Elektron
advertisement
Elektronik Devreler Atom ve Yapısı Elektriğin Hikayesi İletkenler Yalıtkanlar Yarı İletkenler Katkılı Malzemeler 2 ATOM Maddenin yapıtaşıdır. Elektronlar ve çekirdekten oluşur. Çekirdek artı yüklüdür Elektronlar negatif yüklüdürler ve çekirdek etrafında belli yörüngelerde dolaşırlar. En dıştaki yörünge ‘valans yörünge’ olarak adlandırılır. Bu yörüngedeki elektrona ‘valans elektron’ ya da ‘serbest elektron’ adı verilir. (çekirdek) Atomların içindeki parçacıklara atom altı parçacıklar adı verilir. Her atomun ortasında bir çekirdek vardır. Çekirdeği ufacık evrenin merkezindeki Güneş olarak düşünmek anlamamıza yardımcı olacaktır. Çekirdek iki atom altı parçacıktan oluşur: Proton ve Nötron. Üçüncü bir parçacık ise çekirdeğin etrafında döner, bu dönen parçacığa elektron denir. Elektronlar en küçük parçacıktır; kütleleri protonun kütlesinin 1/1836 ‘ı kadardır * Bir atomda, çekirdeği saran negatif yüklü bir elektron bulutu vardır. Çekirdek ise pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşur. Atomdaki proton sayısı elektron sayısına eşit olduğunda atom elektriksel olarak yüksüzdür. Elektron ve proton sayıları eşit değilse bu parçacık iyon olarak adlandırılır. İyonlar oldukça kararsız yapılardır ve yüksek enerjilerinden kurtulmak için ortamdaki başka iyon ve atomlarla etkileşime girerler. * Bir atom, sahip olduğu proton ve nötron sayısına göre sınıflandırılır: atomdaki proton sayısı kimyasal elementi tanımlarken, nötron sayısı da bu elementin izotopunu tanımlar * Atomdaki üç temel parçacık elektron, proton ve nötrondur. Bütün elementlerin atomlarında bu üç parçacık mutlaka bulunur; tek istisnası hidrojen atomudur ki nötron yoktur Proton ve nötronların da adına kuark denilen daha küçük parçacıklardan oluştuğuna inanılmakta ve bu konuda araştırmalar sürmektedir. * Elektron: (-) Negatif yük taşır ve çekirdek etrafındaki yörüngede bulunur. : (+) Pozitif yük taşır ve çekirdekte bulunur. * Nötron : (0) Yüksüzdür ve çekirdekte bulunur. Proton Evrenin yaratılışından bu yana, insanoğlu doğal olayları araştırmış ve günlük yaşantısında pek çok tecrübeler elde etmiştir. Bu tecrübelerden biride, 2500 yıl önce Yunanlılar, kehribarın kuru kumaşa sürtüldüğünde (şimdi statik elektrik adını verdiğimiz etkiyle) saman çöpü gibi nesneleri çektiğini görmesiydi. Kehribar bilindiği gibi yaprak dökmeyen ağaçların fosilleşmiş sarı reçinesi olup, İngilizce karşılığı amber, eski Yunan dilinde ise elektron dur. 1600'lü yılların başında, William Gilbert isimli bir İngiliz fizikçi, kehribar gibi maddelerin bu ilginç özelliklerini incelerken yeni bir kavram ortaya attı: "Elektrik". Gilbert, sürtme sonucu ortaya çıkan çekim gücüne "elektriksel çekim" adını veriyor ve peşinden gelecek çalışmaların ilk adımını atıyordu. Bilim adamları elektrik yükleri hakkında araştırmalarını geliştirdiler, bugün bilinen elektrik ve manyetik kanunlarını formülüze ettiler. Bu çalışmaların ışığı altında elektrik bir enerji kaynağı olarak ortaya çıktı. Üretimi, bir enerji şeklinden diğerine dönüşümü, tüketicilere dağıtımı ve sayısız kullanım alanı ortaya çıktı. Üretim aşamasından sonra, uzun ve kısa mesafelere iletilmekte, ve dağıtılmakta, bu sayede küçük ve büyük çapta yüzlerde cihazı çalıştırmaktadır. Bu şekilde oluşan sisteme elektrik şebekesi, güç sistemi gibi adlar verilir. Elektrik şebekesi, güç sistemi adını verdiğimiz bu sisteme biz elektrik devresi diyeceğiz. Elektik devresi birçok elemandan oluştuğu gibi, bir üreteç ve bir lambadan da meydana gelebilir. Buna göre Elektrik devresi: belirli bir görevi gerçekleştirmek üzere bir araya gelen elemanlar topluluğudur diye tanımlanabilir. * Elektriksel yük, atom altı parçacıkların sahip olduğu ve onun elektromanyetik ile olan etkileşimini tayin eden, temel bir özelliktir. Elektrik yüklü bir parçacık elektromanyetik alandan etkilenir, elektromanyetik alan yaratır. * Genellikle cisimler, taşıdıkları negatif ve pozitif yükler birbirlerini dengeledikleri için yüksüz görünürler. Cisimlerde pozitif yükler protonlar, negatif yükler elektronlar tarafından taşınırlar. * Bir cismin elektrik yükü açısından pozitif olması o cismin elektronlarından bir bölümünü kaybettiği, negatif oluşu ise o cismin dışarıdan başka elektronlar kazandığı şeklinde yorumlanır. * Bir protonun yükü pozitif, elektronunki ise negatiftir. Elektronlar hareket edebilir. Bunların hareketi sebebiyle cisimler yüklü hale gelirler. Bir nesne sürtüldüğü zaman, o elektron kazanabilir veya kaybedebilir. Sonuç olarak o nesne bir yük kazanır. Eğer o nesne elektronlar kazanmış ise negatif bir yüke, eğer elektronlar kaybetmiş ise pozitif bir yüke sahip olacaktır Elektriksel yükü tanımlayan yasa, Fransız fizikçi Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) adını taşır. Bu yasa ile iki elektrik yükü arasındaki kuvvet şu şekilde hesaplanır: Burada F kuvvet, r iki yük arasındaki mesafe, q1 ve q2 elektrik yüklerdir. MKS (METRE, KİLOGRAM,SANİYE) sisteminde birimler kuvvet için Newton (N), uzaklık için metre (m), elektriksel yük için de coulomb ( C ) dir. ke, Coloumb sabitidir: ke=9.10^9 değerine eşittir. Temel Birimler Bazı SI türeme birimleri için özel isimler ve semboller Fiziksel Nicelik Birim Sembol Uzunluk metre m Kütle kilogram kg Zaman saniye s Elektrik akımı Amper A Sıcaklık kelvin K Işık şiddeti candela cd Madde Miktarı mol mol Fiziksel Nicelik SI Biriminin Adı SI Birimi için Sembol SI Biriminin Tanımı Kuvvet Basınç Enerji Güç (fizik) Elektrik yükü newton pascal joule watt coulomb N Pa J W C kg m s −2 N/m2 = kg m −1 s−2 N m = kg m2 s−2 J/s = kg m2 s−3 A· s Elektriksel Potansiyel Farkı volt V W/A = J/C = kg m2 A−1 s−3 Elektriksel Direnç İletkenlik (Elektrik) Elektriksel Sığa Manyetik Akı İndüktans ohm siemens farad weber henry Ω S F Wb H V/A = kg m2 A−2 s−3 Ω−1 = kg−1 m−2 A2 s3 C/V = A2 s4 kg−1 m− kg m2 s−2 A−1 Wb/A = kg m2 A−2 s−2 Manyetik Akı Yoğunluğu tesla T Wb/m2 = kg s−2 A−1 Işık akısı Aydınlanma şiddeti lümen lüks lm lx cd · sr lm/m2 = cd sr m−2 Frekans hertz Hz s−1 (saniyede salınım) Bir maddenin elektriksel davranışını, o maddenin son yörüngesinde bulunan serbest (valans) elektronların sayısı belirler. Serbest (valans) elektronların sayısına bağlı olarak elementler; *Yalıtkanlar *İletkenler *Yarıiletkenler olmak üzere üç gruba ayrılırlar. İLETKEN: Elektrik akımını ileten Valans elektron maddelere denir. Valans elektron sayısı 4’ten az. Bunlarda valans elektron sayısı 1 ile 3 arasında değişir. İletkenlik derecesi valans elektronu sayısının azlığına altın, gümüş, bağlıdır. Bakır, alüminyum, demir… Bakır Atomu YALITKAN Elektrik akımını iletmeyen maddelere yalıtkan denir. Serbest elektron sayısı 4’ten fazladır. (5-8) Son yörüngede 8’den fazla elektron olamaz. Maddelerin yalıtkanlık derecesi son yörüngede(valans yörüngesi) bulunan elektron sayısının fazlalığına bağlıdır. Bu maddelerin atomlarının son yörüngesinde en fazla 8 elektron bulunur. Bu tür maddelerin son yörüngesi elektron açısından doymuş haldedir. Elektron bakımından doymuş yörüngeden elektron koparmak çok zordur. Bundan dolayı bu tür maddeler çok iyi yalıtkandırlar Elektron sayısı azaldıkça yalıtkanlık seviyesi azalır. Son yörüngedeki elektron sayısı azaldıkça elektron koparmak kolaylaşacağından yalıtkanlık derecesi düşer. Yalıtkana uygulanan gerilim ve frekans yükseldikçe azda olsa bir elektron akımı geçer. Plastik, kauçuk, cam, hava,seramik… YARI İLETKEN: Elektrik akımını belirli şartlara göre ileten maddelere denir. Valans elektron sayısı 4’e eşittir (Tetravalans). Silisyum, Germanyum (Doğada saf halde yalıtkan) Katkı maddeleri (Arsenik, Galyum, İndiyum vb.) ile iletken hale gelebilirler. Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre Sekil : Atomik yapı elemanlarının üretiminde kullanılır. Not: En yaygın olarak kullanılan yarıiletken maddelerden germanyum ve silisyum atomlarının Bohr modelleri Şekil’de gösterilmiştir. Germanyum atomunun toplam 32 adet yörüngesel elektronu varken, silisyumun toplam 14 adet elektronu vardır. Her iki durumda da en dış (valans) yörüngede 4 elektron bulunmaktadır. İletken, yarı iletken ve yalıtkan atomlarında enerji seviyeleri Not: Elektron çekirdekten ne kadar uzakta ise, enerji durumu da o kadar yüksektir ve ana atomdan ayrılmış olan bir elektron atomik yapıdaki herhangi bir elektrondan daha yüksek bir enerji durumuna sahiptir. Herhangi bir yolla elektronlara sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa ana yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer. Böylece bir elektronun enerji seviyesi değişmiş olur. Her yörünge kendi alt yörüngelerine sahiptir. Kısacası, bir atomda çok sayıda ayrılmış, fakat birbirine yakın yerleşmiş enerji seviyeleri mevcuttur ve bunlar enerji bandı olarak isimlendirilir. Atomlarda enerji seviyeleri ve bant yapıları Bir maddeyi elektriksel bakımdan iletken hâle getirebilmek için dışarıdan bir enerji uygulanması gerekir. Bu enerji miktarı üç ayrı enerji bandının oluşmasını sağlar. a.Valans bandı: Her maddenin, valans elektronlarının belirli bir enerji seviyesi vardır. Bu seviye valans bandı olarak adlandırılır. b.Yasak bant : Elektron bakımından boş bulunan ve valâns bandındaki elektronların iletkenlik bandına geçmesini zorlaştıran boşluk. c. İletim bandı : Valâns bandından kopan ve akım taşıyabilecek durumda olan elektronların bulunduğu bant. Not: Elektronlar Valans ile İletim bandı arasında bulunan "Yasak bandı" kendi başlarına geçebilecek enerjiye sahip değildirler. Elektronların bu bölgeyi geçebilmesi için dışarıdan bir enerji uygulanmalıdır. Dışarıdan enerji (ısı, ışık ve benzeri) alan bir elektron bir üst banda (tabakaya) yükselebilir. Daha düşük bir banda geçen elektron ise dışarıya enerji yayar. Atomlarda enerji seviyeleri ve bant yapıları Şekil 1’de görüldüğü gibi yalıtkan bir maddenin yasak bölgede bant genişliği Eg >5 eV tur. Bu geniş yasak bant, dolu valans bandını boş iletim bandından ayırır. Böyle bir yapıda elektrona dışarıdan uygulanacak bir etki ile sağlanacak enerji, bu elektronu, dolu valans bandından boş iletim bandına geçirmeye yetmez. Elektronun dışarıdan uygulanan bir etki ile gerekli enerjiyi kazanması ve dolayısı ile iletime geçmesi çok zordur. 0°K veya mutlak sıfırda, yarıiletken maddelerin tüm serbest elektronları valans bandında bulunurlar. Ancak oda sıcaklığında (300°K=25°C) çok sayıda elektronun iletim bandına geçmesine yetecek enerjiyi (yani silisyumda Eg=1,1 eV’luk, germanyumda Eg=0,67 eV’luk yasak bant enerji aralığını atlamaya yetecek enerjiyi) aldıkları görülebilir (Şekil 1.b). Şekil 1.c’de görüldüğü gibi iletkenlerde valans bandı, iletim bandı ile iç içedir. İkisi arasında yasak bant yoktur. Diğer bir deyişle, valans banttaki elektronlar çok küçük bir etki ile daha yüksek enerji seviyelerine geçebilirler. Yarıiletken malzemelerin karakteristikleri (bant yapısı, elektriksel özellikleri vs.) nispeten saf yarıiletken malzemeye bazı katkı atomları eklenerek önemli ölçüde değiştirilebilir. Bu katkılama işlemine tabi tutulan yarıiletken malzemeye katkılı malzeme denir. Yarıiletken eleman üretiminde N ve P tipi olmak üzere iki katkılı malzeme vardır. Hem N hem de P tipi yarıiletken maddeler, saf bir germanyum yada silisyum maddesine önceden belirlenmiş sayıda katkı atomu eklenmesiyle elde edilir. N tipi yarıiletken, saf bir germanyum yada silisyum kristaline antimon, arsenik ve fosfor gibi son yörüngesinde 5 valans elektrona sahip katkı maddeleri eklenerek oluşturulur. Şekil 1.4 : N tipi yarıiletkende antimon katkısı Bu katkı maddelerinin etkileri Şekil 1.4’de gösterilmiştir (Silisyum taban üzerine katkı olarak antimon kullanılmıştır). Bünyesinde fazla elektron bulunan silisyum yada germanyuma N tipi yarıiletken denir. Fazla olan elektronu verebilme özelliğinden dolayı da N tipi yarıiletkene verici madde denir. Katkı atomları, kristal yapıdaki bazı silisyum atomlarının yerlerini alırlar. Bunların 5 valans elektronundan dördü, kendine komşu olan silisyum atomunun birer elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Beşinci elektron boşta kalır, bağ kuramaz. Bu elektron çok zayıf olarak kendi çekirdeğine bağlıdır. Bu elektronu atomundan ayırmak için gerekli enerji germanyum için 0,01eV, silisyum için 0,05eV kadardır. P tipi yarıiletken, saf bir germanyum yada silisyum kristaline son yörüngesinde üç valans elektrona sahip katkı atomları eklenerek oluşturulur. Bu amaçla en sık kullanılan elementler, boron, galyum ve indiyumdur. Bu elementlerden borun silisyum taban üzerindeki etkisi Şekil 1.6’da gösterilmiştir. N tipi yarıiletkende elektron sayısı oyuk sayısından fazladır. Elektronlara çoğunluk taşıyıcısı, oyuklara da azınlık taşıyıcısı denir. P tipi yarıiletkende ise oyuklar çoğunluk taşıyıcısı, elektronlar azınlık taşıyıcısı durumundadır Şekil 1.6 : P tipi yarıiletkende Boron katkısı Yeni oluşturulan örgüde atomların aralarındaki kovalent bağları tamamlamaları için yeterli elektron yoktur. Şekile bakıldığında Bor atomunun kovalent bağı tamamlaması için gerekli bir elektronunun eksik olduğu görülmektedir. Bu kısımda elektron eksikliğinden dolayı çıkan boşluğa oyuk(delik) denmektedir. Eğer diğer atomların valans elektronlarından biri kovalent bağı koparacak kadar kinetik enerji alır ve oyuğun oluşturduğu kısmı doldurursa , bu durumda elektron veren atomda oyuk oluşur. Bu durumdan dolayı elektron hareketleri sonucunda oyuklar örgülü ağda hareket ediyormuş gibi gözükür. Maddenin yapıtaşı, atomdaki üç temel parçacık elektron, proton ve nötrondur. Bütün elementlerin atomlarında bu üç parçacık mutlaka bulunur; tek istisnası hidrojen atomudur ki nötron yoktur. Elektrik kelimesinin aslının kehribara dayandığını öğrendik. Elektriksel yük(q), atom altı parçacıkların sahip olduğu ve onun elektromanyetik ile olan etkileşimini tayin eden, temel bir özelliktir. Elektriksel yükü tanımlayan yasa, Fransız fizikçi Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) adını taşır. Bir maddenin elektriksel davranışını, o maddenin son yörüngesinde bulunan serbest (valans) elektronların sayısı belirler. Serbest (valans) elektronların sayısına bağlı olarak elementleri • Yalıtkanlar • İletkenler • Yarıiletkenler olmak üzere üç gruba ayrılırlar. • • • Elektrik akımını ileten maddelere iletken denir. Elektrik akımını belirli şartlara göre ileten maddelere yarı iletken denir. Elektrik akımını iletmeyen maddelere yalıtkan denir. Yarıiletken malzemelerin karakteristikleri (bant yapısı, elektriksel özellikleri vs.) nispeten saf yarıiletken malzemeye bazı katkı atomları eklenerek önemli ölçüde değiştirilebilir. Bu katkılama işlemine tabi tutulan yarıiletken malzemeye katkılı malzeme denir. Yarıiletken eleman üretiminde N ve P tipi olmak üzere iki katkılı malzeme vardır.
