aşağıdaki bağıntı vardır ve bu bağıntı diyot denklemi olarak adlandırılır. I I o (eV /VT 1) Burada Io diyotun doyma akımı, VT ısıl gerilim olarak adlandırılır. Isıl gerilim sıcaklığa bağlı olan bir büyüklüktür ve şu eşitlikle verilir: VT kT 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 / V ) olacaktır. T 2. Diyotun gerilim-akım eğrisi Diyotun iletim veya tıkama durumundaki tepkesini gösteren gerilim ve akım eğrisi -diyot denkleminden faydalanarak- Şekil 2.2’de gösteriliyor. İletim yönünde Vγ eşik gerilimine (daha önce bahsedilen p-n eklemindeki temas gerilimi) kadar akım akmadığı görülmektedir, işte bu akım eşik akımı (threshold current) olarak adlandırılır. Şekil 2.2 Gerilim, Vγ değerine ulaştığında (Si diyot için bu değer 0.4-0.5 V civarındadır) diyot akımı algılabilir değerleri almaya başlar ve diyot denklemine uygun olarak üstel bir şekilde artar. Diyotun uçları arasındaki gerilim akım çok büyük değerlere çıkmadığı zaman büyük ölçüde değişmeyecektir. Diyot gerilimi, belirtilen akım değerlerinde p-n ekleminde olduğu gibi 0.6-0.7 V arasında bir değer alacaktır. Diyottan büyük akımlar aktığında eklemle elektrotlar arası yarıiletken bölgelerin dirençlerindeki gerilim düşümü nedeniyle anot-katot arası gerilim 1 V veya biraz daha büyük olabilir. Yarıiletken bölgelerdeki gerilim düşümü, ekleme düşen gerilim değerini diyota uygulanan gerilimden daha düşük değerli kılacaktır. Bu nedenle deneysel akım değeri, teorik değerden küçük olmaktadır. 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 m 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 hızını artıracak ve hızları artan bu taşıyıcılar kinetik enerjilerini bağ oluşturan elektronlara aktaracaktır. Katkı atom yoğunluğuna bağlı olarak çarpma ve kuvvet uygulanması sonucu kovalent bağların kopması olayı meydana gelir. Bağlardan ayrılan elektronlar hızlanarak başla 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 (pn 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. 2.1 Diyotun Delinmesi Ters akımın artmasıyla oluşan belverme olayına diyodun delinmesi de denilmektedir ve bu andaki gerilime de delinme gerilimi denir. Yukarıda da izah edildiği gibi sayısı artan elektronlar, atomlara çarparak valans bandındaki elektronları serbest hale geçirir ve böylece yapıda çok sayıda serbest elektron oluşur. Böyle bir durumda P - N ayrımı kalmaz ve diyot iletken bir madde haline dönüşür. Aşırı elektron hareketinden dolayı diyot ısınarak yanar. Şekil 2.3 Şekil 2.3’de gösterildiği gibi, silisyum diyodun delinme gerilimi, germanyum diyoda göre daha büyüktür. Diğer taraftan kaçak akım ise daha küçüktür. 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: DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ Ters yöndeki dayanma gerilimi Aktif yüzeydeki akım yoğunluğu Maksimum doğru yön akımı Gerilim düşümü Maksimum dayanma sıcaklığı Ters yön akımının doğru yön akımına oranı Birimi V DİYOT CİNSİ Selenyum Germanyum Silisyum 40 - 60 500 - 800 1500 - 4000 A / cm2 0.89 - 0.9 100 - 300 100 - 300 A V °C 400 0.6 - 1 80°C 200 0.6 65°C 1000 1.2 140°C IR / ID 0.1 - 0.03 0.0002 0.00001 Tablo 2.1. Farklı türdeki diyotlar için karakteristik değerler ÖDEV: Bir diyot 25 oC sıcaklık için I D 20 e35 VD 1 nA eşitliği ile modellenmektedir. a) Bu diyota seri 25 Ω’luk (I = 0 : 1 : 30 mA alınız) ve b) Paralel 25 Ω’luk direnç bağlanması durumunda (V = 0 : 0.1 : 0.5 Volt alınız) Her iki devrenin ayrı ayrı V-I değişimini MATLAB’de çiziniz ve diyotların ne tür olduğunu belirtiniz (Si veya Ge). Not: I akımı ana koldan akan akım ve ve V gerilimi ana kol gerilimidir. 3. Diyotun değişken işaret eşdeğeri Diyot, düşük frekanslarda kullanıldığında elektrotlararası kapasitelerin değeri çok küçük olduğundan bu kapasite değeri ihmal edilebilir. Değişken işaretlerde diyot için eşdeğer devre bulunurken ideal diyot tanımından yararlanılır. İdeal diyot, Şekil 2.4’de gösterildiği gibi iletim yönünde gerilim uygulanması halinde kısa devre, tıkama yönünde kutuplandığında ise açık devre olarak davranan iki uçlu bir elemandır. Şekil 2.4. İdeal diyotun akım-gerilim eğrisi İdeal diyotun iletim yönü direnci sıfır, tıkama yönü direnci ise sonsuzdur. Böyle bir elemanın pratikte bulunması mümkün değildir. Diyot devrede kullanıldığında uçları arasında oluşan gerilim, diğer gerilimler yanında çok küçük kalıyorsa çözümü basitleştirmek için diyot yerine ideal diyot kullanılabilir. Diyota uygulanan gerilim, sabit bir gerilim ile bunun üzerinde küçük genlikli değişken bir bileşenden oluşması durumunda akım-gerilim eğrisini küçük değişimler için doğrusal kabul etmek mümkündür. Diyota iletim yönünde VD gerilimi uygulandığında ID akımı akar. VD’nin ID’ye oranı, diyotun doğru akım direncidir ve aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır: RDC VD ID Şekil 2.5’de, VQ ve IQ değerlerinin belirlediği nokta Q ile gösterilmiştir. Q noktası, gerilim ve akımın sabit olduğu noktaya karşılık geldiğinden bu noktaya çalışma (sükunet) noktası denir. Doğru akım direnci, Q noktasını O noktasına birleştiren doğrunun eğiminin tersine eşittir. I ΔI IQ Q ΔV V Q noktası civarında V kadar küçük bir gerilim değişimi olduğu zaman akım, IQ civarında I kadar değişecektir. dI/dV türev değeri, Q noktasındaki teğetin eğimidir ve iletkenlik boyutundadır. Eğimin tersine karşılık gelen ve direnç boyutunda olan büyüklüğe diyotun değişken işaret direnci (rd) denir ve şu şekilde hesaplanır: VQ g Şekil 2.5. Doğru akım ve değişken işaret direnci I 1 I o eV / VT rd V VT Üstel terim 1’den çok büyük olduğundan; IQ 1 V g rd T rd VT IQ VT daha önce de belirtildiği gibi ısıl gerilimdir ve değeri normal sıcaklıklarda 25 mV civarındadır. Diyota sabit bir gerilim ve bu gerilime göre değeri çok düşük değişken bir gerilim uygulanırsa, değişken akım yaklaşık olarak; v vIQ i rd VT IQ akımı, diyota uygulanan doğru gerilime karşılık gelen akım değeridir. Pratikte diyotun değişken işaret direnci, yarıiletken bölgelerin direnci nedeniyle r VT ile bulunan d IQ değerden biraz büyük olur. 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 4. Diyotun yüksek frekans eşdeğeri Alçak frekanslarda çok düşük olan eklem ve difüzyon kapasiteleri frekansın yükselmesi halinde artacak ve böylece alçak frekanslar için geçerli olan eşdeğer devre geçerliliğini yitirecektir. Diyotun iletim ve tıkama yönü kapasiteleri, üzerinden akan akımın frekansı yükseldikçe ihmal edilemeyecek düzeyde olur. Diyot tıkama yönünde kutuplandığında büyük direnç gösterir ve frekans yükseldiğinde akım eklem kapasitesi üzerinden akar. Diyot iletim yönünde kutuplandığında ise küçük direnç göstermesine rağmen frekans yükseldiğinde difüzyon kapasitesi etkili olacaktır. Diyotun yüksek frekans eşdeğer devresi Şekil 2.7’de verilmiştir. Burada, C Difüzyon + Eklem kapasitesi (diyot iletim yönünde kutuplandığı zaman) Eklem kapasitesi (diyot tıkama yönünde kutuplandığı zaman) Rs Diyotun bağlantı uçlarından ekleme kadar olan kısmın direnci rd p-n ekleminin değişken işaret direnci 5. Diyot Çeşitleri p-n ekleminin bazı özelliklerinden yararlanılarak özel diyotlar imal edilmektedir. Bu diyot çeşitleri şunlardır: 5.1 Doğrultucu diyotlar: p-n ekleminin sadece tek yönlü akım iletitiminden yararlanılarak yapılan diyotlara doğrultucu diyotlar denilmektedir. Genellikle düşük frekanslardaki (50-60 Hz) şehir şebeke işaretlerini doğrultmak için kullanılırlar. Bu konu daha detaylı olarak “Diyotlu Devreler” konu başlığı altında anlatılacaktır. 5.2 Zener Diyotlar: p-n eklemi tıkama yönünde kutuplandığında belverme bölgesinde akım büyük ölçüde değişmesine rağmen gerilim çok az değişiyordu. p-n ekleminin bu özelliğinden yararlanmak üzere imal edilen diyotlara zener diyot denir.
