İyonik polarizasyon

• Bir iletken katı malzemenin en önemli
elektriksel özelliklerinden birisi, elektrik
akımını kolaylıkla iletmesidir. Ohm kanunu,
akım I- veya yükün geçiş hızının, uygulanan
voltaj V ile aşağıdaki şekilde ilişkilidir:
• Elektriksel öz direnç ρ ise numune
geometrisinden bağımsızdır ve aşağıda ifade
edildiği gibi R ile ilişkilidir:
• Bir malzemenin elektriksel özelliklerini
belirtmek için, elektrik iletkenliği σ kullanılır.
Bu basit olarak öz direncin tersidir;
• Metaller iyi bir iletkendir, tipik olarak 107 (Ω . m)–1
mertebesinde elektrik iletkenliğine sahiptirler.
Diğerleri ise 10–10 ile 10–20 (Ω . m)–1 arasında
değişen çok düşük elektrik iletkenliğine sahip
malzemelerdir; bunlar, elektriksel açıdan yalıtkan
kabul edilir. Orta seviyede iletkenliğe sahip
olanlar, genellikle 10–6 ile 104 (Ω . m)–1 arasında
bir değere sahiptir ve yarı iletken olarak
adlandırılır.
• Pozitif yüklü parçacıklar alan doğrultusunda,
negatif yüklü partiküller ise ters yönde
ivmelenirler. Çoğu katı malzemelerde, akım
elektronların akışından kaynaklanır ve bu
elektronik iletkenlik olarak adlandırılır. Diğer
taraftan, iyonik malzemelerde akım, yüklü
iyonların hareketiyle oluşur ve bu iyonik
iletkenlik olarak adlandırılır.
• Atomlararası mesafenin nispeten büyük olduğu
durumlarda, her bir atom diğerlerinden
bağımsızdır ve izole bir atomda olduğu gibi,
atomik enerji seviyeleri ve dizilişine sahiptir.
Ancak atomların bir başka atoma çok yaklaşması
durumunda, komşu atomun elektronları ve
çekirdeği tarafından etkilenir. Bu etkiyle, katıda
her bir atom konumu, birbirlerine çok kısa
mesafeli bir seri elektron konumlarına ayrılır ve
oluşan bu konumlara elektron enerji bandı denir.
• Fermi enerjisi 0K’de dolu olan mevcut
elektron enerji seviyelerinin en yüksek
konumuna karşılık gelir ve Ef ile gösterilir. Bu
enerji bant yapısı, özellikle bir tek s valans
elektronuna sahip olan bazı metallerde
(örneğin bakır) belirgindir.
• Son iki bant yapısı birbirine benzerdir. Burada boş
bir iletim bandı ile elektronlar tarafından
tamemen dolu olan bir valans bandı, enerji bant
aralığı ile ayrılmıştır. Çok saf malzemelerde, bu
enerji aralığında elektronlar bulunmaz. İki bant
yapısı arasında bu fark, enerji bant aralığının
büyüklüğünden kaynaklanır ve yalıtkan olan çoğu
malzemeler için bu enerji aralığı nispeten daha
geniştir (Şekil 18.4c), yarı iletkenlerde ise dardır
(Şekil 18.4d).
• İletkenliği sağlayan elektronlar, serbest
elektron olarak tanımlanır. Yarı iletken ve
yalıtkanlarda boşlukta bir elektrik yüküne
sahiptir. Boşlukların enerjileri Ef ’den daha az
olmasına karşın, iletime katkıda bulunurlar.
Sonraki kısımlarda da belirtildiği gibi, elektrik
iletkenliği serbest elektron ve boşluk sayısının
doğrudan bir fonksiyonudur.
• Elektrondaki saçılma olayı, geçen elektrik
akımına gösterilen direnç olarak ifade
edilebilir. Bu saçılmanın boyutunu tanımlamak
için, birkaç parametre kullanılır. Bunlar
elektronun sürüklenme hızı ve elektronun
hareketliliğidir.
• Burada ρt, ρi, ρd sırasıyla ısıl, empürite ve
deformasyonun neden olduğu öz direnci
göstermektedir. Denklem 18.9, Matthiessen
kuralı olarak bilinir.
Şekil 18,8
• Plastik deformasyon da elektronların
saçılmasına neden olduğu için, dislokasyon
sayısındaki artış elektrik öz direncini arttırır.
Deformasyonun öz direnç üzerine olan etkisi
Şekil 18.8’de gösterilmiştir. Ancak grafikten de
anlaşılacağı üzere, deformasyonun etkisi,
sıcaklık veya empüriteye göre çok azdır.
• Bakır elektriksel ve diğer özellikleri nedeniyle
en çok kullanılan metalik iletkendir.
• Gümüş hem bakırdan hem de alüminyumdan
daha yüksek iletkenliğe sahip olmasına
rağmen, ekonomik olmadığı için kullanımı
alanı sınırlıdır.
• Has yarı iletkenlerin elektriksel davranışı,
üretildiği saf malzemenin elektronik yapısıyla
yakından ilişkilidir. Elektriksel özellikleri
empürite atom tarafından sağlandığı yarı
iletkene katkılı yarı iletken denir.
• Has yarı iletkenler, Şekil 18.4d’de gösterildiği
gibi, elektron bant yapısıyla tanımlanır: 0 K’de
tamamen dolu olan valans bandı, nispeten dar
ve 2 eV’tan daha az enerjiye sahip bir yasak
bant aralığı ile tamamen boş olan iletim
bandından ayrılmıştır. Yarı iletken olan silisyum
(Si) ve germanyum (Ge) elementlerinin yasak
bant enerji aralığı yaklaşık 1,1 ve 0,7eV
değerlerine sahiptir.
Şekil 18.6b
• Oda sıcaklığında, mevcut ısıl enerji donor
konumlarındaki çok sayıdaki elektronları
uyarmak için yeterlidir; ayrıca, Şekil 18.6b’de
görüldüğü gibi, bazı has valansiletim bandı
geçişi de meydana gelebilir, ancak bunlar
ihmal edilebilecek derecede azdır.
• Alıcı konum: Yarı iletkenlerde veya
yalıtkanlarda valans bandın hemen üstünde ve
yasak bandın alt kısmında yer alan, valans
bandından elektron transferinin mümkün
olduğu enerji seviyesi. Bu alıcı enerji seviyesi
normalde malzemeye ilave edilen empürite
atomlarıyla oluşturulur.
• Katkılı yarı iletkenler (gerek n-tipi, gerekse ptipi) oldukça yüksek oranda saf, yaygın olarak
toplam empürite miktarı at. % 10-7
mertebelerindeki malzemelerden üretilir. Bu
malzemelere çeşitli teknikler kullanılarak
kontrollü bir şekilde donor (verici) veya alıcı
ilave edilir. Yarı iletken malzemelerdeki bu
alaşımlandırma işlemine doping (katkılama)
denir.
• Bazı durumlarda malzemedeki etkin yük
taşıyıcı tipinin, konsantrasyonunun ve
hareketliliğinin belirlenmesi istenir. Ancak
bunun basit elektrik iletkenlik ölçümleriyle
belirlenmesi mümkün değildir. Bunun için Hall
etkisi deneyinden yararlanılabilir. Hall etkisi,
yüklü bir parçacığa dik yönde etkiyen bir
manyetik alan, parçacığın hem hareket yönüne
hem de manyetik alana dik doğrultuda bir
kuvvet uygular.
• Ayrıca Denklem 18.8’den elektron hareketliliği
μe
• veya Denklem 18.19 kullanılarak,
• Belirli elektronik fonksiyonlara sahip
cihazlarda, özgün elektriksel özelliklere sahip
yarı iletkenler kullanılır. Eski model vakum
tüplerinin yerini alan diyotlar ve transistörler
verilebilecek örnekler arasındadır.
• Bir elekronik cihaz olan doğrultucu veya diyot,
akımın sadece bir yönde akmasını sağlar.
Örneğin, bir doğrultucu, alternatif akımı doğru
akıma çevirir. p-n çifti yarı iletkenler icad
edilmeden önce, doğrultma işlemi vakum tüp
diyotları kullanılarak sağlanırdı. Bu p-n
doğrultma birleşimi, bir tarafı n-tipi diğer
tarafı p-tipi olacak şekilde katkılandırılmıştır
tek parçalı bir yarı iletkenden üretilmiştir (Şekil
18.21a).
• Bir pilin pozitif p-n numunesinin p-tarafına ve
negatif uç n-tarafına bağlandığında, buna ileri
ön gerilim (kutuplama), tersi kutuplama (eksi
p’ye ve pozitif n) durumuna ise ters ön gerilim
(kutuplama) denir.
• 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: Metaloxidesemiconductor- field-effect transistor)
olmak üzere iki temel türü vardır.
• Bilgisayara ait sayı ve fonksiyonlar ikili koda (yani
sayılar esas olarak 2 olarak yazılmakta) göre ifade
edilir. Bu çerçevede, sayılar iki duruma ait seriler
şeklinde, 0 ve 1 olarak gösterilir. Bir dijital
devrede transistorler ve diyotlar anahtar olarak
çalışır ve “açma” iletken olmama, “kapama”
iletken olma, şeklinde iki durum söz konusudur.
Burada açma ve kapama ikili sayı sisteminde bir
sayıya karşılık gelir. Böylece, bir tek sayı uygun
şekilde anahtarlanmış transistörler içeren bir dizi
devre elemanlarıyla gösterilebilir.
• Hafıza kartı yarı iletken cihazların kullanıldığı
hızla gelişen bir bilgi depolama teknolojisidir.
Hafıza kartı, bilgisayarlardaki depolamada
olduğu gibi, elektronik olarak programlanabilir
ve silinebilir. Ancak, bilgisayardaki
depolamanın aksine, hafıza kartı teknolojisi
kalıcıdır, yani depolanan bilgiyi saklamak için
elektrik gücüne ihtiyaç duymazlar.
• Günümüzdeki birçok ülkede nüfusunun büyük
bir kısmı kişisel bilgisayarları rahatlıkla satın
alabilir hale gelmiştir. Ayrıca, entegre
devrelerin kullanımı hayatımızın bir çok
alanına–hesap makineleri, iletişim, kol saatleri,
endüstriyel üretim–kontrol ve elektronik
endüstrisinin tüm safhalarına girmiştir.
• Sentezlenen polimer malzemelerin elektrik
iletkenliği, metal iletkenlerinkiyle aynı
seviyede olabilir, bunlar iletken polimerler
olarak adlandırılır. Bu malzemelerin iletkenlik
değeri 1,5 × 107 (Ω·m)-1 olup hacim bazında bu
değer bakırın iletkenliğinin 4’te birine, ağırlık
bazında ise iki katına karşılık gelir.
• Metalik olmayan ve elektriksel olarak yalıtkan
davranan malzemelere dielektrik malzeme
denir. Bu malzemelere elektrik alan
uygulanması durumunda, elektirk dipol
yapısını kazanırlar.
• Kapasitörün üzerine bir voltaj uygulandığında,
pozitif kutuptan negatif kutba oluşan elektrik
alanın etkisiyle levhanın (plaka) birisi pozitif,
diğeri negatif olarak şarj olur. Bu kapasitans C,
her bir levha üzerinde depolanan Q yükü ile
şeklinde ilişkilidir.
• Levhaları arasında vakum bulunan paralel bir
kapasitör ele alalım (Şekil 18.28a). Burada
kapasitans değeri aşağıdaki denklem kullanılarak
hesaplanabilir:
• A levha alanını ve l levhalar arası mesafeyi
gösterir. ϵ0 parametresi vakuma ait geçirgenlik
olarak adlandırılan üniversal bir sabit olup 8,85 ×
10–12 F/m değerine sahiptir.
• Levhalar arasına bir dielektrik malzeme konulması
durumunda (Şekil 18.28b), kapasitansa ait denklem
aşağıdaki gibi yazılabilir:
• Burada ϵ dielektrik ortamın geçirgenliği olup, ϵ0
değerinden büyüktür. Bağıl geçirgenlik r genellikle
dielektrik sabit olarak adlandırılır.
• Kapasitans olayını en iyi açıklayan belkide alan
vektörü yardımıyla yapılan yaklaşımdır.
Başlangıçta, Şekil 18.29’da gösterildiği gibi, her bir
elektrik dipolünün pozitif ve negatif elektrik
yükleri arasında bir mesafe mevcuttur. Bir elektrik
dipol momenti p her bir dipol ile aşağıdaki gibi
ilişkilidir:
• Vektörel büyüklük olan elektrik alanın
etkimesi sonucunda oluşan bir kuvvet
(dolayısıyla bir moment) elektrik dipolünü,
Şekil 18.30’da gösterildiği gibi, uygulanan alan
doğrultusunda yönlendirir. Bu şekilde
dipollerin düzenlenmesi olayına polarizasyon
denir.
• Bazen D dielektrik ötelenme olarak da
isimlendirilir.
• Elektronik polarizasyon, bütün atomlarda
farklı mertebelerde meydana gelebilir ve
uygulanan elektrik alan vasıtasıyla atomdaki
negatif yüklü elektron bulutunun pozitif
çekirdeğe göre ötelenmesi sonucu ortaya çıkar
(Şekil 18.32a).
• İyonik polarizasyon, sadece iyonik
malzemelerde meydana gelir. Uygulanan bir
elektrik alan, katyonları bir yöne, anyonları ise
tersi yöne öteler ve bu şekilde net bir dipol
momenti oluşumuna neden olur. Bu olay Şekil
18.32b’de gösterilmiştir.
• Üçüncü tür olan yönsel polarizasyon, sadece
kalıcı dipol momentine sahip maddelerde
bulunur. Polarizasyon Şekil 18.32c’den
anlaşılacağı üzere, kalıcı momentlerin
uygulanan alan doğrultusunda dönmesi
sonucu meydana gelir.
• Bir ac elektrik alanı ile polarize edilen bir
dielektrik malzemeyi ele alalım. Her bir yön
değişiminde, Şekil 18.33’te gösterildiği gibi,
dipoller uygulanan alan ile yeniden yönlenme
eğilimine girer. Bu yönlenme belirli bir zaman alır.
Her bir polarizasyon türü için, dipollerin
düzenlenme kabiliyetine bağlı olarak değişen bir
minimum yönlenme (yeniden) süresi vardır.
Burada gevşeme frekansı minimum yönlenme
süresinin tersi olarak alınır.
• Delinime neden olan gerekli elektrik alanın
büyüklüğü dielektrik dayanım, bazen de
delinim dayanımı olarak adlandırılır. Tablo
18.5’te çeşitli dielektrik malzemelerin
dielektrik dayanım değerleri verilmiştir.
• Seramik ve polimer malzemelerin bazıları yalıtkan
ve/veya kapasitör olarak kullanılabilir. Çoğu
seramikler, cam, porselen, steatit ve mikanın
dielektrik sabiti 6 ile 10 arasında değişir.
• Seramikler daha büyük dipol momentine sahip
oldukları için, seramik malzemelerin dielektrik
sabiti değerleri çoğu polimerlerinkinden
yüksektir.
• Ferroelektrik olarak adlandırılan dielektrik
malzeme grubu, doğal olarak (kendiliğinden)
polarize olur, yani herhangi bir elektrik alan
uygulanmasına gerek duyulmaksızın
malzemenin polarizasyonu söz konusudur.
Bunlar dielektrik malzemeler olup,
ferromanyetik malzemelere benzerdir ve kalıcı
manyetik davranış gösterirler.
• Piezoelektrik malzemeler dönüştürücülerde
(transdüser) kullanılır. Bu cihazlar, elektrik
enerjisini mekanik enerjiye veya tersine
mekanik enerjiyi elektrik enerjisine
dönüştürür. Piezoelektriklerin bilinen diğer
uygulamaları, ses kayıt kartuşları, mikrofonlar,
alarmlar ve ultrasonik görüntüleme
sistemleridir.