Bir yarı iletken, iletkenliği bir iletken ile bir yalıtkan
arasında olan kristal bir malzemedir. Çok çeşitli yarıiletken malzeme vardır,
silikon ve germanyum, metalimsi bileşikler (silikon karbür gibi), ve çeşitli
organik bileşikler bunlardan bazılarıdır. Elektronik aletlerin yapımında
kullanılan iki önemli yarıiletken malzeme kristal silikon ve germanyumdur;
incelemelerimiz bu yarıiletkenleri kapsayacaktır.
Tanımlar
pn Bağlantısı: p-tip ve n-tip yarı iletken malzemeler
arasındaki sınır.
Diyot: Sadece bir
yönde akım geçmesine olanak veren bir elektronik alet.
Engel (Bariyer)
Potansiyeli: Bir pn bağlantı diyotunun tüketme bölgesindeki potansiyel.
Düz (Forward) Bias:
Bir diyotun akım ilettiği koşul.
Ters (Reverse) Bias: Bir diyotun akımı engellediği koşul.
Fotodiyod: Ters direnci, gelen ışıkla değişen bir diyottur.
1. Silikon ve
Germanyum Yarıiletkenler
Silikon ve germanyum IV.Grup elementlerindendir ve bağ
yapabilen dört valans elektronları bulunur. Silikon kristalinde bir silikon
atomunun her bir elektronu, diğer bir silikon atomunun bir elektronu ile
kovalent bağ oluşturduğundan hareketsizdir. Buna göre kristal silikonda serbest
elektron bulunmaz, ve maddenin bir yalıtkan özelliği göstermesi beklenir.
Gerçekte ise oda sıcaklığında, bir elektronun serbest kalmasına yetecek kadar
ısıl çalkalanma vardır, böylece bağlardan kopan bir elektron kristal dokusu
içinde dolaşır ve elektriği iletir. Bir elektronun bu şekilde ısıl
"uyarılması" pozitif yüklü bir bölgenin oluşmasına yol açar, buna
"boşluk" denir ve silikon atomunu belirtir. Boşluk da hareketlidir,
ve kristalin elektrik iletimine yardımcı olur. Boşluğun hareket mekanizması
kademelidir; elektronca zayıf bölgeye, komşu silikon atomundan bağlı bir
elektron atlar ve kendi yerinde pozitif bir boşluk bırakır. Bıraktığı boşluğa,
oradaki atomun yanındaki atomdan yeni bir elektron atlaması ile olay devam
eder. Böylece elektron hareketinin ters yönüne doğru boşluk oluşması devam
eder. Bu açıklamaya göre, bir yarıiletkenin iletkenliği ısıl elektronun bir
yönde, boşlukların ise diğer yöndeki hareketlerinden kaynaklanır.
Bir silikon veya germanyum kristalinin iletkenliği
"doping" yapılarak çok fazla artırılabilir. Doping, ufacık ve miktarı
kontrol edilebilen bir safsızlığın kristal yapısına sokulmasıdır. Bir silikon
yarıiletkene konulan doping maddesi arsenik veya antimon gibi bir V. grup
elementi, veya indiyum veya galyum gibi bir III. grup elementi olabilir.
Donor (Verici) veya n-Tip Safsızlık: Bir V. grup
elementi atomunun kristal örgüsündeki bir silikon atomu ile yer değiştirmesi
durumunda, yapıya bir tane bağlı olmayan elektron konulmuş olur; elektronun
kristalde dolaşması için çok az bir ısıl enerjiye gereksinim vardır. Bu
elektronun ayrılmasıyla geride kalan pozitif atom (V. grup elementinin atomu),
hareket edebilen bir boşluk görevi yapamaz, çünkü kovalent silikon bağından
buradaki bağsız konuma bir elektronun geçme eğilimi çok azdır. Doping yapılmış
bir yarıiletkene, bağlı olmayan elektronlar içerdiğinden "n-tip" veya
negatif tip yarıiletken denir, çünkü akımın "başlıca (salt) taşıyıcıları"
elektronlardır. Bu tip bir yarıiletkende hala pozitif boşluklar vardır, ancak
sayıları elektronların sayılarına kıyasla çok azdır; yani, n-tip bir
yarıiletkende boşluklar akımın "azınlık taşıyıcıları"dır.
Akseptör (Alıcı) veya p-Tip Safsızlık: Silikonun,
sadece üç valens elektronu bulunan bir III. grup elementi ile doping yapılması
durumunda "p-tip" veya pozitif tip yarıiletken meydana gelir.
Safsızlık atomunun boş orbitaline, yanındaki silikon atomlarından elektronların
atlamasıyla pozitif boşluklar oluşur. Bu işlemle III. grup atomu pozitif
yüklenir. Boşluklar silikon atomundan silikon atomuna geçerek ilerler; böylece,
çoğunun taşıyıcısının pozitif olduğu bir akım oluşur. Pozitif boşluklar serbest
elektronlardan daha az hareketlidirler; buna göre bir p-tip yarıiletken bir
n-tip yarıiletkenden daha zayıf bir iletkendir.
Saf silikon kristali, verici
safsızlık antimon atomu ve alıcı safsızlık bor atomunun yapısını ve yarı
iletkenlerin dokusunu gösteren diyagramlar
2. Yarı İletken Diyotlar
Bir "diyot", bir yöndeki iletkenliği diğer
yöndekinden daha büyük olan bir sistemdir. Tek bir germanyum, veya silikon
kristali içinde birbirine bileşik n- ve p-tip bölgeler oluşturularak çok
faydalı diyotlar yapılmaktadır; bölgeler arasındaki yüzeye pn bağlantısı denir.
Bir pn Bağlantısının
Özellikleri
Şekil (a)’da bir pn bağlantısının kesiti görülmektedir; bu
tip bir bağlantı p bölgesinden n bölgesine pozitif yük (veya ters yönde negatif
yük) akmasını sağlar; diğer yönde (n den p ye) pozitif yük akmasına karşı büyük
bir direnç gösterir, bu bağlantıya "akım rektifieri (doğrultmaç)" adı
verilir.
Şekil (b)’de, bir potansiyel uygulanarak p bölgesinin n
bölgesine göre pozitif yüklendiği durumdaki elektrik iletimi mekanizması
gösterilmiştir; bu işleme "düz-bias" gerilimi denir.
Düz bias (forward bias): Vuygulanan
> 0
p bölgesindeki pozitif boşluklar ve n bölgesindeki fazla
elektronlar (yani, her iki bölgedeki başlıca taşıyıcılar) elektrik alanının
etkisiyle bağlantıya doğru hareket ederler, ve birbirleriyle birleşerek yok
olurlar. Bataryanın negatif ucu n bölgesine yeni elektronlar verir, bunlar
tekrar iletme işlemini sürdürürler; bataryanın pozitif ucu ise p bölgesinden
elektron çekerek, pn bağlantısına doğru hareket eden yeni boşluklar yaratır.
Ters bias (reverse bias): Vuygulanan
< 0
Diodda "ters-bias"
gerilimi varsa (Şekil-c) her iki bölgedeki başlıca taşıyıcılar bağlantıdan
uzaklaşacak yönde hareket ederler, böylece geride birkaç yükün bulunduğu bir
"eksiltme tabakası" bırakırlar. Her iki bölgede de sadece bağlantıya
doğru hareket eden ve böylece bir akım taşıyan çok az konsantrasyondaki azınlık
taşıyıcılar kalır. Böylece, ters-bias gerilimi altındaki iletim düz- bias
altındakinin 10-6 –10-8 katı kadar olur.
Yarı İletken Diyotlar
İçin Akım-Voltaj Eğrileri
Aşağıdaki şekilde tipik bir yarıiletken diyotun forward (düz)
ve ters-bias altındaki davranışı gösterilmiştir. Düz-biasda akım voltajla hemen
hemen eksponensiyel olarak artar; bir kaç amperlik akımlar gözlenir. Ters-bias
altında ise, bir voltaj aralığı boyunca mikro amper seviyesinde bir akım
gözlenir; bu bölgede iletkenlik azınlık taşıyıcılarca sağlanır. Bu ters akımın
önemi yoktur. Ters potansiyel artırıldığında, yine de hızla ters akımın aşırı
derecede artığı "kopma" voltajına ulaşılır. Burada, yarıiletkenin
kovalent bağlarının kopmasıyla meydana gelen boşluklar ve elektronlar alan
tarafından hızlandırılarak çarpışmayla yeni elektronlar ve boşluklar
oluştururlar.
Bir silikon yarıiletken diodun akım voltaj
özellikleri
Ayrıca bağlantı tabakası arasında, elektronların kuvantum
mekaniği tüneli de iletkenliğin artmasına yardım eder. Bu iletkenlik ısıtma
etkisiyle diyotu tahrip edecek kadar yüksektir. Ters-bias altında akımda ani
artışa neden olan voltaja "Zener kopma voltajı" denir. Bağlantı
tabakasının tipinin ve kalınlığının kontrol edilmesiyle birkaç volttan birkaç
yüz volta kadar Zeener Voltajları alınabilir. Bu olaydan elektronikte çok
yararlanılır.
3. Transistörler
Transistör yarıiletken kuvvetlendirme aletidir ve bir vakum
kuvvetlendirme tüpü ile ayni işlevi yapar; yani, giriş sinyalinden daha büyük
bir çıkış sinyali oluşmasını sağlar. Bir kaç tip transistör bulunur; bunlardan en çok
kullanılan "bipolar" ve "alan-etki transistörü"
üzerinde durulacaktır.
Bipolar (İki Kutuplu)
Transistörler
Bipolar transistörler sırt-sırta yerleştirilmiş iki
yarıiletken diodtur. pnp transistörde n-tip bir bölge iki p-tip bölge arasına
sıkıştırılmıştır; npn tip transistör bunun tersi bir yapıdadır. Bipolar
transistörler çeşitli şekillerde hazırlanabilir, bunlardan ikisi aşağıdaki
şekle gösterilmiştir.
Tüm transistörlerin genel görünümü:
·
Küçüktürler.
·
Fazla dopingli dış tabakalardan küçüğüne
"emitter" büyüğüne "kolektör" denir.
·
İnce (~ 0.02 mm), hafif dopingli
"base" tabakası, emitter ile kollektörü birbirinden ayırır.
·
Üç bölge arasında mekanik ve elektrik bağlantısı
vardır.
Bir alaşım bağlantı pnp transistörü, çoğunlukla, n-tip bir
germanyum çipten yapılır. Çipin her iki tarafı üzerine, indiyum gibi, bir
III.Grup metali pelletleri konulur ve pelletler ergiyip germanyum içinde
çözününceye kadar ısıtılır. Soğutulup kristallendirilir. Böylece, ince bir
tabaka n-dopingli germanyumun iki tarafında, iki tane yüksek dopingli p-bölgesi
oluşturulur.
Tipik bir düzlemsel npn transistörü, silikon dioksid ile
kaplanmış ince bir n-tip silikon yapraktan hazırlanır. Yaprak oksijen
atmosferinde ısıtılarak bir oksit tabakası şeklinde çöktürülür. p-tip base
bölgesini yapmak için, oksid yüzey üzerinde daire şeklinde bir girinti yapılır;
sonra, kristal ısıtılır ve boron buharlarına tutularak difüzyonla hafif
dopingli, p-tip bölgenin oluşması sağlanır. Tabaka tekrar oksitlenerek yeniden
yüzey filmi oluşturulur, sonra orijinal dairenin içine daha küçük bir daire
girintisi çizilir. Bu dairesel girintinin, kristalin ısıtılıp fosfor
buharlarına tutulmasıyla, difüzyonla yüksek dopingli, n-tip emitter bölge
oluşturulur.
pnp ve npn tip transistörlerin sembolleri şekilde gösterilmiştir.
Emitter bağlantısındaki ok pozitif yük akımının yönünü gösterir. Buna göre,
pozitif yük pnp tipte emitterden base’e, npn tipte ise base’den emittere doğru
akar.
Bir Bipolar
Transistörün Elektriksel Özellikleri
Bu kısımda bir pnp-tip bipolar transistörün davranışları
incelenecektir. npn-tip bir transistör de, elektrik akış yönünün ters olması
dışında, ayni davranışları gösterir.
Elektronik bir sistemdeki bir transistörün uçlarından biri
girişe bağlanır, ikinci uç çıkış görevi yapar; üçüncü uç ilk iki uca bağlıdır
ve "genel" uçtur. Bu durumda üç şekil olabilir: bir genel-emitter,
bir genel-kollektör, ve bir genel-temel şekli. Genel-emitter en çok uygulanan
bağlantı şeklidir ve burada detaylı olarak incelenecektir.
Genel-emitter şeklindeki bir pnp transistörünün akımı
yükseltmesi şematik olarak şekilde verilmiştir. Burada, yükseltilecek küçük bir
DC giriş akımı (IB), emitter-base devresine girer; bu akım şekilde base
akımı olarak gösterilmiştir. Daha sonra görüleceği gibi, alternatif akım da IB
ile seri halde verilerek, yükseltilebilir. Yükseltildikten sonra, DC bileşeni
bir yüksek-frekans filtresi ile uzaklaştırılır.
Bir emitter-kollektör devre, bir seri batarya veya rektifierden
oluşan bir DC kaynağı veya güç kaynağından beslenir. Tipik bir güç kaynağı 9-30
V arasında potansiyel verir.
Kollektör veya çıkış akımı IC, base giriş akımı IB’den
oldukça büyüktür. Kollektör akımın büyüklüğü, giriş akımı ile doğru orantılıdır.
IC = a IB
Orantı sabiti a’ya
"akım kazancı" denir, akım kuvvetlenmesinin bir ölçüsüdür. Kollektör
akım emitter akımla da orantılıdır.
IC = a IE
Buradaki orantı sabiti a
‘ya "düz akım transfer oranı" denir.
IE = IB + IC olduğundan,
Bir Bipolar Transistör
ile Kuvvetlendirme (Amplifikasyon) Mekanizması
Şekilde görülen transistörün emitter-base yüzeyleri arası
bir forward-biaslı pn, base-kollektör bölge ise bir ters-biaslı np
bağlantısıdır. Onda birkaç voltluk bir giriş sinyali uygulandığında forward-biaslı
bağlantıdan bir IB akımı akar. Tersine, ters biaslu kollektör base
bağlantısının uçları arasından elektrik geçişi, başlıca-taşıyıcıların
bağlantıdan uzaklaşmasıyla, engellenir.
Forward-biaslı pn bağlantısında, p bölgesindeki boşlukların
sayısı, n bölgesindeki hareketli elektronların sayısına hemen hemen eşittir. Bu
nedenle, hareketliliklerindeki küçük farklılık dışında, dioddaki iletim yüklü
iki tip arasında az veya çok eşit olarak paylaşılır.
Bir pnp transistölü devredeki
akımlar: a = 20-200
Bir pnp transistörünün p bölgesinin n bölgesinden daha fazla
dopingli olduğu biliniyor. Bu nedenle, p bölgesindeki boşlukların
konsantrasyonu, n tabakasındaki hareketli elektronların konsantrasyonundan yüz
kat veya daha fazladır. Bu durumda, bu pn bağlantısındaki boşlukların
akım-taşıma kapasitesi, elektronların kapasitesinden belki yüz kat daha büyük
olur.
İki DC kaynağının (giriş bataryası ve güç kaynağı) çıkardığı
elektronlar p-tip emitter bağlantıda boşluklar oluşturur. Bu boşluklar sonra,
çok ince n-tip base bölgesine girer ve burada bazıları giriş kaynağından gelen
elektronlarla birleşir; sonuçta, IB akımı oluşur. Boşlukların çoğu
ise dar base tabakasına çekilerek negatif yüklü kollektör-bağlantıya gider ve
burada güç kaynağından gelen elektronlarla birleşir; sonuçta, IC kollektör
akımı oluşur.
Kollektör akımın büyüklüğü, emitterdeki akım-taşıyıcı
boşlukların sayısına bağlıdır. Bu sayı, giriş base akımı tarafından çıkarılan
elektronların bir sabitle çarpımı kadardır. Bu nedenle, base akımı iki-kata
çıkarılırsa, kollektör akımı da iki kat yükselir. Bu bağıntı bir bipolar
transistörün akım yükseltme mekanizmasının temelini oluşturur.
Alan Etki
Transistörleri (FET)
İntegre devrelerde çok kullanılan birkaç tip alan-etki transistorü
(FET) geliştirilmiştir. Bunlardan birisi amplifikatörlerin giriş direncini
yükseltmek amacıyla yapılmış olan izole-girişli alan etki transistörüdür ve
giriş impedansları 109-1014 aralığında bulunur. Bu tip
bir transistör, "metal oxide semiconductor field-effect transistör "
kelimelerin baş harfleri alınarak MOSFET sözcüğüyle tanımlanır.
Şekilde n-doplu bir FET’in yapısı gösterilmiştir. Burada bir
p-tip madde içinde iki izole n bölgesi oluşturulmuştur. Her iki bölge ince bir
izole edici silikon dioksit tabakasıyla kaplanmış, bu tabaka da koruyucu bir
silikon nitrür tabakasıyla sarılmıştır. Bu tabakalar arasında boşluklar
oluşturularak iki n-bölgesine elektrik teması yapılmıştır. Ayrıca madde ile
izole tabakası yüzeyinin teması da sağlanmıştır. İkinciye "kapı"
denir, çünkü bu elektrotun potansiyeli "atık" ile "kaynak"
arasındaki pozitif akımın büyüklüğünü saptar. Kapı teli ve madde arasındaki
silikon dioksit izolasyon tabakası, bir FET’in yüksek impedansının nedenini
açıklar.