yarıiletken dirençler

YARI İLETKEN DEVRE ELEMANLARI
Elektronik sanayinin gelişmesinde en önemli pay yarı iletken
kullanımından dolayıdır. Bilgisayarlarda bu uygulama ile, 1994 yılında
geliştirilmiştir, 1 cm2’lik ve 200 μm kalınlıkta bir yongaya Si esaslı yarı
iletken elektrik devrelerin binlercesinin konulması bu işin temelini
oluşturmuştur. Si gibi bir yarı iletkenden tek kristalde pn eklemleri
oluşturularak çeşitli yarı iletken devre elemanları yapılabilir. Bu elemanlar
p-türü ve n-türü malzemeler arasındaki sınırın özelliğinden
yararlanmaktadır.
Örneğin pn eklem diyotları ve npn transistorları bu tür eklemler
kullanılarak üretilir. Bir pn eklem diyotu, bir katkısız Si tek kristali
büyütülerek ve daha sonra bu kristali önce n-türü bir malzemeyle,
ardından p-türü bir malzemeyle katkılayarak üretilebilir. Fakat, pn
ekleminin daha yaygın bir üretim yöntemi, bir tür katkının (örneğin p türü)
var olan bir n-türü malzemeye katı halde yayındırılması şeklindedir. Si ve
Ge bugün elektronik sanayinde kullanılan eşsiz birer yarı iletkendir.
1990’lı yıllardan sonra inanılmaz bir atılım gerçekleştirilmiştir.
Doğrultucular (p-n bağlantı elemanları):
Doğrultucular, alternatif akımı doğru akıma
dönüştürürler ve p-n bağlantısı oluşturan bir
n-tipini bir p-tipine bağlamakla üretilir.
Elektronlar n tipi bağlantıya hareket
ederken; boşlukları p tipi bağlantıya doğru
hareket ederek elektrik dengesizliği bir voltaj
veya bağlantı boyunca temas potansiyeli
meydana getirir.
Negatif ucun n tipi tarafında olması için p-n
bağlantısına bir dış voltaj yerleştirilirse net
bir akım üretilir. Bu ileri kutuplama gerilimi
olarak tanımlanır.
2
Uygulanan voltaj geri döndürülürse bir geri kutuplama
gerilimi oluşur, boşlukların ve elektronların her ikiside
bağlantıdan uzağa hareket eder, bağlantı yalıtkan gibi
davranır ve nerdeyse hiç akım geçmez. P-n bağlantısı
bir yönde akımın akmasına izin verdiği için alternatif
akımın sadece yarısı geçer.
YARI
İLETKEN
MALZEMELERİN
UYGULAMA
ALANLARI
Güneş Pilleri: Güneş pilleri, yarı-iletkenlerden yapılır. Yarı-iletken
özellik gösteren birçok malzeme arasında güneş pili yapmak için en
elverişli olanlar; Si, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi
malzemelerdir. Yarı-iletken malzemelerin güneş pili olarak
kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir.
Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin
kontrollü
olarak
eklenmesiyle
yapılır.
Tablo: Ticari olarak satılan pillerin cinsleri, laboratuar
şartlarında hücre verimleri ve modül halindeki verimleri
Transistörler: Transistörler, küçük ve sağlamdır, bir flaman ısıtma
devresine ihtiyacı yoktur, çalışma gerilimleri alışılmış gerilimler
değildir, aksine küçük gerilimler ile çalışabilirler. Transistör genel
olarak, bir yarıiletken kristalde bulunan yük taşıyıcı akımın
kontrolü ile yükseltme etkisinin elde edildiği bir yarı iletken
elemandır.
Video
Bugünün mikroelektronik devreleri için oldukça önemli olan
yarı iletkenlerden meydana gelen transistörler iki temel
fonksiyona sahiptir:
Birincisi, daha önceleri vakum tüplerinin yaptığı elektrik
işaretlerini kuvvetlendirme işidir. Ayrıca, bilgisayarlarda
bilgi işleme ve depolama için anahtarlama görevi gören bir
cihazdır.
Birleşmeli transistör ve metal-oksit yarı iletken alan etkili
transistör (kısaca MOSFET: Metal-oxide semiconductorfield-effect transistor) olmak üzere iki temel türü vardır.
MOFSET: Metal-oxide semiconductor- field-effect transistor
metal-oksit yarı iletken alan etkili transistör
Transistörler zayıf akımların kuvvetlendirilmesi amacı ile n-p-n veya p-n-p
yarıiletken takımından oluşurlar. N tipi yayıcı (emitör), ortada p tipi taban ve n
tipi sağda toplayıcıdan oluşurlar. GERİLİM UYGULANINCA Yayıcıdan e’lar
sınırı aşarak tabana geçer, taban çok ince (10 mikron) olduğundan e’ların çoğu
toplayıcıya atlar ve hızla (+) uca doğru ilerler ve Ic toplayıcı akımını oluşturur.
Böylece zayıf bir kaynaktan gelen akım birkaç yüz kat arttırılmış olur. Bundan
dolayı transistörler akım yükseltici olarak kullanılır.
Video
BASİT BİR METAL OKSİT YARI İLETKEN TRANSİSTÖRÜN İMALAT
SÜRECİ
Kapı metal bağlantı
Polisilikon kapısı
Katkılı silikon
top nitrit
metal bağlantı
borusu
Metal kaynak
bağlantısı
Oksit alanı
oksit
kaynak
Silikon yüzey
geçit
oksit
kanal
Oksit geçidi
LED (Işık Yayan Diyot)
LED’ler elektrik enerjisini ışığa dönüştüren yarı iletken devre
elemanlarıdır. LED’in en önemli kısmı yarı iletken malzemeden oluşan
ve ışık yayan LED çipidir. LED çipi noktasal bir ışık kaynağıdır ve kılıf
içine yerleştirilmiş yansıtıcı eleman sayesinde ışığın belirli bir yöne
doğru yayılması sağlanır. Şeffaf kılıflı bir LED’e dikkatli bakılırsa LED
çipi gözle görülebilir.
LED’lerin yaydığı ışık, LED çipi içerisindeki yarı iletken katkı maddeleri
ile ilgilidir. LED’in hangi renkte ışık yayması isteniyorsa galyum,
arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum nitrit gibi kimyasal malzemelerden
uygun oranda yarı iletken malzemeye katkı yapılır (GaAIAs, GaAs,
GaAsP, GaP, InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LED çipinin istenen dalga
boyunda ışıma yapması sağlanır.
Örneğin kırmızı renk (660nm) için GaAlAs,
sarı renk (595nm) için InGaAIP,
yeşil renk (565nm) için GaP,
mavi renk (430nm) için GaN kullanılır.
Diyot (iki uçlu) ve
transistör (üç uçlu) kontrol işlevli devre elemanlarıdır.
OLED (organic light-emitting diode)
teknolojisi ışık yayan organik diyot
(OLED) görüntüleyicisi, elektrik
verildiğinde ışık yayan organik
moleküllerden yapılmış ince filmdir.
OLED'ler daha parlak, daha canlı
görüntü sağlarken, LED ve LCD
görüntü panellerinden daha az
enerji tüketir.
P-N
Direnç Çeşitleri
YARIİLETKEN DİRENÇLER
Yarıiletken dirençlerin ısı, voltaj, ışık ve
gerilmeyle dirençlilik değerleri değişen
elemanlardan oluşan çeşitleri vardır.
a) Isı bağımlı dirençler - Termistörler
b) Işık bağımlı direnç-Foto Direnç-LDR
(Light Dependent Resistance)
c) Voltaj bağımlı direnç –VDR
(Voltage Dependent Resistör)
d) Gerilmeye bağımlı dirençStrain Gage
a)
b)
c)
d)
Dirençler elektriksel devrelerde gerilim düşürücü
ve akım düşürücü olarak görev yapan pasif devre
elemanlarıdır.
Bir noktadan geçen akımı veya bir noktadaki
gerilimi istenilen seviyeye düşürmek için dirençler
kullanılır.
Fazla olan enerji direnç tarafından ısı enerjisine
çevrilerek harcanır.
Sıcaklık ile direnci değişen elektronik malzemelere; term
(sıcaklık), rezistör (direnç), kelimelerinin birleşimi olan
termistör denir.
Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden imal
edilmektedir.
Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez,
nikel, bakır veya kobaltın karışımı kullanılır.
Termistörler ;
PTC (Pozitif Isı Katsayılı Termistör) ve
NTC (Negatif Isı Katsayılı Termistör) olmak üzere ikiye
ayrılır.
Sıcaklığın artmasıyla direnci artan termistörlere PTC denir.
PTC’ler - 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı
bir şekilde çalışır. 0.1 ºC’ ye kadar duyarlılıkta olanları vardır.
Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak
için tasarlanan devrelerde kullanılır. Ayrıca ısı seviyesini
belirli bir değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde
kullanılabilir.
Sıcaklığın artmasıyla direnci azalan termistörlere NTC denir.
NTC’ler +50° C’ye kadar kararlı bir şekilde çalışırlar. 0.1 Cº’ye
kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektronik
termometrelerde, arabaların radyatörlerin de, amplifikatörlerin
çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda kullanılırlar.
PTC’lere göre kullanım alanları daha fazladır.
Yarıiletken Dirençler
• Termistör:
a. Isı bağımlı dirençler-Termistörler
Termistörler, negatif sıcaklık katsayılı- NTC ve pozitif sıcaklık katsayılıPTC olmak üzere 2 tipte imal edilmektedir. Isı ölçme ve denetiminde ısı
kararlılığını sağlama ve akım-gerilim dalgalanmalarını yok etmede,
yarıiletken elemanların ısıtılması, zaman gecikmesi ve ısı etkilerinin
eliminasyonu gibi uygulamalarda kullanılan termistörler birkaç mW’dan
25 W’a kadar, çeşitli güçlerde üretilebilmektedir.
Termistörler yangın alarmında kullanıldığında, yangın esnasında ısınan
termistör devreye daha büyük bir akım geçirerek alarmı harekete geçirir.
Alan (Hall) Etkili Transdüserler
Hall sensörü hall etkisine dayanır Bir yarı iletkenden
elektronlar akarken akım yönüne dik bir manyetik alan
uygulanınca elektronlar belli bir bölgede yoğunlaşır. Bu da
yarı iletkenin diğer uçlarında gerilim oluşmasına neden olur.
Bu duruma hall etkisi denir. Bu gerilimin değeri manyetik
alan, levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensibe göre alan
etkili transdüserler yapılır. Alan etkili transdüserler hassas
mesafe, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır.
Şekil. Alan etkili transdüserler
Şekil. Alan etkili transdüserler ve araçlarda
alan etkili sensörlerin kullanılması
Hall etkisi, yüklü bir parçacığa dik yönde etkiyen bir
manyetik alan, parçacığın hem hareket yönüne hem de
manyetik alana dik doğrultuda bir kuvvet uygular.
VH=H.J.RH
VH :Hall voltajı, J: Akım yoğunluğu
RH :Hall katsayısı, H: manyetik alan
Soru: 1.25 mm çapındaki bir silisyum çubuk her milyon Si
atomunda bir Antimon atomu ile karıştırılmıştır. 10 A bir akım,
çubuk manyetik alanda olduğunda çubuğa geçmiştir. Si
yarıiletken boyunca 6V ölçülürse, manyetik alanın şiddetini
hesaplayınız? ne=5.1022 elektron/m3
Yarıiletken Dirençler
Işık bağımlı direnç-Foto Direnç-LDR (Light Dependent Resistance)
Foto direnç üstüne düşen ışık şiddetiyle ters olarak direnci değişen bir
devre elemanıdır. Üzerine düşen ışık şiddeti arttıkça direnci düşer, ışık
şiddeti azalınca direnci artar. Foto direnç, AC ve DC devre de aynı özelliği
gösterir. Bu malzemeler karanlık ortamla aydınlık ortamda farklı dirençlilik
gösterirler. Karanlık ortam direnci birkaç megaohm olurken, aydınlık ortam
dirençleri ışığın şiddetine bağlı olarak birkaç ohm gibi küçük bir değere
düşebilir. İki iletken arasına yarı iletken malzeme yerleştirilmesi ile
oluşturulur ve şekilde görüldüğü üzere yarıiletkenin direnç değeri maruz
kaldığı ışık miktarına bağlı olarak azalır.
Foto direnç yapımında selenyum, talyum sülfür ve kurşun sülfür gibi
malzemeler kullanılmaktadır. Arızalanmaları yüksek akım, yüzey çizilmesi
veya aleve maruz kalma sonucunda açık devre şeklinde ortaya çıkar.
Yarıiletken Dirençler
Voltaj bağımlı direnç –VDR
(Voltage Dependent Resistör)
VDR veya varistörler gerilime bağlı dirençler; gerilim ile ters orantılı olarak
direnç değerleri değişen elektronik devre elemanlarıdır.
Üzerine
uygulanan gerilim yükseldikçe direnci azalır, gerilim azaldıkça direnci
yükselir. Koruyacağı devreye veya elemana paralel bağlanırlar. Kısa
devre akımları birkaç amperden birkaç amperden birkaç yüz kA’e kadar
değişik anma değerlerinde üretilmektedir. Entegre, transistor ve diğer
yarıiletkenlerin korunması, elektronik devre içerisinde oluşan ani voltaj
yükselmelerinin bastırılması, haberleşme gibi çeşitli endüstriyel
uygulamalarda elektrik kesintisi koruması, ölçme ve kontrol elektroniği
VDR’lerin uygulama alanları içerisindedir.
ZnO VARİSTÖRLER
Çinko oksit yaygın olarak yarı iletkenlik özelliği nedeniyle
varistör, UV ışık filtreleri, gaz sensörleri ve güneş pillerinde
elektrot olarak kullanılmaktadır. Günümüzde çinko oksit’e .
Zn+2 iyonundan yüksek valanslı Al+3, In+3, Ga+3 gibi donor
katkıları ile iletkenliğinin arttırılmasına çalışılmaktadır.
Çinko oksit ince filmleri diğer oksit filmleri ile
karşılaştırıldığında yüksek kimyasal ve mekanik kararlılığa
sahip olması, bununla birlikte iyi optik ve iletkenlik özellik
göstermesi nedeniyle önem kazanan bir malzemedir.
Geri kutuplama gerilimi çok
büyük olduğunda, bağlantının
yalıtıcı engeline doğru sızan
taşıyıcılar hızlanarak diğer
taşıyıcıları da hızlandırıcı etki
yapar ve geri dönüş (ters)
yönünde yüksek bir akıma
neden olur.
Uygun bir karışımı ve p-n
bağlantı üretimi ile kırılma
voltajı seçilebilir ve devredeki
voltaj
kırılma
voltajını
geçtiğinde yüksek bir akım
bağlantıya doğru akar ve
devrenin
diğer
kısmından
ayrılır. Zener diyodları olaraj
bilinen bu cihazlar devreyi ani
yüksek voltajlardan korur.
Ticari ZnO varistörler
32
Yarıiletken Dirençler
• Gerilmeye bağımlı direnç- Strain Gage
Maddelerin çoğu fiziki olarak yüklendiği zaman az da olsa bir elastikiyet
gösterirler. Yani yükle orantılı olarak uzunluklarında bir değişme
meydana gelir. Üzerlerindeki yük kaldırıldığındı zaman ise tekrar eski
durumlarına dönerler.
Strain gage dönüştürücüleri, ilk zamanlarda tellerden veya vakumlu
metallerden yapılmakta idi. Fakat günümüzde strain gage’ler
Wheatsone köprüsü şeklinde imal edilmektedir. Köprü elemanlarında
piezorezistif, yarıiletken, karbon rezistif veya metalik tel dirençli
malzemeler kullanılmaktadır.
Strain Gauge (Şekil Değişikliği) Sensörler
Temel olarak strain gageler esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin
veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından oluşmuştur.
Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi, iletken şeridin
de gerilerek uzamasına sebep olmaktadır. Bu uzama esnasında telin boyu
uzayarak kesiti azalacaktır. İletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri
artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde de
değişme olacaktır. Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin
miktarı tespit edilebilir. Çeşitli strain gage tipleri ve kullanıldığı yerler
şekillerde görülmektedir.
Strain gagenin iç yapısı
Çeşitli strain gage tipleri
Bisikletin sağlamlık testinde kullanılan strain gage
Pervane esnemesinin algılanmasında kullanılan strain gageler
Basınç Dönüştürücü:
Yarıiletkene basınç uygulandığında, atomlar yakınlaştırılır,
enerji aralığı azalır ve iletkenlik
artar. İletkenlik ölçülürse aynı
zamanda malzeme üzerinde
etkileyen basınç ölçülebilir.
Şekil: Basınç, bir yarı iletkende
atomları yakınlaştırarak enerji
aralığını azaltır ve elektriksel
iletkenliği arttırır.