Bolum 2 - Yariiletkenler Ve Diyotlar

7/24/2019 Bolum 2 - Yariiletkenler Ve Diyotlar

1/9

2. BLM: YARILETKENLERve DYOTLAR 1

2. BLM: YARILETKENLERve DYOTLAR

2.1. Yariletken Malzemeler ve zellikleriElektronik devre elemanlarnn ou yariletken malzemeler kullanlarak retilir.

Silikon, elektronik devre eleman ve entegredevre retiminde en ok kullanlan yariletken

malzemedir.

2.1.1. Saf yariletkenler

Bir atom ekirdek ve ekirdek etrafnda yerleen negatif ykl elektronlardan

oluur. ekirdek ise pozitif ykl protonlardan ve yksz netronlardanoluur. Elektronlar

ekirdein etrafnda orbital ad verilen deiik uzaklklarda bulunur. Elektron ekirdekten

uzaklatka enerjisi artar. ekirdekten en uzak orbitaldeki elektronlar valans elektronlar

olarak adlandrlr ve atomun temel kimyasal zelliklerini bu elektronlar belirler.

Periyodik tablodaki elementler valans elektronlarnn saysna gre belirlenir. Tablo

2.1de ok kullanlan yariletkenlerin periyodik tablodaki yerleri gsterilmitir. Karbon,silisyum ve germanyum aslyariletkenlerolup 4 valans elektronuna sahiptirler.

Tablo 2.1.

III IV V

B C

Al Si P

Ga Ge As

ekil 2.1ada 4 valans elektronuna sahip silikon atomunun birbirleri ile etkileime

girmemi hali grnmektedir. Silikon atomlar birbirlerine yeterince yaklatrlrsa valanselektronlar kristal yap oluturacak ekilde bir araya gelir. ekil 2.1bde grld gibi

tetrahedral yap olutururlar. Bu yapda valans elektronlar kovalent ba oluturarak

atomlar tarafndan ortaklaa kullanlrlar. Germanyum, Galyum Arsenid ve ou

yariletkenler tetrahedral yapdadrlar. ekil 2.1cde 5 silikon atomundan oluan yapnn iki

boyutlu grnm gsterilmektedir. Bu yapnn en nemli zelliklerinden birisi en dtaki

Silikon atomlarnn valans elektronlar yeni Si atomlar eklemeye msait olmasdr. Bylece

byk bir kristal elde edilebilir. Bu yapda de her bir elektron olabilecek en dkenerji seviyesindedir. Bu yapya kk bir elektrik alan uygulandnda her bir elektron ait

olduu atoma sk skya bal olduundan hareket etmezler. Dolaysyla deSilikonbir yaltkandr. Dolaysyla bir tayc hareketi olmaz.


2/9


SiSi Si

Si

Si

(a) (b)

SiSi Si

Si

Si

(c)

ekil 2.1. Kristal yapdaki Silikon atomlar.

Eer scaklk artarsavalans elektronlar sl enerjileri de artar. Kovalent ba kracak

kadar enerji kazanan elektronlar kovalent ba kopararak orijinal pozisyonlarndeitirirler. Bu durum ekil 2.2de gsterilmitir. Bundan sonra elektron kristal ierisinde

serbest olarak hareket edebilir.

Si

Si

Si

Si Si

Si

Si

Si

Si

+e

-

ekil 2.2. T0Kdekovalent ban krlmas.

Maddenin toplam yk sfr (ntr) olduundan eer elektron kovalent ba koparp

orijinal pozisyonundan hareket ederse boaltt noktada pozitif ykl bir empty state,

oluur. Eer scaklk ok artarsa daha ok elektron kovalent ba kopararak serbest hale

gelir ve onlarn yerinde yeni empty state oluur. Sonu olarak elektronun yeterli enerjiyibulup atomdan ayrlmas ile yapda elektron - delik ifti olumu olur.

Elektronun kovalent ba koparmak iin sahip olmas gereken bir minimum enerji

deeri vardr. Bu enerji miktarna maddenin bandgap enerjisi, Eg, denir. Yaltkanlarn

bandgap enerjisi olduka yksek olup 3 ile 6 eV civarndadr. Dolaysyla bu maddelerde

oda scaklnda serbest elektron bulunmaz. Buna karn iletkenler ise olduka dk

bandgap enerjiye sahip olduklarnda ok sayda serbest elektron bulunur.


3/9


Yariletkenlerin bandgap enerjileri ise 1eV civarndadr. Serbest elektronlarn

hareketi bir akma neden olur. Benzer ekilde elektronlarn boaltt pozitif ykl empty

stateler de hareket ederler. Bu pozitif ykl paracklara delik ad verilir. Byleceyariletkende negatifykl elektronlar ile pozitif ykl delikler olmak zere iki tip ykl

parack akm oluturur.

Elektronlarn ve deliklerin younluu yariletkenin en nemli parametrelerinden

biridir. nk yariletkenden akm direkt olarak etkilerler. Intrinsic semiconductors(saf

yariletken) tek kristalli yariletkenlerdir ve ierisinde baka tip atom bulunmaz. Saf bir

yariletkende elektron ve delik younluu birbirin eittir. Dolaysyla saf yariletkenlerin

tayc younluunu ifade etmek iin ifadesi kullanlr. Saf yariletkenler iin taycyounluu(elektron ve delik younluu birbirine eittir),

() (2.1)

eklinde ifade edilebilir. Burada elektron ve delik younluuna bal sabitler,malzemeye bal bir sabit (cm-3), Eg bangap enerji (V) (iletkenlik band ile valans band

arasndaki enerji fark), Tscaklk (K), kise Boltzman sabitidir (8,62.10-5eV/K). Tablo 2.2de

baz yariletken maddeler iin bandgap deerleri verilmitir.

Madde Eg(eV)

Silicon (Si) 1,1

Gallium Arsenid (GaAs) 1,4

Germanium (Ge) 0,66

Tablo 2.22.1.2. Katklanm yariletkenler

Saf yariletkenlerde elektron ve deliksaysok dk olduundan yariletkende ok

az akm akabilir. Ancak yariletkene belirli miktarda baka saf maddeler eklenerek elektron

ve delik younluu artrlabilir. Silikon(IV grup yariletken)iin en uygun katk maddesi III

veya V grup yariletkenlerdir.

Katk maddesi olarak en ok kullanlan V grup yariletkenler Fosfor ve Arseniktir.

Katk maddesi olarak fosfor kullanldnda fosforun valans elektronlarnn drd silikon

ile kovalent ba oluturmak iin kullanlr (ekil 2.3). Beinci elektronun ekirdee olan

ba azalr ve oda scaklnda bu elektron ekirdekten ayrlmak iin gerekli olan enerjiyesahip olur. Bylece bu elektron kristal ierisinde serbeste hareket edebilir ve

yariletkende elektron akm oluturur.


4/9


ekil 2.3. Fosfor atomlar katklanm Silikon kristali.

Fosfor atomu kristal yapya serbest elektron verdiinden donor impurity olarak

adlandrlr. Fosfor atomu elektron vererek pozitif yk olmasna ramen fosfor atomuhareketsizdir ve akm oluturmaz. Yani bir yariletkene donor impurity eklendiinde

kristal yapya serbest elektron verilirken pozitif ykl delik olumaz. Bu ilem doping

olarak adlandrlr ve yariletkendeki serbest elektron younluunu ayarlamamza yarar.

Donor impurity atom ieren yariletken n tipi yariletken olarak adlandrlr.

Unutmamak gerekir ki n tipi yariletkende Si atomlarn valans elektronlarnn yeterli

enerjiyi bularak atomdan ayrlmas ile de serbest elektronlar meydana gelir. Ancak bu

elektronlarn says katk atomundan gelen elektronlarn saysndan okokazdr. Bylece

n tipi yariletkende Si atomundan gelen az sayda delik (aznlk taycs), Si ve katk

atomundan gelen ok sayda da elektron (ounluk yaycs) bulunur.

Silikon katklamada en ok kullanlan III grup element ise bordur. Silikon

atomlarnn yerine bor atomlar eklendiinde bor atomlarnn valans elektronlarnn

silikon atomlar ile kovalent ba oluturur (ekil 2.4). Bu durumda Silikon atomu bir ba

daha yapabilecek elektronu kalr. Komu silikon atomlarnn valans elektronlar

yerlerinden ayrlarak ve yerlerinde bo bir delik brakarak silikon atomunun son elektronu

ile drdnc ba oluturur. Sonuta Bor atomu negatif yke sahip fakat hareketsiz iken

oluan delik hareket ederek delik akm oluturabilir. Burada bor atomuna acceptor

impurity (elektron alarak safl bozan) ad verilir. Bu ilem de doping olarak

adlandrlr ve yariletkendeki delik younluunukontrol etmede kullanlabilir.Bu ekilde

elde edilmi yariletkenlerp tipi yariletken(pozitif ykl tayclar olutuundan) olarakadlandrlrlar.

Safl bozan atom (impurity atoms) ieren yariletkenler extrinsic

semiconductors, katkl yariletkenler olarak adlandrlrlar. Katklama ilemi elektron ve

delik younluunu ayarlama imkan verir. Bylece yariletkenin iletkenlii ayarlanabilir.


5/9


B

Si

Si

Si Si

Si

Si

Si

Si

ekil 2.4. Bor atomlar katklanm Silikon kristali.

Isl dengede olan bir yariletkenin elektron ve delik younluu aadaki gibi ifade

edilebilir.

(2.2)Burada n0 sl dengedeki elektron younluu, p0 sl dengedeki delik younluu, niasl, z

tayc younluudur.

Oda scaklnda () her bir donor atomu yariletkene bir tane elektronverir. Eer donor younluu , saf yariletken (intrinsic) younluundan olduka fazla ise dir. Bu durumda delik younluu,

(2.3)

olur. Benzer ekilde oda scaklnda () her bir acceptor atomu yariletkene birtane delik verir. Eer acceptor younluu , saf yariletken (intrinsic) younluundanolduka fazla ise dir. Bu durumda elektron younluu,

(2.4)

olur.

n tipi yariletkenlerde serbest elektronlarn says serbest deliklerin saysndan

olduka fazla olduundan majority carrier(ounluk tayclar) olarak adlandrlrlar.Delikler ise minority carrier(aznlk tayclar) olarak adlandrlr. P tipiyariletkenler

iin ise tam tersidir.


6/9


2.1.3. Srklenme ve difzyon akmlar

Yariletkenlerde elektronlarn ve deliklerin hareket etmesine neden olan iki

mekanizma vardr: birincisi elektrik alann neden olduu srklenme akm, ikincisi tayc

younluunun deimesinden kaynaklanan difzyonakmdr.

Srklenme akmnn nasl olutuunu anlamak iin ekil 2.5ade gsterildii gibi n

tipi bir yariletkene bir elektrik alan uygulayalm. Uygulanan elektrik alan, elektronlar

negatif ykl olduundan elektronlara elektrik alann tersi ynde bir kuvvet uygular.

Elektrik alan altndaki elektronlarn hz aadaki gibi ifade edilebilir.

E

e

Jn

n tipi yariletken

vdn

(a)

E

Jp

p tipi yariletken

vdpP+

(b)

ekil 2.5.

(2.5)Burada elektronun hareket yetenei olup birimi elektronun yariletken

ierisinde ne kadar iyi hareket edebildiini gsterir. Az katkl silikon iin bu deer yaklak

civarndadr. Formldeki eksi iareti elektrik alann yn ile hareket ynnters olduunu gsterir. Elektrik alann oluturduu elektron srklenme akmnnyounluu ,

(2.6)eklinde ifade edilebilir. Burada n elektron younluu, e ise elektronun ykdr. Genel

olarak srklenme akm negatif yklerin tersi yndedir. Dolaysyla n tipi yariletkenlerde

srklenme akm elektrik alanla ayn yndedir.

Benzer bir analiz p tipi yariletken iin de yaplabilir (ekil 2.5b). Delikler pozitif

yke sahip olduklarndan elektrik alan deliklere alanla ayn ynde kuvvet uygular. Bylece

deliklerin hz,

(2.7)eklinde ifade edilebilir. Burada pdeliklerin hareket yeteneini gsteren katsaydr.

Dk katkl silikon iin pyaklak 480 cm2/V-s civarndadr. Bu da elektronun hareket


7/9


yeteneine gre olduka dktr. Elektrik alann oluturduu delik srklenme akmnn

younluu , (2.8)

eklinde ifade edilebilir. Burada p deliklerin younluudur. Grld gibi p tipi

yariletkende elektrik alann etkisi ile deliklerin oluturduu srklenme akm elektrik

alanla ayn yndedir.

Bir yariletken elektron ve delikleri beraber ierdiinden toplam srklenme akm,

+ (2.9)olur. Burada olup yariletkenin iletkenliidir ( ). letkenlikelektron ve delik younluu ile doru orantldr.

Difzyon ile ykler yksek younluklu blgeden dk younluklu blgeye doruhareket derler. Bu kinetik teorinin istatistii ile alakaldr. Elektronlarn ve deliklerin

yariletken ierisinde difzyon ile hareketinde, ortalama hzlar scaklk ile, ynleri ise

kafesteki atomlar ile olan rastgele etkileimlerine baldr.

2.1.4. pn jonksiyonu

pn jonksiyonu en basit yariletken dzeneklerdir. ekil 2.6ada tipik bir pn

jonksiyonunun kesiti gsterilmitir. Pn jonksiyonu homojen olarak katklanm p ve n tipi

iki blgeden oluur. P tipi blge Bor gibi acceptor yariletken ile katklanmtr. Dolaysyla

bu blgede delikler ounluk tayclardr. Benzer ekilde n tipi blge ise fosfor veyaArsenik gibi donor yariletken ile katklanmtr. Dolaysyla bu blgede elektronlar

ounluk tayclardr.Alminyum kontak ise p ve n tipi blgelere balantlar salar. ekil

2.6bde pn jonksiyonun bir boyutlu basitletirilmi kesiti gsterilmitir. ekil 2.6cde ise

emas gsterilmitir.

n ve p tipi yariletkenler birletirildiinde snr blgede tayc younluklarnda ani

bir deime olur. n tipi blgede fazla elektronlar p tipi blgeye ve p tipi blgede fazla olan

delikler de n tipi blgeye doru difzyon ile hareket ederler. Sonuta n tipi blgede fazla

olan elektron younluu ve p tipi blgede fazla olan delik younluu hzla azalr.Bu blge

fakirlemi blge olarak adlandrlr. Tayclarn bu hareketi sonucu, deliklerin p tipi

blgeden ayrlmas ile p tipi blgede negatif ykl, hareketsiz acceptor iyonlar kalr.Dolaysyla jonksiyon snrnn p tipi blgesi negatif yklenmi olur. Benzer ekilde n tipi

blgeden elektronlarn ayrlmas ile n tipi blgede pozitif ykl hareketsiz donor iyonlar

kalr. Dolaysyla jonksiyon snrnn n tipi blgesi pozitif yklenmi olur. Bu ykler

fakirlemi blgede n tipi blgeden p tipi blgeye doru bir elektrik alann olumasna

neden olur. Bu alan da elektron ve deliklerin difzyon yoluyla geiini engeller ve

elektronlarnp tipi blgeden n tipi blgeye(elektronun yk negatif olduundan etkiyen


8/9


kuvvet alann ynne zttr)deliklerin de n tipi blgeden p tipi blgeye srklenme yoluyla

geiini salar. Denge durumunda srklenme akm dfizyon akmna eit fakat ters

yndedir. Bylece yariletkenden net bir akm akmaz. Yukarda anlatlanlar ekil 2.7de

zetlenmitir.

ekil 2.6.

ekil 2.7de pn jonksiyonuna herhangi bir gerilim uygulanmad durumda akm

ynleri, yk younluklar, elektrik alan ve elektrostatik potansiyelin deiimi gsterilmitir.

Diyagramdan da grld gibi p tipi blge n tipi blgeden daha fazla katkland iin p

tipi blgedeki iyon younluu daha fazladr. Ayrca yine diyagramdan grld gibi

jonksiyonlar arasnda bir potansiyel fark vardr. Bu potansiyel fark potansiyel bariyeri

olarak adlandrlr ve aadaki gibi tanmlanr.

[ ] (2.10)Burada sl gerilim olup, olup sl gerilim (volt-equivalentof temperature, scaklktan kaynaklanan gerilim), nisaf yariletkenin younluu, NAve ND

acceptor ve donor younluudur.


9/9


ekil 2.7.

Bolum 2 - Yariiletkenler Ve Diyotlar

Documents

Transcript of Bolum 2 - Yariiletkenler Ve Diyotlar