http// sct.emu.edu.tr\eet132

Kısım I Diyot ve Çeşitleri 1.1 Giriş Diyot, transistör, tümleşik (entegre) devreler ve isimlerini buraya sığdıramadağımız daha birçok elektronik elemanlar, yarı iletken malzemelerden yapılmışlardır. Bu kısımdaki en önemli konulardan biri, iki farklı yarı iletkem malzemelerden meydana gelen PN yapısıdır. Bu yapı yukarıda saydığımız veya sayamadığımız birçok elektronik elemanların temel taşıdır. PN yapı dışarıdan uygulanacak güç kaynağının bağlantısına göre elektrik akımını bir yönde iletirken, iletken; diğer yönde elektrik akımı iletmezken, yalıtkan olmaktadır.

1.2 İletken, Yalıtkan ve Yarı İletken Şekil 1.1 Bakır atomunun Bohr modeli

Sonuç Elektrik akımını kolaylıkla ileten malzemelere iletken denir. Bunun nedeni bu malzemelerin valans elektronlarının olmasıdır. Uygulanacak en küçük bir enerji kaynağı ile (pil, ısı, güneş enerjisi gibi) bu elektron serbest hale geçmektedir. İletken malzemeler, Bakır, altın, gümüş, alüminyum gibi malzemelerdir.

İletken Yalıtkan Yarı iletken

Şekil 1.4 Germanyum atomunun basitleştirilmiş modeli Şekil 1.7 Silisyum atomunun basitleştirilmiş modeli

N (Negatif) tipi malzeme P (Pozitif) tipi malzeme Saf Si veya Ge Katkı malzemeleri Arsenik, Fosfor, Antimuan veya Alüminyum, Boron, Galyum, Indium P (Pozitif) tipi malzeme

N (Negatif) tipi malzeme N tipi malzeme Katkı malzemeleri Arsenik, Fosfor, Antimuan Saf Si veya Ge N (Negatif) tipi malzeme Önemli Not: Arsenik, Fosfor ve Antimuan gibi elementlerin en dış yörüngelerinde 5 tane valans elektron bulunur.

Saf silisyum maddesine atomlarının en dış yörüngesinde 5 elektron bulunan arsenik (As) maddesi katılırsa, silisyum atomları, komşu arsenik atomlarının en dış yörüngesindeki 5 elektrondan 4 tanesiyle kovalent bağlar kurar. 5nci elektron ise açıkta kalır. Bu elektron, katkılı kristal yapı içerisinde serbest elektron olarak ortaya çıkar. Bu yolla, yeni kristal yapı içerisinde birçok serbest elektron meydana gelmiş olur. Si As Fazla Elektron Şekil 1.9. Arsenik katkılı silisyum maddesi

P (Pozitif) tipi malzeme P tipi malzeme Katkı malzemeleri Bor,Galiyum, İndium Saf Si veya Ge P (Pozitif) tipi malzeme Önemli Not: Bor, Galiyum ve İndium gibi elementlerin en dış yörüngelerinde 3 tane valans elektron bulunur.

Elektron Boşluğu (Oyuk) Silisyum maddesine, bor maddesi enjekte edildiğinde, bor atomlarının en dış yörüngelerindeki 3 elektron, silisyum atomlarıyla kovalent bağ kurar, buna karşılık bor atomunun en dış yörüngesindeki elektron sayısı 3 olduğu için bir kovalent bağ eksik kalır. Yani her Bor atomu 1 elektronluk eksikliği meydana getirir. Bu elektron eksikliği veya boşluğu “oyuk” olarak da adlandırılır. Si B + Elektron Boşluğu (Oyuk) Şekil 1.11 Bor katkılı silisyum maddesi

1.3 N ve P-Tipi İletkenler İçerisinde İletim

E E Şekil 1.12 N-tipi bir yarı iletkende elektron ve oyuk hareketi. N tipi yarı iletken Elektron Şekil 1.12 N-tipi bir yarı iletkende elektron ve oyuk hareketi. Oyuk E P tipi yarı iletken Oyuk Şekil 1.13. P tipi bir yarı iletkende oyuk ve elektron hareketi E

1.4 PN Bağlantısı Bu kısımda daha önce anlattığımız P ve N tipi katkılı yarı iletkenleri bir araya getirip, elektronikte çok sık kullanılan bir PN Bağlantısını (PN Junction) inceleyeceğiz. Bu bağlantı şekli kullanılan tüm yarı iletken malzemenin (diyot, transistor, FET vs...) temel yapısı olup iyi anlaşılmasında fayda vardır.

PN bağlantısına dışarıdan hiçbir şekilde enerji kaynağı uygulanmıyorsa, bu duruma polarmasız PN birleşimi PN bağlantısına dışarıdan herhengi bir şekilde enerji kaynağı uygulanıyorsa, PN yapıya polarmalı PN birleşimi Polarmalı PN yapının iletken olma durumuna, doğru polarma Polarmalı PN yapının yalıtkan olma durumuna, ters polarma

1.4.1 Polarmasız PN Bağlantısı P tipi yarı iletken N tipi yarı iletken Birleşme yüzeyi

P tipi yarı iletken N tipi yarı iletken Birleşme yüzeyi Nötr Bölge Artık denge durumunda olan bağlantının uçlarından elektrik akımının (elektronların) geçebilmesi için elektriksel bir engel voltajı, VD , oluşmuştur. Bu engel bağlantının arasında kalan nötr bölgedir. Aradaki bölgeyi elektronların aşabilmesi için silisyum için 0,7V ve germanium için 0.3V kadar bir gerilime ihtiyaç vardır. Bu gerilim değeri özellikle küçük sinyal uygulamalarında çok önemlidir. Aynı zamanda ortası yalıtkan iki dış kenarı yarı iletken olan bağlantı bir kapasite, C, olarak da davranır.

Şekil 1.16 da görüldüğü gibi bu kapasite yüksek frekanslarda çalışan diyot, transistör gibi malzemeler için istenmez, fakat varikap diyot gibi kapasitesi gerilimle değişen diyotlar için özellikle istenir. Bu özellikleri sağlamak için yarı iletken üreticilerinin özel teknikleri bulunmaktadır. P tipi yarı iletken N tipi yarı iletken C VD

1.4.2 PN Bağlantısının İletkenliği; Doğru Polarma VD P N DC A E E < VD

Şekil 1.18 E = 0.7V da daralmaya başlayan nötr bölge. P N DC A E E = VD Daralan nötr bölge Şekil 1.18 E = 0.7V da daralmaya başlayan nötr bölge. P N DC A E E > VD Daralan nötr bölge Serbest elektron akışı Oyuk akışı ID Şekil 1.19 Doğru polarlanmış PN birleşimi

1.4.3 PN Bağlantısının Yalıtkanlığı; Ters Polarma VD P N DC A E E > 0V Genişleyen nötr bölge Şekil 1.20 Ters polarlanmış PN birleşimi

PN bağlantıda doğru polarma için P ucuna pozitif, N ucuna negatif gerilim verilir. Doğru polarma da PN bağlantıdan akım akar. PN bağlantıda ters polarma için P ucuna negatif, N ucuna pozitif gerilim verilir. Ters polarma da PN bağlantıdan akım akmaz.

(a) Sembol (b) Fiziki yapı 1.5 Diyot Anot (A) Katot (K) A K (a) Sembol (b) Fiziki yapı Şekil 1.21 Diyot

Şekil 1.22 Bir diyodun (I –V) VD ID 0.7 V (Si) 0.3 V (Ge) VBR Ters Polarma Bölgesi Doğru Polarma Bölgesi Şekil 1.22 Bir diyodun (I –V) karakteristiği

Ters polarlanmış bir diyot devresinde: E = VD + (ID xR) Şekil 1.23 de kullanılan R direnci akım sınırlama direnci olarak görev yapmaktadır. Devrede kullanılan diyot doğru polarma altında çalıştığı zaman, diyot içerisinden akan akımın ifadesi aşağıdaki bağıntıdan bulunur. …………………..(1.1) Şekil 1.23 Doğru polarlanmış bir diyot Ters polarlanmış bir diyot devresinde: ID = 0 A (Diyot içerisinden akım akmaz) VD = E (Diyot üzerindeki gerilim, kaynak gerilimine eşit olur.) Şekil 1.24 Ters polarlanmış bir diyot

Bir diyot nasıl zarar görür? Bir diyodun doğru polarma altında içerisinden akabilecek en büyük akımına, maksimum ileri yön akımı denir. Devreden akan akım, bu akım değerinden büyük olursa, diyodumuz zarar görecektir. Ters polarma koşulu altında diyodun dayanabileceği gerilime, VBR , kırılma gerilimi denir. Ters polarma koşulunda VAK > VBR ise diyod zarar görür. Özet: Bir diyot doğru olarak polarlandığı zaman, içerisinden geçen akım artar veya azalırsa üzerine düşen gerilim, başka bir deyişle her zaman için VAK = VA – VK = 0.7 V değerinde sabit kalır.

Şekil 1.25 de verilen devrede kullanılan 1N4001 diyodunun, maksimum ileri yön akımı 1A ve VBR = 50 V dur. Devre akımının, maksimum ileri yön akımının yarısı kadar olabilmesi için gerekli olan akım sınırlama direncinin değerini bulunuz? Çözüm 1.1 Şekil 1.25 de verilen devrede ileri yön akımı 0.5 A veya 500 mA olacaktır. 20V = (500 mA x R) + 0.7 V ifadesinden, R değeri R = = 38.6 k olarak bulunur. 

Şekil 1.26 da verilen devrede diyotlar seri olarak kullanılmışlardır. Örnek 1.2 Şekil 1.26 da verilen devrede, devre akımı 1 mA olabilmesi için V2 kaynağının gerilim değerini bulunuz? Şekil 1.26 Çözüm 1.2 Şekil 1.26 da verilen devrede diyotlar seri olarak kullanılmışlardır. Dolayısı ile, V2 = (0.7 V + 0.7V) + (1 mA x 2 k ) + 10 V = 13.4 V olarak bulunur. 

2 mA 0.5 mA (a) (b) Şekil 1.27

Çözüm 1.3 2 mA 0.5 mA 10V – V2 = 0.7V + (2mA x 2k) 10V – V2 = 4.7V 10V – 4.7V = V2 5.3 V = V2 V2 – (-2V) = 0.7V + (0.5mA x 1k) V2 + 2V = 1.2V V2 = - 2V + 1.2 V V2 = - 0.8 V

1.6 Zener Diyot ve Karakteristiği Zener diyot doğru polarma altında normal diyot gibi davranır. Zener diyotlar, devrede çalışırken doğru polarma uygulanmaz, daima ters polarizasyon altında çalışır. Yani anotlarına negatif gerilim, katotlarına ise pozitif gerilim uygulanır. Şekil 1.28 de zener diyot sembolü görülmektedir. Şekil 1.28 Zener diyot sembolü

Bu gerilime zener gerilimi adı verilir. Bunu VZ ile ifade ederiz. Zener diyodun uçlarına ters polarma uygulandığında, belli bir gerilim değerine kadar diyot yalıtkan, bu gerilim değerini aştıktan sonra ise diyot iletken olur. Bu gerilime zener gerilimi adı verilir. Bunu VZ ile ifade ederiz. VZ IZ 0.7 IZ min IZ maks Şekil 1.29 Zener Karakteristiği

Zener diyotlar, uçlarındaki gerilimi sabit tutma özelliklerinden dolayı güç kaynaklarının regülatör devrelerinde, gerilim sabitleyicisi olarak kullanılır. Bu konu, regüleli güç kaynaklarının anlatıldığı bölümde ayrıntılı olarak incelenecektir. Doğru polarma altında kullanılmış bir zener diyot. Ters polarma altında kullanılmış bir zener diyot.

1.7 Tunel Diyot ve Karakteristiği Diyodu oluşturan P ve N maddeleri elde edilirken, saf germanyum veya silisyum maddesine enjekte edilen katkı maddesinin miktarı fazla tutularak diyodun iletkenliği çok arttırılabilir. Bu tip diyotlar tunel diyot olarak adlandırılırlar. Ia Ib Va Vb (a) Tünel diyot sembolü (b) Tünel diyot karakteristiği Şekil 1.30 Tünel diyot ve karakteristiği

Tunel diyotlar, osilatör devrelerinde kullanılırlar. Tunel diyotlar, negatif direnç özelliği gösterirler. Tunel diyotlar, karakteristik eğrilerinin bir bölümünde, artan gerilimlere karşı, dirençlerinin artırarak daha az akım geçirirler. Ia Ib Va Vb Tunel diyotların çalıştırıldığı bölge Va ve Vb arasında kalan bölgedir. Bu bölgede, tunel diyotlar negatif direnç özelliği gösterirler. Tunel diyotlar, osilatör devrelerinde kullanılırlar.

1.8 Varikap Diyot (VARAKTÖR) Varikap diyot, değişken kondansatör görevi yapan PN birleşmeli diyot olarak çalışır. Varikap diyot uçlarına ters yönde gerilim uygulanır. Bu ters yöndeki gerilim, aradaki nötr (yalıtkan) bölgenin genişlemesine yol açar. Aradaki nötr (yalıtkan) bölgenin genişlemesi, diyot kapasitesinin azalmasına yol açar. Uygulanan ters gerilim azaltıldığında ise, aradaki nötr bölge daralır ve diyodun kapasitesi artar. Varikap diyotlar, günümüzde, radyo ve televizyonların kanal seçici devrelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 1.31 Varaktör diyot

1.9 Işık Yayan Diyot (LED) Işık yayayn diyot doğru polarma altında çalışır ve içinden 10 miliamper civarında akım geçtiğinde ışık yayar. Şekil 1.32 de LED’in sembolü ve yapısı görülmektedir. LED uçlarına doğru yönde polarma uygulandığında, P maddeseindeki oyuklar ve N maddesindeki elektronlar birleşim yüzeyine doğru hareket ederler ve burada oyuklarla elektronlar birleşir. Bu birleşme sırasında meydana gelen enerji , ışık olarak açığa çıkar. Bu ışığın gözle görülebilmesi için LED diyodun birleşme yüzeyine galyum arsenik maddesi katılmıştır.

+ - Anot Katot Işık E LED’ler devreye seri bir akım sınırlayıcı dirençle birlikte bağlanmalı ve geçen akım 10 miliamperle 30 miliamper arasında tutlmalıdır. 30 miliamperin üzerindeki akımlar LED’i bozabilir. LED çalışırken, üzerinde yaklaşık olarak 1.5 voltluk bir gerilim düşümü meydana gelir.

1.10 Foto Diyot Fotodiyotlar ışığa duyarlı devre elemanlarıdır. Fotodiyotlar, devrede ters polarma altında çalıştırılır, yani anoduna negatif, katoduna ise pozitif gerilim uygulanır. Normal diyotlarda, bu durumda akım geçmez. Fotodiyotlarda, birleşim yüzeyine ışık düştüğünde, azınlık taşıyıcılar büyük bir akım geçirmeye başlar. Bunun sebebi, PN birleşme yüzeyine düşen ışığın, bu bölgedeki elektron ve oyukları açığa çıkarmasıdır

Şekil 1.33 Foto diyot Fotodiyot sembolündeki, içe dönük oklar, birleşim yüzeyine düşen ışığı temsil etmektedirler. Daha şiddetli ışıkta, daha fazla elektron ve oyuk açığa çıkacağı için, fotodiyottan geçen akım da artar.

1.11 Şotki (SCHOTTKY) Diyot Normal diyotlar, alçak frekanslarda, uçlarına uygulanan geilimin yönü değiştiğinde, bu değişime uygun olarak hemen iletken veya yalıtkan duruma geçebilirler. Yüksek frekanslarda (özellikle 10 Megahertz ve daha üstü) diyot uçlarına gelen gerilimin yönü değiştiği halde, diyot bir durumdan ötekine hemen geçemeyebilir. Bu problemin önüne geçmek için şotki diyotlar geliştirilmiştir. Şekil 1.34 da, şotki diyot sembolü görülmektedir Şekil 1.34 Şotki diyot