Yarı iletken, mekanik düzenlemeler etkisiyle iletken özelliği kazanabilen, normal şartlar altında yalıtkan olan maddelerdir.
Dirençler, elektrik veya elektronik devrelerde en temel pasif bileşen ise, o zaman Sinyal Diyotunu en temel aktif bileşen olarak düşünebiliriz.
Bununla birlikte, bir direncin aksine, bir diyot, üstel bir IV ilişkisine sahip olduğu için uygulanan gerilime göre doğrusal davranmaz ve bu nedenle dirençler için yaptığımız gibi Ohm kanunu kullanılarak basitçe tanımlanamaz.
Diyotlar, akımın içlerinden yalnızca bir yönde akmasına izin veren, daha çok tek yönlü bir elektrik valfi gibi davranan (İleri Yönlü Durum) temel tek yönlü yarı iletken cihazlardır. Ancak, sinyal veya güç diyotlarının nasıl çalıştığına bakmadan önce, yarı iletkenlerin temel yapısını ve konseptini anlamamız gerekir.
Diyotlar, bir ucunda pozitif “P-bölgesi” ve diğer ucunda negatif bir “N-bölgesi” olan ve bir iletken ile yalıtkan arasında bir özdirenç değerine sahip olan tek parça yarı iletken malzemeden yapılır. Ancak “Yarı İletken” malzeme konusuna girmeden önce iletken ve yalıtkan maddeleri incelememiz gerekir.
Hatırlatma
Bir çok kaynakta ve internet yazılarında, silisyum yerine silikon yazıldığını görebilirsiniz. Bu durum tamamen çeviri hatasıdır. İngilizce olarak kullanılan “Silicon” elementi yanlış bir çeviriden kaynaklı bir çok kaynakta silikon olarak geçmekte, fakat bu elementin Türkçe karşılığı “Silisyum”dur. Buna bir örnek verirsek, “Silikon Vadisi” olarak bildiğimiz konum doğru bir çeviri ile aslında “Silisyum Vadisi”dir. Yarı iletkenler ve silisyum bağlantısını kavradıktan sonra bu konuma verilen ismin ne kadar anlamlı olduğunun farkına varabilirsiniz.
Bir elektrikli veya elektronik bileşen veya cihazın elektrik akımına direnmesine özdirenç denir. Ohm Yasası prensiplerini temel alarak, üzerindeki voltaj farkının, içinden geçen akıma oranı olarak tanımlanır. Direnci bir ölçüm olarak kullanmanın asıl sorunu, ölçülmekte olan malzemenin fiziksel boyutuna ve yapıldığı malzemeye çok bağlı olmasıdır. Örneğin malzemenin boyunu arttırsak (daha uzun yaparak) direnci de orantılı olarak artacaktır.
Aynı şekilde çapını veya boyutunu arttırsak (kalınlaştırarak) direnç değeri düşecektir. Bu nedenle, malzemeyi, boyutu veya şekli ne olursa olsun, içinden elektrik akımı akışını iletme veya buna karşı koyma yeteneğini gösterecek şekilde tanımlayabilmek hesaplamalarda işimizi oldukça kolaylaştıracaktır.
Bu özel direnci belirtmek için kullanılan niceliğe özdirenç denir ve Yunanca ρ , ( Rho ) sembolü verilir. Özdirenç Ohm-metre cinsinden ölçülür, ( Ω.m ). Özdirenç, iletkenliğin tersidir.
Çeşitli malzemelerin özdirençleri karşılaştırıldığında, aşağıda gösterildiği gibi İletkenler, Yalıtkanlar ve Yarı İletkenler olmak üzere üç ana gruba ayrılabilirler.
Yukarıdaki grafikten dolayı biliyoruz ki İletkenler, genellikle metre başına mikro ohmda çok düşük özdirenç değerlerine sahip malzemelerdir. Bu düşük değer, temel atom yapıları içinde yüzen bol miktarda serbest elektron bulunduğundan, bir elektrik akımını kolayca geçirmelerini sağlar. Ancak bu elektronlar, yalnızca hareketlerini teşvik edecek bir şey varsa ve bu bir şey elektrik voltajıysa bir iletkenden akacaktır.
Malzemeye pozitif bir voltaj potansiyeli uygulandığında, bu “serbest elektronlar” ana atomlarını terk eder ve daha yaygın olarak akım olarak bilinen bir elektron kayması oluşturan malzeme boyunca birlikte hareket eder. Bu elektronların bir iletken içinde ne kadar “serbestçe” hareket edebildikleri, bir voltaj uygulandığında kendilerini oluşturan atomlardan ne kadar kolay kopabileceklerine bağlıdır. Daha sonra akan elektron miktarı, iletkenin sahip olduğu direnç miktarına bağlıdır.
İyi iletken örnekleri genellikle Bakır, Alüminyum, Gümüş gibi metaller veya Karbon gibi metal olmayan maddelerdir, çünkü bu malzemelerin dış “Valans Kabuğu”nda veya halkasında çok az elektron bulunur ve bu da atomun yörüngesinden kolayca atılmalarına neden olur.
Bu, diğer atomlarla birleşene kadar malzemenin içinden serbestçe akmalarına, malzeme boyunca bir “Domino Etkisi” üretmelerine ve böylece bir elektrik akımı oluşturmalarına olanak tanır. Bakır ve Alüminyum gösterildiği gibi elektrik kablolarında kullanılan ana iletkendir.
Genel olarak konuşursak, metallerin çoğu, genellikle mikro-ohm/metre (μΩ.m) bölgesinde çok küçük direnç değerlerine sahip oldukları için iyi elektrik iletkenleridir.
Bakır ve alüminyum gibi metaller elektriği çok iyi iletirler, ancak yine de elektron akışına karşı bir miktar dirençleri vardır ve sonuç olarak mükemmel iletmezler.
Elektrik akımının geçmesi sırasında kaybolan enerji ısı şeklinde ortaya çıkar, bu nedenle iletkenler ve özellikle dirençler ortam sıcaklığı ile iletkenlerin direnci arttıkça ısınır.
Yalıtkanlar ise iletkenlerin tam tersidir. Dış değerlik kabuğundaki elektronlar, pozitif yüklü iç çekirdek tarafından güçlü bir şekilde çekildikleri için, temel atom yapıları içinde yüzen çok az “serbest elektron” bulunan veya hiç olmayan, genellikle metal olmayan malzemelerden yapılırlar.
Başka bir deyişle, elektronlar ana atoma yapışır ve serbestçe hareket edemezler, bu nedenle malzemeye potansiyel bir voltaj uygulanırsa, hareket edebilecek “serbest elektronlar” olmadığından hiçbir akım akmaz ve bu da bu malzemelere yalıtım sağlar.
Yalıtkanlar ayrıca çok yüksek dirençlere, metre başına milyonlarca ohm’a sahiptir ve genellikle normal sıcaklık değişikliklerinden etkilenmezler (her ne kadar çok yüksek sıcaklıklarda odun kömür haline gelir ve bir yalıtkandan bir iletkene dönüşürse de). İyi yalıtkanlara örnek olarak mermer, erimiş kuvars, PVC plastikler, kauçuk vb.
Yalıtkanlar elektrik ve elektronik devrelerde çok önemli bir rol oynarlar çünkü onlarsız elektrik devreleri kısa devre yapar ve çalışmaz. Örneğin, cam veya porselenden yapılmış yalıtkanlar havai iletim kablolarını yalıtmak ve desteklemek için kullanılırken, epoksi-cam reçine malzemeleri baskılı devre kartları, PCB’ler vb. yapmak için kullanılırken, PVC elektrik kablolarını yalıtmak için gösterildiği gibi kullanılır.
Silisyum (Si), germanyum (Ge) ve galyum arsenit (GaAs) gibi yarı iletken malzemeler, ortada bir yerde, “iletken” ve “yalıtkan” arasında elektriksel özelliklere sahiptir. İyi iletken veya iyi yalıtkan değildirler (dolayısıyla “yarı” iletkenler olarak adlandırılırlar). Çok az sayıda “serbest elektronları” vardır, çünkü atomları “kristal kafes” adı verilen kristal bir modelde birbirine yakın bir şekilde gruplanmıştır, özel koşullar altında elektronları akabilir.
Yarı iletkenlerin elektriği iletme yeteneği, bu kristal yapıya belirli donör veya alıcı atomların eklenmesi veya değiştirilmesiyle büyük ölçüde geliştirilebilir, böylece deliklerden daha fazla serbest elektron üretilebilir veya bunun tersi de yapılabilir. Bu, temel malzemeye silisyum veya germanyum gibi başka bir elementin küçük bir yüzdesini eklenerek gerçekleştirilir.
Kendi başlarına silisyum ve germanyum, içsel yarı iletkenler olarak sınıflandırılırlar, yani kimyasal olarak saftırlar ve yarı iletken malzemeden başka hiçbir şey içermezler. Ancak bu içsel yarı iletken malzemeye eklenen safsızlıkların miktarını kontrol ederek iletkenliğini kontrol etmek mümkündür. Sırasıyla serbest elektronlar veya delikler üretmek için bu içsel malzemeye verici veya alıcı adı verilen çeşitli safsızlıklar eklenebilir.
Yarı iletken atomlara (yarı iletkenin 10 milyon (veya daha fazla) atomu başına 1 safsızlık atomu mertebesi) donör veya alıcı atom ekleme işlemine Doping denir. Katkılı silisyum artık saf olmadığı için, bu donör ve alıcı atomlar topluca “safsızlıklar” olarak adlandırılır ve bu silisyum malzemeye yeterli sayıda safsızlık katarak onu N tipi veya P tipine dönüştürebiliriz.
Açık ara en yaygın kullanılan yarı iletken temel malzeme silisyumdur. Silisyumun en dış kabuğunda, sekiz elektronlu tam yörünge oluşturmak için komşu silisyum atomlarıyla paylaştığı dört değerlik elektronu vardır. İki silisyum atomu arasındaki bağın yapısı, her atomun komşusu ile bir elektronu paylaşacağı ve bağı çok kararlı hale getirecek şekildedir.
Silisyum kristali etrafında hareket edebilecek çok az sayıda serbest elektron bulunduğundan, saf silisyum (veya germanyum) kristalleri bu nedenle iyi yalıtkanlardır veya en azından çok yüksek değerli dirençlerdir.
Silisyum atomları, onları kristal katı bir yapı yapan belirli bir simetrik düzende düzenlenir. Bir saf silika kristalinin (silisyum dioksit veya cam) genellikle içsel bir kristal olduğu (safsızlıkları yoktur) söylenir ve bu nedenle serbest elektronları yoktur.
Ancak bir silisyum kristalini bir güç kaynağına bağlamak, ondan bir elektrik akımı çıkarmak için yeterli değildir. Bunu yapmak için silisyum içinde elektronların ve dolayısıyla elektrik akımının silisyumdan akmasına izin veren bir “pozitif” ve bir “negatif” kutup oluşturmamız gerekir. Bu kutuplar, silisyumun belirli safsızlıklar ile katkılanmasıyla oluşturulur.
Yukarıdaki görsel, ‘normal’ bir saf silisyum kristalinin yapısını ve kafesini göstermektedir.
Silisyum kristalimizin elektriği iletebilmesi için, kristal yapıya Arsenik, Antimon veya Fosfor gibi bir safsızlık atomu sokmamız ve onu dışsal hale getirmemiz gerekir (safsızlıklar eklenir). Bu atomların en dış yörüngelerinde komşu atomlarla paylaşmak üzere beş dış elektronu vardır ve bunlar genellikle “Beş değerli” safsızlıklar olarak adlandırılır.
Bu, beş yörünge elektronundan dördünün komşu silisyum atomlarıyla bağlanmasına izin verir ve bir elektrik voltajı uygulandığında (elektron akışı) bir “serbest elektronu” hareketli hale getirir. Her bir safsızlık atomu bir elektron “bağışta bulunduğundan”, beş değerlikli atomlar genellikle “verici” olarak bilinir.
Antimon (sembol Sb) ve ayrıca Fosfor (sembol P), silisyuma beş değerli katkı maddesi olarak sıklıkla kullanılır. Antimon, en dıştaki yörüngede beş elektron bulunan, çekirdeğinin etrafında beş kabuk halinde düzenlenmiş 51 elektrona sahiptir. Ortaya çıkan yarı iletken temel malzeme, her biri negatif yüke sahip aşırı akım taşıyan elektronlara sahiptir ve bu nedenle elektronları “Çoğunluk Taşıyıcılar/Majority Carriers” olarak adlandırılan N-tipi malzeme olarak adlandırılırken, ortaya çıkan delikler “Azınlık Taşıyıcılar/Minority Carriers” olarak adlandırılır.
Harici bir güç kaynağı tarafından uyarıldığında, bu uyarı ile silisyum atomlarından serbest kalan elektronlar, katkılı Antimon atomlarından elde edilebilen serbest elektronlarla hızla değiştirilir. Ancak bu hareket yine de katkılı kristalin etrafında yüzen fazladan bir elektronu (serbest kalan elektron) bırakarak onu negatif yüklü hale getirir.
Daha sonra bir yarı iletken malzeme, donör yoğunluğu alıcı yoğunluğundan daha büyük olduğunda, diğer bir deyişle deliklerden daha fazla elektrona sahip olduğunda ve böylece gösterildiği gibi negatif bir kutup oluşturduğunda N-tipi olarak sınıflandırılır.
Yukarıdaki görsel, donör/verici saf olmayan Antimon atomunun yapısını ve kafesini göstermektedir.
Diğer yoldan gidersek ve en dış yörüngelerinde yalnızca üç değerlik elektronu bulunan Alüminyum, Bor veya İndiyum gibi kristal yapıya “Üç Değerli” (3-elektron) bir safsızlık eklersek, dördüncü kapalı bağ olamaz. Bu nedenle, yarı iletken malzemeye, elektronların etkin bir şekilde eksik olduğu kristalin yapısında delikler olarak bilinen pozitif yüklü taşıyıcıların bolluğunu veren tam bir bağlantı mümkün değildir.
Artık silisyum kristalinde bir delik olduğu için, komşu bir elektron ona çekilir ve onu doldurmak için deliğe girmeye çalışır. Ancak deliği dolduran elektron, hareket ettikçe arkasında başka bir delik bırakır. Bu, sırayla, arkasında başka bir delik oluşturan başka bir elektronu çeker ve bu, deliklerin kristal yapı boyunca pozitif bir yük olarak hareket ettiği (geleneksel akım akışı) görünümünü verir.
Deliklerin bu hareketi silisyumda elektron eksikliğine neden olur ve tüm katkılı kristali pozitif bir kutba dönüştürür. Her safsızlık atomu bir delik oluşturduğundan, üç değerlikli safsızlıklar , sürekli olarak fazla veya serbest elektronları “kabul ettikleri ” için genellikle ” Alıcı ” olarak bilinir .
Bor (sembol B), çekirdeğinin etrafında üç kabuk halinde düzenlenmiş yalnızca beş elektrona ve en dıştaki yörüngede yalnızca üç elektrona sahip olduğundan, yaygın olarak üç değerlikli bir katkı maddesi olarak kullanılır. Bor atomlarının dopingi, iletimin esas olarak pozitif yük taşıyıcılarından oluşmasına neden olur ve pozitif deliklere “Çoğunluk Taşıyıcılar”, serbest elektronlara ise “Azınlık Taşıyıcılar” adı verilen P-tipi bir malzeme elde edilir.
Daha sonra bir yarı iletken temel malzeme, alıcı yoğunluğu donör yoğunluğundan büyük olduğunda P-tipi olarak sınıflandırılır. Bu nedenle, bir P tipi yarı iletken elektronlardan daha fazla deliğe sahiptir.
Yukarıdaki görsel, alıcı saf olmayan Bor atomunun yapısını ve kafesini göstermektedir.
Bunlar, Pentavalent safsızlık atomları (Donörler) eklenmiş ve “elektron” hareketi ile iletilen malzemelerdir ve bu nedenle N-tipi Yarı İletkenler olarak adlandırılırlar .
N tipi yarı iletkenlerde şunlar vardır:
Bunlar, Üç Değerli safsızlık atomları (Aseptörler) eklenmiş ve “delik” hareketi ile hareket eden malzemelerdir ve bu nedenle P-tipi Yarı İletkenler olarak adlandırılır .
Bu tür malzemelerde:
ve hem P hem de N-tipleri bir bütün olarak kendi başlarına elektriksel olarak nötrdür.
Antimon (Sb) ve Bor (B), diğer malzeme türlerine göre daha kolay erişilebilir oldukları için en yaygın kullanılan doping ajanlarından ikisidir. Ayrıca “metaloidler” olarak sınıflandırılırlar. Bununla birlikte, periyodik tablo, en dıştaki yörünge kabuğunda üç veya beş elektronlu bir dizi başka farklı kimyasal elementi bir araya getirerek onları bir doping malzemesi olarak uygun hale getirir.
Bu diğer kimyasal elementler, elektronik yarı iletken bileşenler, mikroişlemci ve güneş pili uygulamalarında kullanılmak üzere farklı tipte temel yarı iletken malzemeler üretmek için Silikon (Si) veya Germanyum (Ge) temel malzemesine katkı maddeleri olarak da kullanılabilir. Bu ek yarı iletken malzemeler aşağıda verilmiştir.
| Element Grubu 13 | Element Grubu 14 | Element Grubu 15 |
| Dış Katmanda 3 Elektron (Pozitif Yüklü) | Dış Katmanda 4 Elektron (Nötr Yüklü) | Dış Katmanda 5 Elektron (Negatif Yüklü) |
| (5)Bor (B) | (6)Karbon (C) | |
| (13)Alüminyum (Al) | (14)Silisyum (Si) | (15)Fosfor ( P ) |
| (31)Galyum (Ga) | (32)Germanyum ( Ge ) | (33)Arsenik ( As ) |
| (51)Antimon ( Sb ) |
Yarı iletkenler ve diyotlarla ilgili bir sonraki içerikte, diyot üretmek için kullanılabilecek bir PN Bağlantısı oluşturmak için iki yarı iletken temel malzemesini, P-tipi ve N-tipi malzemeleri birleştirmeye bakacağız.
