Elektroniğin Temel Malzemesi

tarafından **ewrelife SUPERVISOR** Perş. Tem. 16, 2009 5:19 pm

SİLİSYUM-GERMANYUM

Silisyum bilindiği gibi elektronik endüstrisinde en çok kullanılan yarı
iletken materyaldir diğer bir malzeme ise germanyum dur anlatılacak olan her
şey germanyum içinde geçerlidir.

Germanyum ve silisyum mono kristal(tek kristal) bir yapıya sahiptir. Mono
kristal yapı her köşesinde bir atom bulunan düzgün dörtgen şeklindeki bir
hücrenin dört yönde tekrarlanması ile oluşur bu karbonun elmas halindeki
yapısına benzer.

Eğer kristal saf değilse, içinde yabancı atom varsa veya kristalin işlenmesi
sırasında sıcaklığın etkisi malzemede düzensizlik oluşturur. Bu
düzensizlikler kristalin elektriksel özellikleri üzerinde olumsuz etki yapar
bunun için elektronikte kullanılacak malzemenin mümkün olduğu kadar saf
olması istenir. On milyarda bir saflık yeterli bir saflıktır (yani on
milyarda bir atom yabancı atom yeterli kabul edilebilir)

Doğadaki kristal yapıdaki malzemelerin çoğu polikristal (çoklu kristal yapıya
sahiptir. Bu nedenle elektronik malzeme üretimine uygun değillerdir.

GERMANYUM –SİLİSYUM KARŞILAŞTIRMASI

Atomik yapıları dikkate alındığında silisyumun da germanyumun da son elektron
yörüngelerinde 4'er elektron bulunur, fakat toplam elektron sayısı dikkate
alındığında germanyumun 32, silisyumun14 elektronu bulunur. Bunun anlamı nedir?

Bunun anlamı, elektron sayısı fazla olan malzeme atomun çekim kuvvetinden
daha çabuk kurtulacağı için daha küçük bir etki ile iletken olabileceğidir.
Bir örnek vermek gerekirse germanyum diyotun iletime geçme voltajı 0,3 volt
iken silisyumun 0,7 volttur. Yani iletim konusunda silisyum daha stabil bir
malzemedir. Germanyum yukarıda anlattığım atomik yapı yüzünden özelliğini
daha çabuk kaybedebilen bir malzemedir. İşte bu nedenden dolayı silisyum daha
çok tercih edilir.

P VE N TİPİ SİLİSYUM

Bilindiği gibi atomun yapısında elektronlar negatif değerlikli elemanlardı.
Hatırlatma: Son elektron yörüngesinde 4'den az elektron bulunan maddeler
yalıtkan 5'den fazla elektron bulunan maddeler iletken 5 veya 4 elektron
bulunan malzemeler yarı iletkendir.

Şimdi basit bir kimyasal olaydan söz edelim. Silisyum son elektron
yörüngesinde 4 elektron bulunan bir yarı iletkenle son yörüngesinde 5 veya 6
elektron bulunan bir malzemeyi (antimuan-arsenik-ya da fosfor) karıştırırsak
ne olur?

Cevap: son yörüngesindeki elektron sayısı +1 artan silisyum fazladan bir
negatif değerlik kazanır ve N tipi silisyum oluşur.

Yukarıdaki olayı aynen bor-galyum-veya alimünyum ile tekrarlarsak P tipi
silisyum elde ederiz

Bu silisyumun katkılanması olayıdır ve katılan maddeye genel olarak doping
denir. Bu maddelerden diyotun katkılanma oranına göre değişik diyotlar elde
edilir. Örneğin: Tunel diyot ya da shottky diyot gibi.

P VE N TİPİ MALZEMENİN ÖZELLİKLERİ

Peki elde ettiğimiz bu malzemeler ne ise yarar? Bir silisyumun p tipi olması
o malzemenin içerisinde oyuk diye tabir edilen elektron boşlukları olduğu ve
malzemenin ancak ( - ) negatif polarite ile iletken hale geçebileceği
anlamına gelir.

Aynı şey N tipi silisyum için de geçerlidir N tipi silisyumun iletime geçmesi
içinde (+ ) pozitif polariteye ihtiyaç vardır.

P-N EKLEMİ -DİYOT-
Biraz önce elde ettiğimiz iki malzemeyi p ve n tipi silisyumu yan yana bir
üretim tekniği olan difüzyon yöntemi ile birleştirirsek ne olur?

Tabi ki diyot oluşur.

Fakat iş iki parçayı yan yana getirmekten ibaret değil tabi ki bu iki parça
yan yana geldiğinde birindeki elektron fazlası diğerindeki oyuk fazlası
kısıtlı bir bölgede birbirini tamamlayacaktır.

Bu bölgeye tüketilmiş bölge denmektedir. Nedeni hem elektron hem de oyuk
açısından nötr'dür işte tam burada karşımıza 0,7 volt değeri çıkar bu voltaj
değerinin üstüne çıkıldığı anda eğer diyotun N ucu negatif P ucu pozitif ise
diyot üzerinden akım akmaya başlar . 0.7 volt bu tüketilmiş bölgeden
elektronların geçmesi için diğer bir deyişle elektronların silisyum atomunun
çekim kuvvetinden kurtulması için gereken voltajdır ve silisyumun özelliği
olarak sabittir. standart Diyotun sembolü aşağıdaki gibidir.

SIZINTI AKIMI

Yazımın baŞlarında saflıktan bahsetmiştim , dünyada bilinen hiçbir şekilde
saf madde elde edilemiyor bu nedenle %100 saflığa erişmek imkansız olduğuna
göre elde ettiğimiz silisyumda da yabancı atomlar bulunacaktır. Bu maddeler
silisyumun saflığını bozmakta ve kullanılırlığını azaltmaktadır diyot
içerisinde de bulunan yabancı maddelere azınlık akım taşıyıcıları denir
bunlar P tipi malzeme içindeki elektronlar N tipi malzeme içerisindeki
oyuklardır. Peki bunları sakıncası nedir ?

Bir diyot iki şekilde polaritelendirilir

Düz polarite
Ters polarite

1) düz polarite: bu konumda diyotun anotu + katotu – konumdadır ve devre
voltajı 0,7 volttan büyükse diyot iletime geçer (Şekil 1)

2) Ters polarite: bu konumda bağlanmış bir diyotun anotuna – katotuna +
polarite uygulanmıştır. (Şekil 2) bu durumda diyot üzerinden akım akmaz işte
bu noktada azınlık taşıyıcıları devreye girer akım akmaması gerektiği halde
az miktarda da olsa kutuplar arası akım taşıyıcılığı yaparlar bu nedenle p
tipi malzemedeki elektronlara ve n tipi malzemedeki oyuklara azınlık akım
taşıyıcısı denir. Genellikle diyot üzerinden geçen sızıntı akımı, voltaj,
toplam akım, ortam sıcaklığı gibi faktörlere bağlıdır ve mikro amper ya da
nano amper seviyesindedir. Genellikle analizlerde dikkate alınmaz.

Sızıntı akımı her ne kadar normal şartlar da dikkate alınmasa da sızıntı
akımına yol açan azınlık taşıyıcıları (diyota göre değişir) diyot
içerisindeki atomik yapıyı bazı durumlarda bozabilir. Örneğin diyotun
çalıştırıldığı ortam aşırı sıcak ise ya da diyot ters yönde büyük bir voltaj
ile karşı karşıya ise diyot içindeki azınlık taşıyıcıları ters yönde elektron
hareketi sağlarken diğer atomlara da çarparak yeni elektronların kopmasına
yol açacaktır bu bir çığ hareketi gibi ilk önce yavaş başlayacak daha sonra
zincirleme olarak hızlanacak ve sonunda diyotun delinmesine(bozulmasına) yol
açacaktır yani diyot bu olaydan sonra iki yönde de akım geçirir hale gelir.

Örnek: 1N4001 diyotu için ters polarma gerilimi (PIV): 50 V üzerinden
geçebilecek max akım: yaklaşık 500mA'dir

tarafından **ewrelife SUPERVISOR** Perş. Tem. 16, 2009 5:20 pm

DİYOTUN STATİK VE DİNAMİK DİRENCİ (DC veAC)
Bir diyotun özel bir çalışma noktasındaki direncine o diyotun “DC direnci”
veya statik direnci denir.

Rdc=Vd/Id eşitliği ile hesaplanır. (Dikkat ederseniz sadece ohm kanunundan
ibaret)

Bir diyotu ideal kabul etmek; o diyotun uçları arasında düşen 0,7 volt luk
potansiyeli 0 kabul etmektir yukarıdaki formülde hesaplanacak olan diyotu
ideal kabul ederseniz direncinin 0 olduğunu görürsünüz.

Diyotun silisyum olması halinde Vd=0,7 germanyum olması halinde Vd=0,3 volt
olacaktır.

Bir diyotun uçlarındaki gerilim değişiminin diyot içinden gecen akıma oranına
“dinamik veya aç direnç denir ve Rac=DVd/DId eşitliği ile hesaplanır.

DİYOT ÇEŞİTLERİ, KULLANIM ALANLARI

Bu bölümde sizlere en çok kullanılan diyot çeşitlerini ve kullanım alanlarını
anlatmaya çalışacağım. Uygulamaları ayrı bir başlık altında şematik olarak
vermeye çalışacağım.

Diyot uygulamalarının başında sıradan diyotlarla yapılan doğrultucular gelir
doğrultma cinsine göre 2 çeşittir. Tam ve yarım dalga doğrultma tam dalga
doğrultma da kendi içerisinde kullanılan trafo cinsine göre 2 çeşittir:

Köprü tipi tam dalga doğrultma.
Orta bacaklı trafolu tam dalga doğrulma.

ZENER DİYOT: Bir çok yerde karşımıza çıkabilecek nitelikte bir diyot tipidir.
Belli bir kullanım alanı yoktur. Bunun nedeni kuşkusuz kullanışlı
olmasındandır. En önemli özelliği bağlandığı elemanın uçlarındaki gerilimi
kendi gerilimine sabitlemesidir yani bir zener her zaman bir ya da birkaç
elemana paralel bağlanır ve bağlandığı elemanın üzerindeki voltajı sabitler,
iki yönde de akım geçirebilir ve voltaj değerleri ile anılır günümüzde
1.8volttan 2000 volta kadar zener diyot bulmak mümkündür. Sembolü aşağıdaki
gibidir.

VARİKAP DİYOT (VARAKTÖR): Varikap diyotlar kapasiteleri gerilim ile değişen
kondansatör olarak kullanılırlar temeli ters yönde biaslanmış PN jonksiyonuna
dayanır. PN malzemeleri arasındaki gerilim setinin tabii bir kapasitesi
vardır. Bu bölge yalıtkan özelliğinden dolayı kondansatör dielektriği gibi
davranır. P ve N bölgeleri ise kondansatörün plakaları gibidir. Ters bias gerilimi
büyüdüğünde gerilim seti büyür ve dielektriğin kalınlığı artar ve kapasite
düşer ters bias gerilimi azaldığında gerilim seti daralır ve kapasite artar
bir varaktörde kapasite diyot yapısının geometrisine boyutuna ve malzeme
içindeki doping miktarına göre değişir. Kullanım alanları: Alıcı - verici
devreler, otomatik ayar devreleri başlıca kullanım alanlarıdır. Rezonans
devresinde kullanıldığında değişken kondansatör gibi çalışır. Aşağıdaki
devredeki gibi kullanıldığında kondansatör gibi çalışır ve üzerindeki
gerilimle orantılı olarak tank devresinin frekansını kontrol eder. Sembolü
aşağıdaki gibidir.

SCHOTTKY DİYOT: Bu diyotlar hızın ve anahtarlamanın önemli olduğu yerlerde
(Örneğin: swich mode güç kaynaklarında) kullanılırlar yapı olarak biraz farklıdırlar.
En büyük farkları yapısında sadece N tipi malzemenin kullanılmasıdır. Kısaca
ağırca katkılanmış N tipi silisyum ile altın gümüş ya da platin gibi bir
*meta*meta*meta*metalin jonksiyon oluşturmasıyla elde edilir. En yaygın
kullanımı yüksek frekans sinyallerin doğrultulması ya da işlenmesi
şeklindedir.

SHOCKLEY DİYOT: Shockley diyot dört silisyum katmanlı bir diyottur aslında
bazı kaynaklar bu elemanı bir gate'i olmayan tristör olarak kabul eder.
çalışma şekli diyotun belli bir voltaja gelince kendiliğinden iletime geçmesi
şeklindedir. Örneğin anot katot gerilimi 25 volta geldiğinde diyot
kendiliğinden iletime geçer. Güç elektroniğinde osilatör elemanı olarak
kullanılır.

TUNEL DİYOTLAR: Tunel diyotlar negatif direnç olarak bilinen özel bir karakteristiğe
sahiptirler. Bu özellik onların osilatör ve mikrodalga uygulamalarında
kullanılmasını sağlar tunel diyotlar P ve N tipi malzemeden oluşan klasik
doğrultma diyotlarından çok daha ağır katkılanmıştır. Galyum arsenik veya
germanyumdan yapılırlar bu ağır katkının sonucu olarak gerilim seti çok
dardır ve çok küçük gerilimlerde iletime geçebilir. Tunel diyotlar anahtarın
açılıp kapanması sonrasında sönümlü osilasyon elde etmek için (tank devresi)
kullanılırlar.

FOTO DİYOTLAR: Foto diyot da tıpkı zener diyot gibi ters yönde biaslanıp
çalıştırılabilen bir diyottur. iletime geçme şartı olarak üzerinde bulunan
küçük şeffaf bir pencereden ışık alması gerekir. Bu ışık tam Pekleminin
birleşim yerine düştügünde diyotun iletime geçmesine sebep olur. Klasik diyotlarda
olduğu gibi bu tip diyotlarda da sızıntı akımı vardır. Genellikle otomasyonda
ve dijital kontrol sistemlerinde üzerine düşen ışığın 0 1 gibi bir sinyal
değişikligi yapmasından faydalanılır.

PIN DİYOTLAR: Bu tip diyotlarda PN eklemi ağır bir şekilde katkılanmıstır.
Fakat bu iki malzeme katkısız bir silisyum ile ayrılmıştır. Ters yönde
biaslandığı zaman pin diyotu hemen hemen sabit bir kondansatör gibi davranır.
Düz yönde polarlandığında ise degisken bir direnç gibi çalışır bu
özelliğinden dolayı modülasyon elemanı olarak, veya biasdaki hızlı
değişiminden dolayı kontrollü mikro dalga anahtarı gibi, ya da direnci akım
kontrollü olduğundan zayıflatma uygulamalarında kullanılırlar.
LED’LER: Led, İngilizce Light Emiting Diode (ışık yayan diyot) anlamına gelen
kelimelerin baş harflerinin oluşturduğu bir kelimedir. Ledler bir yarı
iletken P-N jonksiyonundan ışık yayma prensibi ile çalışır jonksiyon düz
yönde polarıldığı zaman jonksiyon içerisindeki doping maddeleri cinsine göre
parlak bir ışık şeklinde enerji açığa çıkarır. Aslında sıradan diyotlar da
şeffaf olsaydı bir miktar parlaklık yine oluşacaktı ancak ledler genellikle
şeffaf bir kılıf içerisinde üretildikleri ve galyum arsenik fosfat gibi bir
madde ile dopinglendiği için yayılan ışığı daha rahat görebiliriz.

Ledler sanıldığı gibi kılıf rengine göre değil dopinglendigi maddeye göre
renk alır. Genellikle 3 madde ile dopinglenir ve genellikle 3 renk olur. Sarı
yeşil ve kırmızı fakat başka renklerde ledler de üretilmektedir.

Tipik olarak bir led 1.5 – 3.5 volt aralığında çalışır. 100-120 mW civarında
güç 20mA civarında da akım çekerler.

Iletkenler:Bir maddenin
iletkenligini belirleyen en önemli faktör, atomlarinin son yörüngesindeki
elektron sayisidir. Bu son yörüngeye "Valans Yörünge" üzerinde bulunan
elektronlara da "Valans Elektron" denir. Valans elektronlar atom
çekirdegine zayif olarak baglidir. Valans yörüngesindeki elektron sayisi 4
'den büyük olan maddeler yalitkan 4 'den küçük olan maddeler de iletkendir.
Örnegin bakir atomunun son yörüngesinde sadece bir elektron bulunmaktadir. Bu
da bakirin iletken oldugunu belirler. Bakirin iki ucuna bir eletrik enerjisi
uygulandiginda bakirdaki valans elektronlar güç kaynaginin pozitif kutbuna
dogru hareket eder. Bakir elektrik iletiminde yaygin olarak kullanilmaktadir.
Sebebi ise maliyetinin düsük olmasi ve iyi bir iletken olmasidir. En iyi
iletken altin, daha sonra gümüstür. Fakat bunlarin maaliyetinin yüksek olmasi
nedeniyle elektrik iletiminde kullanilmamaktadir.

Yalıtkanlar:Yalitkan maddelerin
atomlarinin valans yörüngelerinde 8 elektron bulunur. Bu tür yörüngeler
doymus yörünge sinifina girdigi için elektron alip verme gibi bir istekleri
yoktur. Bu sebeplede elektrigi ilemezler. Yalitkan maddeler iletken
maddelerin yalitiminda kullanilir. Yalitkan maddelere örnek olarak tahta, cam
ve plastigi verebiliriz. Isterseniz bu örnekleri arttirabilirsiniz.

Yari Iletkenler:Asagidaki
sekilde gördügünüz gibi yari iletkenlerin valans yörüngelerinde 4 elektron
bulunmaktadir. Bu yüzden yari iletkenler iletkenlerle yalitkanlar arasinda
yer almaktadir. Elektronik elemanlarda en yaygin olarak kullanilan yari
iletkenler Germanyum ve Silisyumdur. Tüm yari iletkenler son yörüngelerindeki
atom sayisini 8 'e çikarma çabasindadirlar. Bu nedenle saf bir germenyum
maddesinde komsu atomlar son yörüngelerindeki elektronlari Kovalent bag ile
birlestirerek ortak kullanirlar. Asagidaki sekilde Kovalent bagi
görebilirsiniz. Atomlar arasindaki bu kovalent bag germanyuma kristallik
özelligi kazandirir. Silisyum maddeside özellik olarak germanyumla hemen
hemen aynidir. Fakat yari iletkenli elektronik devre elemanlarinda daha çok
silisyum kullanilir. Silisyum ve Germanyum devre elemani üretiminde saf
olarak kullanilmaz. Bu maddelere katki katilarak Pozitif ve Negatif maddeler
elde edilir. Pozitif (+) maddelere "P tipi", Negatif (-)
maddelerede "N tipi" maddeler denir.

N Tipi Yari Iletken: Arsenik maddesinin atomlarinin valans yörüngelerinde 5 adet
elektron bulunur. Silisyum ile arsenik maddeleri birlestrildiginde, arsenik
ile silisyum atomlarinin kurduklari kovalent bagdan arsenik atomunun 1
elektronu açikta kalir. Asagidaki sekilde açikta kalan elektronu
görebilirsiniz. Bu sayede birlesimde milyonlarca elektron serbest kalmis
olur. Bu da birlesime "Negatif Madde" özelligi kazandirir. N tipi
madde bir gerilim kaynagina baglandiginda üzerindeki serbest elektronlar
kaynagin negatif kutbundan itilip pozitif kutbundan çekilirler ne gerilim
kaynaginin negatif kutbundan pozitif kutbuna dogru bir elektron akisi baslar.

P Tipi Yari Iletken:
Bor maddesininde valans yörüngesinde 3 adet elektron bulunmaktadir. Silisyum
maddesine bor maddesi enjekte edildiginde atomlarin kurdugu kovalent
baglardan bir elektronluk eksiklik kalir. Bu eksiklige "Oyuk" adi
verilir. Bu elektron eksikligi, karisima "Pozitif Madde" özelligi
kazandirir. P tipi maddeye bir gerilim kaynagi baglandiginda kaynagin negatif
kutbundaki elektronlar p tipi maddeki oyuklari doldurarak kaynagin pozitif
kutbuna dogru ilerlerler. Elektronlar pozitif kutba dogru ilerlerken oyuklarda
elektronlerin ters yönünde hareket etmis olurlar. Bu kaynagin pozitif
kutbundan negatif kutbuna dogru bir oyuk hareketi saglar.

Azinlik ve Çogunluk Tasiyicilar:
Silisyum ve germanyum maddeleri tamamiyle 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 olusmasina
sebep olur. Fakat P tipi maddede istek disi bulunan oyuk sayisi, istek disi
bulunan elektron sayisindan fazladir. Ayni sekilde N tipi maddede de istek
disi bulunan elektron sayisi istek disi bulunan oyuk sayisindan fazladir.
Iste bu fazla olan oyuk ve elektronlara "Çogunluk Tasiyicilar" az
olan oyuk ve elektronlara da"Azinlik Tasiyicilar" denir. Azinlik
tasiyicilar yari iletkenli elektronik devre elemenlarinda sizinti akimina
neden olur. Içeriginde çok sayida yari iletkenli devre elemani bulunduran
entegrelerde fazladan gereksiz akim çekimine yol açar ve bu da elemanin
isinmasina, hatta zarar görmesine neden olur.
Elektrik Akimi Nasil Olusur?
Aslinda bu çok detayli bir konudur. Bildiginiz gibi
*meta*meta*meta*metallerin atomlarindaki elektron sayilari
*meta*meta*meta*metalin cinsine göre degisir. Iletken maddelerin atomlarinin
son yörüngelerinde 4 'den az elektron bulunur. Atomlar bu elektronlari 8 'e
tamamlayamadiklari için serbest birakirlar. Bu yüzden bir Iletken maddede
milyonlarca serbest elektron bulunur. Bu maddeye elektrik uygulandiginda
elektronlar negatif (-) 'den pozitif (+) yönüne dogru hareket etmeye baslar.
Bu harekete "Elektrik Akimi" denir. Birimi ise "Amper"
dir. Iletkenin herhangi bir noktasindan 1 saniyede 6.25x1018 elektron geçmesi
1 Amperlik akima esittir. Akimlar "Dogru Akim" (DC) ve
"Alternatif Akim" (AC) olarak ikiye ayrilir.

Dogru Akim (DC):

Dogru akimin kisa tanimi; Zamana bagli olarak yönü ve siddeti degismeyen
akima dogru akim denir. Dogru akim genelde elektronik devrelerde kullanilir.
En ideal dogru akim en sabit olanidir (yönü ve siddetinde degisiklik
olmayan). En sabit dogru akim kaynaklari da pillerdir. Alternatif akimi (Yönü
ve siddeti degisien) dogru akima dönüstürmek için dogrultmaç devreleri
kullanilir.

Alternatif Akim (AC):

Alternatifin kelime anlami "Degisken" dir. Zamana bagli olarak yönü
ve siddeti degisen akima alternatif akim denir. Alternatif akim büyük
elektrik devrelerinde ve yüksek güçlü elektrik motorlarinda kullanilir.
Evlerde kullanilan elektrik akimi alternatif akimdir. Buzdolabi, çamasir
makinesi, bulasik makinesi, aspiratör ve vantilatörler
alternatif akimla çalisirlar. Televizyon, müzik seti ve video gibi cihazlar
yapilarinda bulunan dogrultmaçlar sayesinde alternatif akimi dogru akima
çevirerek çalisirlar.

Elektroniğin Temel Malzemesi

Elektroniğin Temel Malzemesi

Geri: Elektroniğin Temel Malzemesi