GİRİŞ
Yarıiletkenler, katıhal fiziğinin dikkat çekici konularından yalnızca birisidir. Bu yazıda kısaca yarıiletkenlerin genel özelliklerinden, yarıiletken devre elemanlarından olan diyotun yapısından ve çalışma prensibinden bahsedilecektir.
YARIİLETKENLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ ve FİZİKÇİLER İÇİN ÖNEMİ
Yarıiletkenler, üzerine yapılan mekanik işlemin etkisiyle iletkenlik özelliği kazanabilen; normal şartlar altında yalıtkan olan maddelerdir. Uygulanan mekanik işlem ortadan kaldırıldığında ise yalıtkan duruma geri dönerler. Yarıiletkenlerin sahip olduğu bu özellik, elektronik alanında yoğun olarak kullanılmalarını sağlamıştır.
Yarıiletken malzemenin üzerine bir potansiyel fark uygulanması, bu maddenin ısı dengesinin bozulmasına ve bir termal eşitsizlik durumu ortaya çıkmasına sebep olacaktır. Bu; elektronların ve oyukların, iki kutuplu difüzyon ismi verilen bir etkileşim sayesinde sisteme dahil olmasını sağlar. Yarıiletken maddenin sahip olduğu ısı dengesi bozulduğunda da oyukların ve elektronların sayıları değişir. Isı dengesi, sıcaklık değişimi veya sistemdeki oyuk-elektron sayısını değiştirebilen fotonlar yüzünden bozulabilir. Elektron ve oyukların oluşmasına ve yok olmasına sebep olan bu işlem yük oluşumu ve rekombinasyonu olarak adlandırılır.
Yarıiletken maddelerin değerlik elektronları dolu olduğundan yeni elektronların girişi engellenir ve elektrik akımı oluşması için gereken elektron akışı sağlanamaz. Bu nedenle, yukarıda da bahsedildiği gibi, doğal halleriyle iletkenlikleri kötüdür. Yarıiletkenlerin iletkenler gibi davranmalarını sağlamak için birkaç deneysel yöntem geliştirilmiştir. Bu modifikasyonlar ile n-tipi ve p-tipi olmak üzere iki sonuca ulaşılmıştır. Bunlar sırasıyla elektron fazlalığı ve eksikliği anlamına gelmektedir. Elde edilen bu sonuç ile birlikte gözlenen dengelenmemiş elektron sayısı, malzeme boyunca ilerleyen bir elektrik akımına sebep olmuştur.
Bahsedilen özelliklere ek olarak yarıiletkenler; doğrultucular, transistörler, fotoseller, gerilim düzenleyiciler, parametrik yükselticiler ve anahtarlama aygıtları gibi elektronik aygıtların tüm çeşitlerinin yapımında kullanılabilmektedir.
Şekil 1: P ve N tipi madde ile katkılandırılmış yarıiletken oluşumunun şematik gösterimi.
P-N EKLEM DİYOTUN YAPISI ve ÇALIŞMA PRENSİBİ
Bu kısımda, birçok çeşidi bulunan ve farklı şekillerde üretilebilen yarıiletken devre elemanlarından olan diyotun bir p-tipi ve n-tipi yarıiletkenin bir araya getirilmesiyle ( katkılandırılmasıyla) elde edilen türünden bahsedilecektir.
Bu tür diyotlar, tek bir PN ekleminden oluşan yarıiletken bir devre elemanıdır. Dirençten farklı olarak, diyot lineer olmayan akım-gerilim karakteristiğine sahiptir ve genellikle bir doğrultucu eleman olarak kullanılır. Bazı diyotlar ışık yayabilirken ( ışık yayan diyot-LED), diğerleri lazer ışığı yayabilir ( lazer diyot-LD). İki PN ekleminin uygun kombinasyonu ile elektrik sinyallerini yükselten bir transistör oluşturulabilir.
Şekil 2: P-N Eklemi ve diyotu temsil eden simge.
P-N Ekleminin çalışma prensibine göre yarıiletken diyot, bir beslemede akım geçişine izin verirken diğer beslemede izin vermez. Bu sebepten dolayı akım doğrultulur. P-tipi yarıiletkende yük geçişi anottan katoda doğru iken n-tipi yarıiletkenlerde yük akışı katottan anoda doğrudur. Eğer P tarafa uygulanan potansiyel N tarafa uygulanan potansiyelden daha büyükse devreye uygulanan potansiyel fark pozitif olur. Bu potansiyel fark Va olarak adlandırılsın. Eğer Va pozitif ise diyottan akım geçer ve bu durumda diyot düz beslemededir, negatif ise diyot üzerinden akım geçmez ve diyot ters beslemededir.
EKLEM KIRILMASI
N-tipi ve p-tipi bölge kontak haline getirilerek P-N eklemi oluşturulduğunda kontağın oluşturulduğu yüzey metalürjik eklem olarak adlandırılır. Bir P-N eklemi güçlü bir şekilde ters beslendiğinde metalürjik eklem yakınındaki elektrik alan yüksek değerlere ulaşır. Bu elektrik alan içerisinde hızlandırılan taşıyıcılar, bir çarpışma işleminde çarpışma iyonlaştırması (impact ionization) ile elektron-hol çifti oluşturabilecek kadar kinetik enerjiyi alabilirler. Üretilen taşıyıcılar tekrar hızlandırılabilir ve yine çarpışma iyonlaştırması ile ilave taşıyıcılar üretilebilir. Bu taşıyıcı katlanma etkisi, çığ katlanması olarak adlandırılan bir pozitif geri besleme mekanizmasıdır.
Kırılma meydana geldiğinde, ters beslemeli eklemde ani bir akım artışı gözlenir. Kırılma terimi, devre elemanının bozulduğu anlamına gelmez. Bu kavram sadece ters beslemede çalışan devre elemanı için kullanılır. Bununla birlikte eğer herhangi bir akım sınırlama devresi olmazsa, eklem termal etkilerden dolayı bozulabilir.
Şekil 3: Ters beslemeli bir P-N eklemin kırılma karakteristiği. (BV: Eklem kırılma gerilimi, Va: Uygulanan potansiyel)
Şekil 4: Laboratuvar ortamında kullanılan p-n eklem diyot.
Bu konu ile ilgili olarak; P-N eklem sığası, difüzyon sığası, yük depolama ve anahtarlama süresi ve P-N eklem modelleri gibi kavramlara aşağıda belirtilen ileri okumalardan ulaşılabilir
KAYNAKLAR ve İLERİ OKUMALAR
- Prof. Dr. Şakir Aydoğan, Katıhal Fiziği, Nobel Akademik Yayınları, 2014, s.221.
- J.P. Colinge, C.A. Colinge, Çev.Prof. Dr. S. Tüzmen,S. Tekmen, Yarıiletken Devre Elemanları Fiziği, Nobel Akademik Yayınları, 2011, s.95-120.
- S.M.Sze, Physics of Semiconductor Devices, J. Wiley & Sons Inc.
- David W. Snoke, Solid State Physics, Cambridge University Press.
Zeynep Ece Korkmaz