MALZEMELERİN ELEKTRİK ve ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ
advertisement
MALZEMELERİN ELEKTRİK ve ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ Elektrik ışığı ilk kez halka tanıtıldığında insanlar gaz lambasına o kadar alışkındı ki, Edison Company talimat ve güvenceleri içeren levhalar koymak zorunda kalmıştı YALITKAN/İLETKEN MALZEMELER MALZEMELERİN ELEKTRİK ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ MALZEMELERİN ELEKTRİK ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ MALZEMELERİN ELEKTRİK ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ MALZEMELERİN ELEKTRİK / ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ METALERİN ELEKTRİK İLETKENLİĞİ MODELİ _ r Şekil 4.1. Bakır, gümüş veya sodyum gibi tek değerlikli metalin bir düzlemindeki atom diziliminin şematik gösterilişi. a) Bir elektron bulutu şeklindeki değerlik elektronları b) Birim yükte serbest elektronlar. _ r Şekil 4.2. A kesit alanında bir metal tel numuneye uygulanan ΔV potansiyel farkı. Şekil 4.3. Bazı metallerin elektrik direnci üzerinde sıcaklığın etkisi. Özdirenç ile sıcaklık arasında daima yaklaşık bir doğrusal bağıntı bulunmaktadır. METALERİN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ Şekil 4.4. (a) Tek bir Na atomundaki enerji düzeyleri. (b) Na atomunda elektronların dizilimi. Dıştaki 3s1 değerlik elektronu gevşek bağlıdır ve metalik bağ içinde serbestçe hareket eder. Şekil 4.4.(a) Tek bir Na atomundaki enerji düzeyleri. (b) Na atomunda elektronların dizilimi. Dıştaki 3s1 değerlik elektronu gevşek bağlıdır ve metalik bağ içinde serbestçe hareket eder. METALERİN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ Şekil 4.5.(a) Bir Na metal parçasında belirli bir yere ait olmayan değerlik elektronları. (b) Bir Na metal parçasındaki elektronların enerji düzeyleri. Dikkat edilecek olursa, 3s düzeyi genişleyerek bir enerji kuşağı oluşturmuştur ve atomlar arası bağ, münferit Na atomuna göre enerji düzeyinde bir düşme meydana getirdiğinden 3s kuşağı 2p düzeyine daha yakındır. KUVVETLİ İONİK BAĞLARI KUVVETLİ KOVALENT BAĞLARI KUVVETLİ KOVALENT BAĞLARI ORTA KUVVETTEKİ METALİK BAĞLAR MALZEMELERİN ELEKTRİK / ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ Bir katıya bir elektriksel alan uygulanırsa, serbest elektronlar hızlanırlar. Bunlar kafes atomlarıyla çarpışarak kinetik enerjilerini azaltır veya kaybederler. Meydana gelen akım, uygulanan elektriksel alanın şiddeti ve çarpışma frekansı ile belirlenen ortalama elektron hızı ile orantılıdır. Sadece enerjileri FERMİ yüzeyine yakın olan elektronlar hızlanırlar. Diğer elektronlar dolu düzeylerle çevrilidir ve hızlanmaları (düzey değişmesi) PAULİ İLKESİNE göre olanaksızdır. MALZEMELERİN ELEKTRİK / ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ Eğer valans bandı dolu ise ve boş bantlarla üst üste gelmemişse, yalıtkan ve yarı iletkenlerde olduğu gibi yakın boş düzeylerin yokluğu iletkenliği çok sınırlar. Kristallerde elektronlar; fononlar, dislokasyonlar, boşluklar, yabancı katkı atomları ve herhangi başka kafes kusurlarıyla çarpışırlar. Eriyen atom, yabancı katkılar ve kusurlardan dolayı meydana gelen dirence kalıcı direnç denir ve genellikle sıcaklıktan bağımsızdır. Toplam direnç, kalıcı direnç ile ısıl iletkenlerin doğurduğu direncin toplamına eşittir. OHM YASASI V i R Burada; i= elektrik akımını, A (amper) V= gerilim farkını, V (volt) R= telin direncini, (ohm) ifade etmektedir. ZAYIF VAN der WAALS BAĞLARI METALLERİN ELEKTRİK ÖZDİRENCİ 2 A m ρR Ω ohm metre Ω.m l m ELEKTRİK İLETKENLİĞİ 1 σ ρ birimi (ohm-metre)-1=(.m)-1’ dir. SI birimiyle ohm’ un tersi siemens’ YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ KAŞIKÇI ELMASI 1699 yılında İstanbul'da Eğrikapı çöplüğünde dolaşan gariban bir adam, yuvarlak taş bulur.Adam kaşıkçıya giderek üç tahta kaşığa değişir. Kaşıkçı götürür, bu taşı bir kuyumcuya 10 akçaya satar. Kuyumcu, taşı arkadaşlarından birine gösterir; kıymetli bir elmas olduğu anlaşılınca arkadaşı sus payı ister. Aralarında kavga çıkar. Mesele Kuyumcubaşıya akseder. Kuyumcubaşı kavgacıların eline birer kese akçe vererek taşı alır. Fakat bu sefer de olayı sadrazam Köprülüzade Fazıl Ahmet Paşa duyar, taşı kendisi için satın almaya hazırlanırken, mesele Padişaha akseder. IV. Mehmet bir Hattı Hümayun ile elması Sarayı Hümayun’a getirtir. Eğrikapı çöplüğünde bulunan taş işlenince meydana 48 karatlık nadide bir elmas çıkar. Kuyumcubaşıya, kapıcıbaşılık rütbesiyle bir kese bahşiş ihsan olunur. YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ Şekil 4.6. Bir yalıtkanın enerji kuşağı çizgisi. Değerlik kuşağı tamamen doludur ve boş bir iletim kuşağından geniş bir Ea enerji aralığıyla ayrılmıştır. Şekil 4.7. Elmas kristalinin kübik yapısı. Bu yapıda atomlar birbirine sp3 ortaklaşım bağıyla bağlıdır. Elmas (karbon), silisyum, germanyum ve gri kalay (çok yapılı olarak ºC’nin altında kararlı olan kalay) bu yapıya sahiptirler. Birim hücrede 8 atom bulunmaktadır. YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ YALITKANLARIN ENERJİ KUŞAĞI MODELİ YALITKAN MALZEMELER YALITKAN MALZEMELER YALITKAN/İLETKEN MALZEMELER YARI ĠLETKENLER İLETKEN-YARIİLETKEN-YALITKAN ENERJİ DÜZEYİ KARŞILAŞTIRMASI Şekil 4.8. Silisyum ve germanyum kafesinin elmas kübik yapısının artı iyon çekirdekleri ve değerlik elektronlarının iki boyutta gösterilişi. Elektron A’daki kuşakta uyarılınca B noktasına geçmektedir. Şekil 4.9. Basitleştirilmiş bir band modeli PERİYODİK TABLO VE YARI İLETKENLER İLİŞKİSİ 1a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a H 1 He 2 Be 4 B 5 C 6 N 7 O 8 Na Mg 11 12 Al 13 Si 14 P 15 Li 3 0 F 9 Ne 10 S 16 Cl 17 Ar 18 K 19 Ca 20 Sc 21 Ti 22 V 23 Cr 24 Mn 25 Fe 26 Co 27 Ni 28 Cu 29 Zn 30 Ga Ge 31 32 As 33 Se 34 Br 35 Kr 36 R b 37 Sr 38 Y 39 Zr 40 Nb 41 M o 42 Tc 43 Ru 44 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cd 48 In 49 Sn 50 Sb 51 Te 52 I 53 Xe 54 Cs Ba 55 56 Lu 71 Hf 72 Ta 73 W 74 Re 75 Os 76 Ir 77 Pt 78 Au 79 Hg 80 Tl 81 Pb 82 Bi 83 Po 84 At 85 Rn 86 MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları Şekil 4.10. (a) Beş değerlikli bir P katkı atomunun (P5+) dört değerlikli bir Si (Si4+) kafesine katılması, P atomuyla zayıfça bağlı beşinci bir elektronun ortaya çıkmasına neden olur. Sadece küçük bir miktar enerji (0,044 eV) bu elektronu hareketli ve iletken hale getirir. (b) Bir elektrik alanı uygulanması halinde bu fazla elektron iletken olur ve elektrik devresinin artı ucuna doğru çekilir. Fazla elektronunu kaybeden P atomu iyonlaşır +1 yüküne sahip olur Şekil 4.11. n-türü bir katkılı yarıiletkenin enerji kuşağı görüntüsü. Silisyum kafesi içindeki (Şekil 4.10a) P, As ve Sb gibi VA grubu elementlerinin fazla elektronlarının verici düzeyini göstermektedir. Verici enerji düzeyindeki elektronlar uyarılarak iletim kuşağına geçebilmek için sadece az bir miktarda enerjiye ihtiyaç duyarlar. Şekil 4.12. Silisyumdaki çeşitli katkılar için iyonlaşma enerjileri (eV. cinsinden). Şekil 4.13. (a) Üç değerlikli bor (B3+) katkı atomunun dört değerlikli bir kafese konulması (Si4+), elektronlardan birisi eksik olduğundan B-Si bağlarında bir delik oluşacaktır. (b) Uygulanan bir elektrik alanı altında sadece 0,045 eV kadar küçük bir enerji ayndaki bir Si’den bir elektronun bu deliği doldurmasına yeterli olacak, -1 yüklü bir B iyonu meydana getirecektir. YARI ĠLETKEN DEVRE ELEMANLARI pn EKLEMLĠ DĠYOTLAR Şekil 4.14. (a) Bir tek Kristal çubuk halinde büyütülen pn eklem diyotu. (b) p-türü katkının n-türü yarıiletken kristale seçmeli yayındırılmasıyla elde edilen düzlemsel pn eklemi. Şekil 4.15.(a) Çoğunluk taşıyıcılarının (p-türü malzemede delikler, ntürü malzemede elektronlar) ekleme doğru yayındıklarını gösteren bir pn eklem diyotu. (b) Çoğunluk taşıyıcılarının birleşerek yokolmaları sonucu pn eklemi ve civarında bir fakirleşme bölgesinin oluşumu. Bu bölgede, sadece iyonlar kristal yapısındaki yerlerinde bulunmaktadır. Şekil 4.16. Ters kutuplanmalı pn eklem diyotu. Çoğunluk taşıyıcıları eklemden uzağa çekilince eklemin dengedeki durumundan daha geniş bir fakirleşme bölgesi meydana gelir. Çoğunluk taşıyıcılarının yarattığı elektrik akımı sıfıra yaklaşır Şekil 4.17.(a) ve (b)’de eğilimsiz ve düşük eğilimli yarıiletken aygıtın bant şeması. (c) Yalnız engelin heriki tarafındaki boş ve dolu düzeylerin enerjileri eşit olunca tünelleme akımı büyük olur. KATKILI YARI ĠLETKENLER n-tipi yarı iletken p-tipi yarı iletken Ge-Si yarı iletkeni KATKISIZ YARI ĠLETKENLER Si Al Si P 13 14 15 Ga Ge As 31 32 33 n-TÜRÜ (-) KATKILI YARI ĠLETKENLER Si-As yarı-iletken Al Si 13 14 P 15 Ga Ge As 31 32 33 p-TÜRÜ ( + ) KATKILI YARI ĠLETKENLER Si-Ga yari-iletken Al 13 Ga 31 Si 14 Ge 32 P 15 As 33 n-p tipi yarı iletkenler n-p n-p n-p n-p n-p-yarı-iletken YARI-ILETKEN-DIYOT YARI-ILETKEN-DIYOT YARI-ILETKEN-DIYOT YARI İLETKEN DEVRE ELEMANLARI * * * * * * * SICAKLIK ÖLÇME ELEMANLARI YANGIN ALARM CĠHAZLARI (TERMĠSTÖR) IġIK ġĠDDETĠNĠ ÖLÇME ELEMANLARI UZAKTAN KUMANDA ELEMANLARI IġIK YAYICI DĠYOLAR (GaAs – GaP) CHIPLER DOĞRULTUCU DĠYOTLAR TRANSĠSTÖRLER n-p-n p-n-p kristalleri TRANSISTOR (p-n-p Tipi) FOTOSELLER ve FOTOĠLETKENLER FOTOSELLER Bir cam kürenin iç yüzünü belli bir kısmı açık kalacak şekilde alkali metal (potasyum,lityum vb.) ile kaplanır. Cam kürenin alt tarafında bulunan uc katot olarak adlandırılır. Çünkü üst tarafta bağlanan pilin eksi kutbunu cam küreye bağlanır ve bu kısım anot ucu olur. FOTOSELLER Alkali metaller yüksek enerjili beyaz ışık alınca (örneğin güneş ışığı) elektronları kopar ve anot ucuna çekilirler, yani fotosel işlevi görür. Güneş ışığı gelince devre tamamlanmış olur ve çalışır. Bu devreyi örneğin odamızın penceresine koyabiliriz. FOTOSELLER Sabahleyin güneş doğduğunda bir motor yardımı ile perdemiz açılabilir. Tam tersi güneşten rahatsız olmamak için otomatik olarak güneş gelince perdemiz kapanmış olur. Veya güneş doğar doğmaz bizi uyandırabilir. Bu sistemin normal fotoselden bir avantajı var. Normal fotosel herhangi bir ışık kaynağı ile çalışabilir mesela el feneri, araba farı, sokak lambası gibi. Fakat bu sistem sadece yüksek enerjili beyaz ışıkta çalışacağı için yanlış zamanda devreyi çalıştırmaz. Sadece güneş doğunca çalıştırır. FOTOSELLER FOTOSELLER FOTOSELLER FOTOĠLETKENLER FOTOĠLETKENLER Normalde zayıf bir iletken iken, ıĢığa maruz kaldıklarında iyi bir iletkene dönüĢen maddelere FOTOĠLETKEN adı verilir. Gri selenyum fotoiletken bir malzemedir ve bu özelliğinden dolayı fotokopi makinalarında kullanılır. Fotokopi makinalarının içerisinde üzeri selenyumla kaplı bir plaka bulunur. Kopyalama iĢlemi sırasında bu plaka elektrostatik olarak yüklü hale gelir ve sonra kopya edilecek sayfa üzerinden bir ıĢık Ģeridi geçer. Kopyalanacak sayfanın beyaz ve siyah kısımları plakaya çarptığında, plakada ıĢık alan kısımlar selenyumdan dolayı iletken hale gelir ve siyah bölgeler yüklü hale gelir. Böylece plakadaki yüklü bölgelerde, kopya edilecek kağıdın elektrostatik olarak görüntüsü çıkar. Ardından toner adı verilen bir toz bu yüklü bölgelere tarafından çekilir ve çekilen görüntü son olarak boĢ bir kağıda aktarılır. MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları YARI ĠLETKENLER MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları Silisyum kristali MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları MĠKRO ELEKTRONĠK UYGULAMA ÖRNEĞĠ: WAFER Çok küçük devre elemanları OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE TERMĠSTÖR 25°C’de negatif hassasiyet: -1.4°C ‘den -5.0°C’ye TERMĠSTÖRLER UYGULAMA ÖRNEĞĠ: TERMOMOTRE 0.1 K hasasiyetle ısı ölçümü yapan termistörler. Hassasiyet; miliderece duyarlılığa sahiptir. TERMĠSTÖR TERMĠSTÖR TERMĠSTÖR TERMĠSTÖR TERMĠSTÖR TERMĠSTÖR TERMĠSTÖR TERMĠSTÖR SENSÖRLER YANGIN SENSÖRLERİ YANGIN SENSÖRLERİ YANGIN SENSÖRLERİ YANGIN SENSÖRLERİ KOROZYON SENSÖRLERİ YAĞMUR SENSÖRLERİ MAGNETĠK SENSÖR
