YARI İLETKEN DİYOTLAR Elektronik Devreler

İçindekiler 1. Yarı İletken Diyotlar 1.1 Giriş 1.2. Yarı İletkenlerde Akım Taşıyıcılar 1.3. N tipi ve P tipi Yarı İletkenlerin Oluşumu 1.4. P-N Diyodunun Oluşumu 1.5. P-N Diyodunun Kutuplanması 1.5.1. Doğru Polarma 1.5.2. Ters Polarma 1.6. Diyodun Akım-Gerilim Karakteristiği Konunun Özeti

GİRİŞ Diyot, üzerinden sadece tek yönde akım geçişine izin veren aktif bir devre elemanıdır. Yarı iletken elemanların en basiti olmasına rağmen, basit bir anahtarınkine benzeyen karakteristikleri ile elektronik sistemlerde çok önemli rol oynarlar. İdeal diyot yanda gösterilen sembol ve karakteristiklere sahip iki uçlu bir elemandır. Anot (+) ucu, Katot (-) ucu ifade eder. Diyotlar P ve N tipi olmak üzere iki adet yarı iletken maddenin birleşiminden oluşur. Diyotların yapısının anlaşılması için bu iki yarı iletkenin oluşumunun ve bu maddelerde akımın nasıl oluştuğunun incelenmesi gerekir.

Yarı İletkenlerde Akım Taşıyıcılar Yarı iletkenler mutlak sıfır ısıda iyi birer yalıtkandırlar. Yarı iletkenlerin bağlarındaki elektronlar çok sabit değillerdir ve normal sıcaklıklarda bağlardan koparak iletkenlik sağlayan elektronlara dönüşürler. Bağlarından kopan elektronlar bağlarda “boşluk” bırakırlar. Dış yörüngesinde boşluk oluşan atom, çekirdeğindeki (nucleus) dengelenmemiş pozitif yük nedeniyle (+) yüklü bir iyon oluşturur. Normalde, iletkenlik elektronlarının sağladığı (-) yüklü iyonlar ile boşlukların sağladığı (+) yüklü iyonlar dengededir ve toplam yük sıfırdır.

Yarı İletkenlerde Akım Taşıyıcılar Akım, boşluklar ve elektronlar sayesinde oluşur ve gerilim kaynağı üzerinden devresini tamamlar, boşluk akımı elektron akımına ters yöndedir. Yarı iletkenlerde akımı taşıyan elektronlara ve boşluklara bu nedenle “taşıyıcı” (carrier) adı verilir.

P-tipi ve N-tipi Yarı İletkenlerin Oluşumu Doğada yarı iletken imalinde en çok kullanılan iki element Silisyum ve Germanyum’dur. Fakat kolay bulunabilir ve ucuz olması nedeniyle Silisyum Silikon) daha çok tercih edilmektedir. Serbest Elektronlar 14 Elektron

P-tipi ve N-tipi Yarı İletkenlerin Oluşumu Silisyumu iletken yapabilmek için kristal yapısına başka malzemeler (impürite) katma işine “KATKILAMA” (DOPING) denir. Impurite denilen bu maddelerin miktarı az olsa da yarı iletkeni, iletken hale getirmeye yeterlidir. Fosfor, Antimon ve Arsenik gibi malzemeler silikon kristalinin içine katıldıklarında serbest elektron bırakarak iletkenliği artırırlar. Bu tip malzemelere DONOR ve bunlarla iletkenlik elektronu yüklenmiş yarı iletkenlere n-tipi silikon adı verilir. İndiyum, Boron, Alüminyum ve Talyum gibi malzemeler ise yarı iletkenin kristal yapısında boşluk oluşmasına neden olurlar. Bu tip malzemelere AKSEPTÖR (Acceptor) ve bunlarla boşluk yüklenmiş yarı iletkenler ise p-tipi silikon olarak adlandırılırlar. Örneğin fosfor atomu silikon atomuna benzer ancak en dış yörüngesinde bir fazla elektron ve çekirdeğinde de bir fazla proton vardır. Boron atomu da silikon atomuna benzer ancak en dış yörüngesinde bir eksik elektron ve çekirdeğinde de bir eksik proton vardır.

P-tipi ve N-tipi Yarı İletkenlerin Oluşumu P-TİPİ İMPÜRİTE (Boron) KATILMIŞ SİLİKON ATOMLARI N-TİPİ İMPÜRİTE (Fosfor) KATILMIŞ SİLİKON ATOMLARI Not: n-tipi yarı iletken ve p-tipi yarı iletken kendi içinde yük açısından dengede ve nötr’dür.

P-N Diyodunun Oluşumu Tek bir kristal yapısı içerisinde n-tipi ve p-tipi silikon arasında bir birleşim meydana getirerek yapılan malzemeye p-n jonksiyon (junction) diyot adı verilir. Bir p-n jonksiyonunda elektronlar ve boşluklar birbirleri ile birleşirler ve bu yayılım akımı (diffusion), birleşme bölgesinde akım taşıyıcıları olmayan yalıtkan bir bölge oluşmasına (depletion region-fakirleşmiş bölge) neden olur. Bu bölgede oluşan, (+) ve (-) yüklü iyonlar, yayılım akımının akmasını engelleyecek şekilde bir E elektrik alanı (0.7 Voltluk gerilim) oluşmasına neden olurlar. Not: P ve N maddeleri germanyumdan yapılmışsa bu gerilim 0,3Volt olacaktır. Sonuçta yayılım akımı kesilir.

P-N Diyodunun Kutuplanması Bir diyodun uçlarına DC bir güç kaynağıyla gerilim uygulama işlemine diyodun polarmalandırılması (kutuplama - öngerilimleme) adı verilir. Polarmalandırma gerilim kaynağının diyot uçlarına bağlanma şekline göre değişir. Diyodun iki türlü polarmalandırılması söz konusudur. Bunlar; a. Doğru polarma b. Ters polarma diye adlandırılır. Not: Bundan sonraki anlatımlar Silisyum diyot için yapılacaktır. Germanyum diyot için sadece gerilimler 0,7 Volt yerine 0,3 Volt olacaktır.

Doğru Polarma Doğru Polarmalı P-N Jonksiyonu Kaynağın (+) terminali p-n jonksiyon’un p-tipi silikon tarafına (-) terminali n- tipi silikon tarafına bağlanırsa (doğru polarma), gerilim 0.7V’dan büyük olduğunda, elektron ve boşluklar fakirleşmiş (yüksüz) bölgeden karşı tarafa geçer ve burada boşluk-elektron birleşmeleri oluşur. Doğru Polarmalı P-N Jonksiyonu Fakirleşmiş Bölge P-tipi N-tipi

Doğru Polarma Doğru Polarmalı P-N Jonksiyonu P-tipi yarı iletkene yayılan elektronlar bataryanın (+) kutbu tarafından çekilirler ve N-tipi yarı iletkene yayılan boşluklar bataryanın (-) kutbu tarafından çekilerek batarya üzerinden devrelerini tamamlarlar ve devreden çok büyük bir akım geçer. Doğru Polarmalı P-N Jonksiyonu

Ters Polarma Ters Polarmalı P-N Jonksiyonu Eğer bir gerilim kaynağının (-) terminali p-n jonksiyon’un p-tipi silikon tarafına ve (+) terminali n-tipi silikon tarafına bağlanırsa ters polarma - reverse bias gerçekleşir ve bu esnada fakirleşmiş bölge (depletion region) sadece genişler ve akım geçişi daha da zorlaşır. Ters Polarmalı P-N Jonksiyonu

Diyodun Akım Gerilim Karakteristiği Bir p-n jonksiyonunda ters polarma durumunda sıfır akım geçer. Doğru polarmada silisyum diyotlarda gerilim 0.7Volt’luk threshold (eşik) noktasına ulaşıncaya kadar akım geçmez, (çok küçük bir akım geçer), daha sonra çok büyük bir akım ( ID) geçer. Bu akım ID = I0 [exp(qvD/ηkT) -1] denklemi ile ifade edilir. Burada I0 = Ters doyum akımı (sabit değer) vD = Diyot gerilimi q = bir elektron yükü k = Boltzman Katsayısı T = Mutlak ısı η = İdealite faktörü (1-2 arasında)

Diyodun Akım Gerilim Karakteristiği Ters polarma durumunda, “taşıyıcısız birleşim bölgesinde” (depletion region) çok fazla gerilim oluşursa, bağlanmış durumdaki elektronlar bağlarından koparlar. Bu durumda, aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi ters yönde büyük bir akım geçmeye başlar. Bu gerilime ters-kırılma gerilimi (-VB) (Reverse Breakdown Voltage) denir ve bir süre sonra jonksiyonda oluşan ısı nedeniyle diyot yanar. Kırılma bölgesi Bozulma- yanma

Konunun Özeti 1. YARI İLETKEN DİYOTLAR Tek bir kristal yapısı içerisinde n-tipi ve p-tipi silikon arasında bir birleşim meydana getirerek yapılan malzemeye p-n jonksiyon (junction) diyot adı verilir. Bir diyodun uçlarına DC bir güç kaynağıyla gerilim uygulama işlemine diyodun polarmalandırılması (kutuplama - öngerilimleme) adı verilir. Doğru polarmada silisyum diyotlarda gerilim 0.7Volt’luk threshold (eşik) noktasına ulaşıncaya kadar akım geçmez, (çok küçük bir akım geçer), daha sonra çok büyük bir akım ( ID) geçer. Bir p-n jonksiyonunda ters polarma durumunda sıfır akım geçer. Ters polarma durumunda, “taşıyıcısız birleşim bölgesinde” çok fazla gerilim oluşursa, bağlanmış durumdaki elektronlar bağlarından koparlar ve ters yönde büyük bir akım geçmeye başlar. Bu gerilime ters-kırılma gerilimi (-VB) denir. 1. YARI İLETKEN DİYOTLAR Diyot, üzerinden sadece tek yönde akım geçişine izin veren aktif bir devre elemanıdır. Yarı iletken elemanların en basiti olmasına rağmen, basit bir anahtarınkine benzeyen karakteristikleri ile elektronik sistemlerde çok önemli rol oynarlar. Diyotlar P ve N tipi olmak üzere iki adet yarı iletken maddenin birleşiminden oluşur. Doğada yarı iletken imalinde en çok kullanılan iki element Silisyum ve Germanyum’dur. Silisyumu iletken yapabilmek için kristal yapısına başka malzemeler (impürite) katma işine “KATKILAMA” (DOPING) denir. Fosfor, Antimon ve Arsenik gibi malzemeler silikon kristalinin içine katıldıklarında serbest elektron bırakarak iletkenliği artırırlar. Bu tip malzemelere DONOR ve bunlarla iletkenlik elektronu yüklenmiş yarı iletkenlere n-tipi silikon adı verilir. İndiyum, Boron, Alüminyum ve Talyum gibi malzemeler ise yarı iletkenin kristal yapısında boşluk oluşmasına neden olurlar. Bu tip malzemelere AKSEPTÖR (Acceptor) ve bunlarla boşluk yüklenmiş yarı iletkenler ise p-tipi silikon olarak adlandırılırlar.