Yarıiletken Fiziği Tuba Kıyan

Kitap Önerileri Semiconductor Physics and Devices, Donald Neaman Physics of Semiconductor Devices, S.M. Sze

Bölüm I YarIİletkenler VE TÜMLEŞİK DEVRELER

Tarihçe 1900’lü yıllarda atom ve atom altı düzeyde bilgi çok sınırlıydı. Hala klasik Newton fiziği yeni ve modern bir fizik oluşturulmadığı için geçerliliğini koruyordu. Ama Röntgen’in X-ray ışınlarını, Thomson’ın elektronu ve Rutherford’un atom çekirdeğinin varlığını kanıtlaması ile birlikte klasik Newton fiziğinin yetersizliği kanıtlandı. Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger ve daha bir çok bilim adamı kuantum fiziği yasasını oluşturdu. Kuantum fiziği de katı hal fiziğinin gelişmesini sağladı.

Tarihçe Transistör + Tümleşik devre Bilgisayar + İnternet Bilişim Çağı

Transistörün Evrimi İlk transistör (1947) Bell Laboratuvarları Modern transistör

iPhone 4 İlk tümleşik devre 1958 yılında yapıldı. Seri üretime geçildi.

Transistör Nedir? Girişine uygulanan sinyali kuvvetlendirerek gerilim ve akım kazancı sağlayan, gerektiğinde anahtarlama elemanı olarak kullanılan yarı iletken bir elektronik devre elemanıdır.  Tümleşik devrelerin ana devre elemanıdır. Si, Ge, GaAs gibi yarıiletken elementlerden yapılır. Transistörlerin elektriksel çalışma mantığını anlayabilmek için yarıiletken fiziğini anlamak lazım.

Yarıiletkenler Neden Yarıiletkenler? “iletkenlik”, bir maddenin elektriği iletme kabiliyetine denir. σAl=3.5x1015 1/Ω.cm σSi=4x10-6 1/Ω.cm σAl > σSi > σSiO2 σSiO2 < 10-16 1/Ω.cm Neden Yarıiletkenler? Yarıiletkenleri metallerle katkılayarak iletkenliğini kontrol edebiliriz. σkatkılı Si=4x10-3 1/Ω.cm

Peryodik Cetvel

%98 %2 LEDler, mikrodalga (hızlı) transistörleri Güneş pilleri Yarıiletken Devreler IV. Grup : Si, Ge Saf Yİ Bileşik Yİ GaAs, AlP, AlAs, GaP, InP III-V Yİ CdS, CdTe II-VI Yİ %98 %2 LEDler, mikrodalga (hızlı) transistörleri Güneş pilleri

Neden Si? Doğada Si’dan daha bol bir şey yoktur. Denizdeki ve çöldeki kumlar SiO2‘dir. Fakat çip üretiminde kullanılmak üzere saf Si haline getirilmesi gerekir. Ayrıca elektriksel özelliklerini kaybetmeden çok yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılabilir. Amorf Polikristal Monokristal

Silisyum Valans kabuğu Valans elektronu Silisyumun atom numarası : 14 Her kabuk bir enerji düzeyini gösterir. En içteki kabuk en düşük enerjili seviyedir. Valans kabuğu Valans elektronu

Ek Bilgi: Enerji Seviyeleri Bir elektronun bir enerji seviyesinden bir üst enerji seviyesine atlayabilmesi için gerekli enerjiyi (E2-E1) kazanması gerekir. Fakat doğadaki her sistem toplam enerjisini ısıl dengede minimuma ulaştırmaya çalışır. Bu yüzden elektron aldığı kadar enerjiyi ortama geri vererek (örneğin ışık yayarak) orijinal kabuğuna geri döner. Bir elektron yeterli enerjiye sahip olduğunda yalnızca bir enerji seviyesinden bir üst enerji seviyesine atlayabilir. Seviyeler arası yasaklı bölgelerdir.

Kristal Yapı Bir kristalin elektriksel özellikleri yalnız kimyasal niteliklerine değil atomlarının katı içindeki diziliş biçimlerine de bağlıdır. Atomları bir arada tutan bağa kimyasal bağa denir. Kararlı yapı; bileşiğin toplam enerjisi ayrı ayrı atomların toplam enerjisinden daha küçük olduğunda meydana gelir. Çünkü doğadaki her sistem minimum bir enerjiye ulaşmaya çalışır. Kimyasal Bağ İyonik Bağ Kovalent Bağ Metalik Bağlar Van der Waals Bağları Hidrojen Bağları

Kovalent Bağ Bir veya daha fazla sayıda çift elektron iki atom tarafından paylaşılır. İyonlaşma değil elektron paylaşımı söz konusu. 4. Grup elementleri de kovalent bağ oluştururlar. 4 tane valans elektronları vardır ve valans kabuklarını tamamlamak için 4 elektrona daha ihtiyaç duymaktadırlar. Her si atomu 4 si atomu ile kovalent bağ oluşturur. Hidrojenle Si arasındaki temel fark H2 molekülü oluştuğunda başka kovalent bağ oluşturacak ekstra elektronları yoktur. Fakat silisyumun her zaman ekstra elektronları mevcuttur. Bu yüzden de si üç boyutlu düzlemde tetrahedral yapı ve elmas kafes yapısını oluşturur.

Kafes Yapıları Basit kübik (P vb.) Hacim merkezli kübik (Na, W vb.) Yüzey merkezli kübik (Al, Au vb.)

Kafes Yapıları (II) 2 1 2 3 1 a 4 a/2 a/4 3 4 Elmas (C, Si, Ge vb.) 3 4 a/2 3 a 4 a/4 Bir atomun kendisine en yakın dört atomla birlikte oluşturduğu düzgün tetrahedral yapının tekrarlanması ile monokrristal yapı oluşur. Elmas (C, Si, Ge vb.) Tetrahedral yapı

Kafes Yapıları (III) Çinkoblend (GaAs, GaP vb.) Kristal a [Angstrom] C 3,56 Si 5,43 Ge 5,66 GaAs 5,65 Ga As Çinkoblend (GaAs, GaP vb.)

Kristal Düzlemleri ve Miller İndisleri

BÖLÜM II Quantum Mekanİğİne Gİrİş