n - SABİS
advertisement
Yarı iletkenler • Yarıiletkenler saf (has) yarı iletkenler (Intrinsic) ve • Katkılı yarı iletkenler (Extrinsic) olmak üzere iki gruba ayrılır. Katkılı Yarıiletkenler: 1) Negatif N - tipi katkılı Yarı-İletken 2) Pozitif P - tipi katkılı Yarı-İletken Saf yarı iletkenlik saf malzemelerin özelliklerinden kaynaklanan elektriksel iletkenliktir. Saf yarı iletkenlere katılan bazı yabancı atomlar iletkenliği çok arttırabilirler, bu tür yarı iletkenlerde katkılı yarıiletkenler denir. Yarıiletken madde elektrik iletkenliği bakımından iletken ile yalıtkan arasında kalan maddelerdir. Normal durumda yalıtkan olan bu maddeler ısı, ışık, manyetik etki veya elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında bir miktar değerlik elektronlarını serbest hale geçirerek iletken duruma gelirler. Uygulanan bu dış etki veya etkiler ortadan kaldırıldığında ise yalıtkan duruma geri dönerler. Bu özellik elektronik alanında yoğun olarak kullanılmalarını sağlamıştır. Yarı iletkenlerin değerlik yörüngelerinde dört elektron bulunur. Bu yüzden yarı iletkenler iletkenlerle yalıtkanlar arasında yer almaktadır. Elektronik elemanlarda en yaygın olarak kullanılan yarı iletkenler Ge ve Si elementleridir. Periyodik cetvelde grup 3 elementleri ile grup 5 elementleri, benzer şekilde grup 2 ile grup 6 elementleri arasında oluşturulan kovalent bağlı bileşiklerde aynı elektron yapısına ve aynı kristal kafes yapısına sahiptirler, dolayısıyla bunlara has (saf) yarı iletkenler denir. Ayrıca has yarı iletkenlere katılacak katkı elementlerinin türlerine göre ek elektriksel yük taşıyıcı oluştururlar. Bunlara katkılı yarı iletkenler denir. Saf (has) Yarıiletkenler Uygulamada en çok kullanılan yarı iletkenler periyodik cetvelin IV. grup elementlerinden saf Si ve Ge’dur. Bunlar kovalent bağlı olup, kompleks kübik kristallere sahiptirler ve birim hücrelerinde 8 atom bulunur. Bu elementlere yeterli elektriksel alan uygulandığı zaman bir miktar valans elektronu enerji boşluğunu (Ev) atlayarak boş iletim bandına geçer. Dolu band dan boş banda geçen elektron, ilk bandta bir boş enerji düzeyi bırakır ve yapıdaki kovalent bağlardan birinde bir elektron eksilir. Daha düşük enerji düzeyindeki bir elektron az bir enerji ile bu boş düzeye yükselerek hareket edebilir. Yapıdaki elektron boşluğu eksi taraftan gelen başka bir elektronla doldurulur, böylece boşluk artıdan eksiye doğru hareket ederek artı yük taşıyıcı olur. Saf yarı iletkenlerde her iletim bandına atlayan bir elektron geriye bir elektron boşluğu bıraktığından eksi yük taşıyıcı sayısı “nn” , artı yük taşıyıcı sayısına “np”ye eşittir. Has yarıiletkenlerde Ea enerji aralığı küçük olduğundan elektriksel alan veya ısıl enerji etkisinde aktive olan elektronlar enerji aralığını atlayarak boş iletim bandına geçer ve iletim sağlar. Bu özelliğe sahip grup 4 elemanları Si, Ge ve Sn’dır. Bileşik türü has yarı iletkenler de 3 valans elektronlu grup 3 elemanları B, Al, Ge, In ile 5 valans elektronlu grup 5 elemanları P, As ve Sb arasında oluşturulur. Yapı ve iletkenlik yönünden Saf (has) yarı iletkenlere benzerler. Katkısız (saf) yarı iletkenler elektrik iletimleri kendine ait iletim özellikleriyle belirlenen saf yarı iletkenlerdir. Saf silisyum ve germanyum bu tür iletkenlerdir. IVA grubunda bulunan bu elementler yüksek yönlenmişlikteki ortaklaşım bağlarıyla kübik elmas yapısındadır. Bu yapıda her bir silisyum ve germanyum atomu dört değerlik elektronunu verir. Katıksız yarı iletkenlerde, değerlik ve iletim kuşakları arasında 0.7 ile 1.1 eV arasında değişen, nispeten küçük bir enerji aralığı bulunur. Katıksız yarı iletkenler katışkı atomlarıyla katkılanarak katkılı yarı iletkenler haline getirildiklerinde elektrik iletimini sağlamak için gerekli enerji büyük çapta azalır. 7 Katkısız, has, saf yarıiletkenler 8 Yarı iletkenlerin başlıca özellikleri: . İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar, . Normal halde yalıtkandırlar. . Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır. . Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına dönerler. . Tabiatta basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman halinde de elde edilir. . Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. . Bu tür yarı iletkenler, ısı, ışık etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli oranda iletken hale geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleri arttırılmaktadır. . Katkı maddeleriyle iletkenlikleri arttırılan yarı iletkenlerin elektronikte ayrı bir yeri vardır. 9 Tüm yarı iletken elementler son yörüngelerindeki elektron sayısını sekize çıkarma çabasındadırlar. Bu nedenle saf bir Ge elementinde komşu atomlar son yörüngelerindeki elektronları kovalent bağ ile birleştirerek ortak kullanırlar. Atomlar arasındaki bu kovalent bağ Ge elementine kristal özelliğini kazandırır. Si’da özellik olarak Ge ile hemen hemen aynıdır. Yarı iletkenler Ge, Si, Selenyum gibi elementler olabildiği gibi bakır oksit, galyum arsenid, indiyum fosfür, kurşun sülfür gibi bileşikler de olabilir. Yarı iletkene voltaj uygulandığında e’lar iletim bandına hareket ederken, Elektron boşlukları zıt yöndeki valans bandına hareket ederler. (a) Mutlak sıfırda, (b) yüksek sıcaklıklarda valans ve iletim bantlarında e ve e boşluklarının dağılımı Has yarı iletkenlere; üçer valans elektronuna sahip B, Al, Ga, In gibi elementlerin ilavesiyle p tipi, beşer valans elektronuna sahip P, As, Sb gibi elementlerin ilavesiyle n tipi katkılı yarı iletkenler elde edilir. Değerlik (valans) bandının yukarı çekildiği yarı iletkenlere p tipi yarı iletken, iletkenlik bandının aşağıya çekildiği yarı iletkenlere ise n tipi yarıiletken denir. Yarıiletkenlerde Toplam iletkenlik; Burada; “µn” eksi yük taşıyıcı elektronların hareket yeteneği, “µp” artı yük taşıyıcı elektronların hareket yeteneğidir. nn=ne iletim bandındaki elektronların sayısı np=nh valans bandındaki boşlukların sayısı Saf yarıiletkenlerde elektronlarla elektron boşlukları çiftler halinde oluştuğu için birbirine eşittir. Gerçekte elektron boşluklarının çok dar bir enerji düzeyinde bulunması hareketi güçleştirir, bu nedenle µp<µn’dir. Örnek: Germanyum için 25oC’de, (a) yük taşıyıcı sayısını, (b) valans banttan iletim bandına hareket eden toplam e oranını, ve (c) n0 sabitini hesaplayınız? saf yarı iletkenlerde n=nn=np’dir. b. Ge’un kafes parametresi 5.6575.10-8 cm.dir. Ge elmas kübik yapıdadır. 2kT=2 (0.025)=0.05eV ise valans bandındaki toplam e sayısı: Problem: Si’un iletkenliği 6 1/ohm.m olursa bunun yüzde kaçı elektronlarla % kaçı elektron boşlukları ile iletilir? µn=0.19 m2/Vs µp= 0.0425m2/Vs Typical Semiconductors Silicon GaAs Diamond Cubic Structure ZnS (Zinc Blende) Structure 4 atoms at (0,0,0)+ FCC translations 4 atoms at (¼,¼,¼)+FCC translations Bonding: covalent 4 Ga atoms at (0,0,0)+ FCC translations 4 As atoms at (¼,¼,¼)+FCC translations Bonding: covalent, partially ionic SICAKLIĞIN YARI İLETKENLİĞE ETKİSİ: Metallerde sıcaklık arttıkça iletkenlik azalır. Metallerde sıcaklık arttıkça atomların titreşimi artar, bu durum iletkenliğin düşmesine neden olur. Yarı iletkenlerde sıcaklık arttıkça iletkenlik artar. Yarı iletkenlerde sıcaklık arttıkça daha fazla elektron iletkenlik bandına geçtiğinden iletkenlik artar. Yalıtkanların iletkenlikleri çok düşüktür. nn .q. n n p .q. p Saf yarı iletkenlerde toplam iletkenlik; n: eksi yük taşıyıcı elektronların hareket yeteneği p: artı “ “ boşlukların “ “ Şekil: Metaller ve yarıiletkenlerde sıcaklıkla iletkenliğin değişimi 21 Katkılı Yarı İletkenler: Katkı maddesi eklenerek oluşturulan iki temel yarı iletkenler N-tipi ve P-tipi yarıiletken malzemelerdir. Elektronik devre elemanlarının üretiminde bu iki madde kullanılır. Si ve Ge’un iletkenliği kontrollü olarak arttırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak arttırmak için saf yarı iletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu işleme ‘doping’ denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya boşluk) sayısının arttırılması malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direncini arttırır. Her iki doping olayı sonucunda N-tipi ve P-tipi yarı iletken malzeme oluşur. N ve P Malzemelerinin Elde Edilişi: P ve N malzemelerinin temelinde monokristal yapıdaki (4A grubundaki Si ve Ge gibi elementler kendi aralarında oldukça kararlı bağ yaparlar. Her atom kararlılığa ulaşmak yani 8A grubu elementlerine benzemek için 4 adet kovalent bağ yapar. Bu sayede düzenli bir bağ sistemi kurulur. Bu yapıya monokristal yapı denir) yarı iletkenler vardır. Bu yarı iletkenlere gerekli tekniklerle başka maddeler katılır ve katılan maddeye göre P ve N tipi madde elde edilir.
