1

2

3

4

5 İÇİNDEKİLER Yarı İletkenler ve Yarı İletken Teknolojisi… Madde……………………………………………………………………………………………………………………………..13 Atom………………………………………… İyon………………………………………… …16 Molekül……………………………… ……….18 Değerlik Elektron………… ………………….19 Kovalent Bağ……… …………………………22 İletkenler……… ………………………………25 Yalıtkan………… …………………………….28 Yarı İletkenler…… …………………………32 Atomlarda Enerji Seviyeleri ve Band Yapıları………………………… ……………..28 Saf Olmayan Germanyum ve Silisyum Kristal Yapısı……………………………………………….……………………43 N Tipi Malzeme Elde Edilişi……………………………………………………………………………………………….…..47 P Tipi Malzeme Elde Edilişi……………………………………………………………………………………….…………..49 Azınlık ve Çoğunluk Taşıyıcılar………………………………………………………………………………………………51 Yarı iletkenlerin Tarihsel Gelişimi…………………………………………………………………………………..………..52 Yarı iletkenlerin Kullanım Alanları………………………………………………………………………………...…………54 Diyot………………………………………………………………………………………………………………………..……..55 Led…………………………………………………………………………………………………………………………………58 Transistör……………………………………………………………………………………………………………..………….60 NPN Tıp Transistör…………………………………………………………………………………….……………………….63 PNP Tıp Transistör……………………………………………………………………………………….…………………….64 Nokta Temaslı Transistör…………………………………………………………………………………..…………………66 Yüzey Temaslı Transistör……… ………………………...66 Tek Eklemli Transistör………………………………………………………………………………………..……………….67 Alan Etkili Transistör…………………………………………………………………………………………………………..67 Foto Transistör………………………………………………………………………………………………………………… 68 Gaz sensörleri……………………………………………………………………………………………………………..…….69 İşlemciler ………………………………………………………………………………………………………………………...71 Güneş Pilleri………………………………………………………………………………………………………………….….73 Güneş Pillerinin Dünyadaki ve Türkiyedeki Önemi………………………………………………………..……………..77 Yarı İletkenlerin Yararları……………………………………………………………………………………………………...78 Türkiyede Yarı İletken Teknolojisi… Yarı İletkenler Konusunun İlköğretim Müfredatındaki Yeri………………………………………………………...……85

6 YARI İLETKENLER VE YARI İLETKEN TEKNOLOJİSİ

7 Elektroniğin temeli Adeta elektroniğin temeli olan yarıiletkenler elektronik için vazgeçilmez malzemelerdir. Yarıiletkenler günümüzde; elektronik endüstrisinde,bilimsel çalışmalarda,enerji üretiminde ve daha birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Eğer yarıiletkenler olmasaydı ben bu yazıyı bilgisayarda yazamazdım hatta bırakın bilgisayarı daha nice elektronik alet olmayacaktı.

8

9 PEKİ NEDEN YARI İLETKENLER ?

10 İletkenler her zaman tümüyle iletken, yalıtkanlarda her zaman tümüyle yalıtkan olmasından, yarıiletkenlerin ise, hem iletken hem de yalıtkan özellik gösteren malzeme elde etmek mümkün olmasından dolayı.

11 Yarıiletkenlere farklı katkı atomları ekleyerek, istenirse yük taşınımı elektronlarla veya deşiklerle (hole) iletmek mümkün olacağından (iletkenlerde ise bu işlem sadece elektronlarla yapılmaktadır). Bunun bir sonucu olarak: Diyot (iki uçlu) ve transistör (üç uçlu) gibi kontrol işlevli devre elemanları yapmanın mümkün olmasına olanak sağladığı için.

12 Elektroniğin temelini oluşturan yarıiletkenlerin detaylı izahından önce,daha iyi anlaşılması için; madde ve onun en küçük birimi olan atomları iyi anlamak gerekmektedir. Bu bağlamda öncelikli olarak atomik yapıya ilişkin temel bilgilere yer verilecektir.

13 MADDE Dünyada bilinen ve şu anda varlığı saptanabilmiş 116 element vardır.Bunların yaklaşık 90 kadarı doğada bulunurken, diğerleri laboratuar koşullarında üretilmişlerdir. Ve bütün elementler atomların birleşiminden oluşmuştur

14 ATOM Maddenin en küçük yapı birimi olan atom ise ortada bir çekirdek ve bunun etrafındaki değişik yörüngelerde hareket eden elektronlardan oluşmak - tadır.Elektronlar, negatif elektrik yüküne sahiptirler. Bir etkime yolu ile atomdan ayrılan elektronların bir devre içerisindeki hareketi, elektrik akımını oluşturur.Elektronların her madde içerisindeki hareketi aynı değildir.

15 Atomlarda çekirdeğe en yakın yörüngedeki elektronların enerji seviyeleri en düşüktür. Çekirdekten uzaklaştıkça enerji seviyeleri artar. Elementler içinde en basit yapıya sahip olan madde hidrojen atomudur.Bu atom ortada bir çekirdek ile onun etrafındaki yörüngede dönen bir elektrondan oluşmuştur.

16 İYON Elektriksel açıdan dengesiz haline atomun "iyon" denir.Dış etkilerle atomun son yörüngesinde bulunan elektronun biri alınırsa elektriksel denge bozularak atom, artı yüklü iyon durumuna geçer. Şayet dengedeki bir atomun son yörüngesine bir elektron girecek olursa atom eksi yüklü iyon durumuna geçer.

17 Ama atomlar, fazla olan elektronlarını verip nötr (yüksüz) hale geçmek isterler. Yani, üzerlerindeki fazla elektronları ilk fırsatta komşu bir atoma vermeye çalışırlar.

18 Bir kaç maddenin birleşiminden oluşmuş yeni maddenin en küçük parçacığına molekül denir. Örneğin, suyun oluşumu için 1 oksijen atomuyla 2 hidrojen atomu gerekir. Bakır sülfat molekülünde ise "1 bakır atomuyla, 1 kükürt atomu ve 4 oksijen atomu vardı.İşte bu birleşimlerin en küçük yapı taşı moleküldür. MOLEKÜL

19 Değerlik elektron Değerlik elektron ya da Valans elektron, bir atomun en dış kabuğunda (valans yörüngesi) bulunan elektronlara verilen isimdir. Valans elektronları bir elementin diğer elementler ile kimyasal olarak nasıl etkileştiğini kararlaştırması açısından önemlidir. Bir atomdaki daha az değerlik elektron sayısı atomu daha az kararlı ve etkileşime karşı daha fazla istekli yapar. Bunun tam tersi de aynı şekilde doğrudur, valans kabuğu valans elektronları ile dolu ise atomun aktivitesi düşüktür ve diğer kimyasal elementler veya kendi türünden kimyasal elementler ile yapılacak etkileşimler için daha az isteklidir.Örneğin; 5 elektronlu bir atomun elektron dizilişi 2,3'tür.Bu atomun değerlik elektron sayısı 3 olur.

20 Ancak,valans elektronları serbest hale geçirecek seviyeleri madde yapısına göre şöyle değişmektedir: İletkenler için düşük seviyeli enerji yeterlidir. Yarıiletkenlerde oldukça fazla enerji gereklidir. Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir.

21 Valans elektronlara enerji veren etkenler : 1)Elektriksel etki 2)Isı etkisi 3)Işık etkisi 4)Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi 5)Manyetik etki

22 Kovalent Bağ Maddelerin içinde bulunan atomların elektronları dizilirken kimyasal olarak 8’ li bağlarla birbirine bağlanırlar. Yani, kovalent yapının oluşması için "8 elektrona" gerek vardır. Ve bu işlem yarıiletken atomlarının son yörüngelerindeki elektronların karşılıklı kullanımıyla gerçekleşir.Yani silisyumun (ya da germanyumun) dört elektronu komşu silisyum atomlarının elektronlarını ortak olarak kullanır. Ortak kullanımdaki elektronlar hem kendi hem de komşu atom çevresinde döner.Buna "kovalent bağ" denir.

23 Kovalent bağ Valans elektronlar Silisyum ya da germanyum kristali ısıtılır veya elektrik akımının etkisine maruz bırakılırsa, kovalent bağların çekim kuvvetini yenen çok az sayıdaki elektron serbest hale geçer. Halbuki aynı uygulama iletkenlere yapılsa (örneğin bakır) sayılamayacak derecede çok sayıda elektron serbest hale geçer. Silisyum ya da germanyum kristali ısıtılır veya elektrik akımının etkisine maruz bırakılırsa, kovalent bağların çekim kuvvetini yenen çok az sayıdaki elektron serbest hale geçer. Halbuki aynı uygulama iletkenlere yapılsa (örneğin bakır) sayılamayacak derecede çok sayıda elektron serbest hale geçer.

24 Elektron hareketine göre maddeler üçe ayrılır: - İletkenler - Yalıtkanlar - Yarıiletkenler

25 İletkenler Bir atomun en dış yörüngesinde az sayıda (1-2-3) elekt- ron varsa, bu elektronları çekirdeğe bağlayan güç zayıftır.Örneğin bakır atomunun son yörüngesinde 1elektron vardır ve bu çekirdek tarafından kuvvetlice çekilmediğinden çok kolayca serbest hale geçebilir.

26 Bakırdan yapılmış bir iletkenin iki ucuna belli bir gerilim uygulanırsa, elektronlar pilin eksi (-) ucundan artı (+) ucuna doğru gitmeye başlar. İşte bu elektron hareketi,elektrik akımını oluşturur. Gerilim kaynağının artı ucu elektronları yakalarken, eksi ucu maddeye elektron verir. Burada gerilimi, bir çeşit elektron pompası olarak düşünebiliriz. Gerilimin büyüklüğü artarsa, elektronlar daha hızlı bir şekilde ilerlerler.Yani ortalama hızları artar.

27 Başka bir deyişle son yörüngesinde (valans bandı) elektron bulunduran maddeler az ya da çok elektrik akımını iletirler.En dış yörüngesinde 2 elektron bulunduran demir ve 3 elektron bulunduran alüminyumun iletkenlikleri bakıra göre azdır.Şekil 2.6'da bakırdan yapılmış iletkende serbest elektronlar, şekil 2.7'de bakır iletkende serbest elektronların hareketi, şekil 2.8'de bakır atomunun yapısı ve şekil 2.9'da bakır atomunun basit olarak gösterilişi verilmiştir.

28 Yalıtkanlar Gerilim uygulandığında iletkenliği çok alçak düzeyde olan malzemelere yalıtkan denir.Başka bir deyişle, elektrik akımını "iletmeyen" maddeler yalıtkandır.Atom yapısı açısından bakıldığında, son yörüngelerinde (valans bandı) elektron bulunduran tüm maddeler az ya da çok yalıtkandırlar.Yalıtkanla rda atomlar arası boşlukta serbest elektron bulunmaz. Elektronlar çekirdeklere sıkı bağlarla bağlıdırlar.

29 Yani, her atom nötr durumdadır. Bir yalıtkana "fazladan yüklenen şarj", yalıtkanın o bölgesinde statik olarak kalır.Yükler atomdan atoma iletilmediği için yalıtkan üzerinde başka bir bölgeye geçiş söz konusu değildir.Şekilde de görüldüğü gibi plastik, cam, kauçuk,mermer, kağıt, tahta gibi yalıtkanlık düzeyi yüksek olan maddelerin atomlarının son yörüngelerinde 8 adet elektron vardır. Yani bu atomlarda son yörünge elektron bakımından doymuş durumdadır. Dışarıya elektron verme ya da dışarıdan elektron alma çok zordur.

30 Akımı hiç geçirmeyen madde var mıdır? İyi bir yaIıtkan olarak kabul edilen polistirin'in 1 Cm3'ünde 6, adet serbest elektron bulunur. Fakat bu canlılar için zararı değildir. Yalıtkana uygulanan gerilim arttıkça geçirdiği akım da artmaya başlar. Belli bir gerilim seviyesinden sonra yalıtkan tamamen iletken olur. Buna “yalıtkanın delinmesi” denir. Her yalıtkanın delinmesine yol açan gerilim değeri ayrıdır. Aslında elektrik akımını hiç geçirmeyen madde yoktur. Yalıtkan olarak bilinen maddeler "çok az" bir akım geçirirler.

31 Elektrik ve elektronik çalışmalarında kullanılan el takımlarının sap izoleleri incelenecek olursa, burada yalıtkanın dayanabileceği son (maksimum) gerilim değeri yazılıdır. Örneğin penselerin sap izolesinde “ Volt” yazar.Bu, plastik yalıtkan Volt'tan sonra iletken hale geçebilir anlamı taşır.

32 YARI İLETKENLER Son yörüngelerinde (valans bandı) 4 elektron bulunduran maddelerdir.Yarı iletkenlerin direnci iletkenlerin direncinden yüksek,yalıtkanların direncinden düşüktür. Yani iletkenlik bakımından iletken ve yalıtkanlar arasında yer alırlar.

33

34 Yarı iletkenlerin 1 Cm3'ünün iki yüzü arasındaki direnç normal oda sıcaklığında 0,1-50 W arasındadır. Bu tip maddelerin dirençleri sıcaklık ile düzgün değişme göstermez. Yarı iletkenlerin bazıları "bileşik", bazıları "element"dir. Bileşiklere örnek olarak "çinko oksit" ile "bakır oksiti" verebiliriz. Elementlere örnek ise "germanyum" ve "silisyum (silikon) gösterilebilir.

35 Yarı iletkenler kristal yapıdadır. Yani atomları belirli bir sistemle sıralanmıştır. Bu yapı tekli kristal (mono kristal) ya da çoklu kristal (poli kristal) olabilmektedir. Silisyum (silikon) ve germanyum atomlarının son yörüngelerinde dörder elektron vardır. Germanyumun ve silisyumun saf kristalleri oldukça iyi bir yalıtkan olmalarına karşın atom yapılarına küçük miktarlarda arsenik, indiyum vb. ekleyerek iletkenlikleri önemli ölçüde değiştirilebilir.

36

37 Tablo Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri ADIKULLANIM YERİ Germanyum (Ge) (Basit eleman)Diyot, transistör, entegre, devre Silikon (Si) (Basit eleman)Diyot, transistör, entegre, devre Selenyum (Se) (Basit eleman)Diyot Bakır oksit (kuproksit) (CuO) (Bileşik eleman) Diyot Galliyum Arsenid (Ga As) (Bileşik eleman) Tünel diyot, laser, fotodiyot, led Indiyum Fosfur (In P) (Bileşik eleman) Diyot, transistör Kurşun Sülfür (Pb S) (Bileşik eleman) Güneş pili (Fotosel)

38 ATOMLARDA ENERJİ SEVİYELERİ VE BAND YAPILARI Bir maddeyi elektriksel bakımdan iletken hale getirebilmek için dışarıdan bir enerji uygulanması gerekir. Bu enerji miktarı üç ayrı enerji bandının oluşmasını sağlar. Bunlar, şekil 2.13'de görülebileceği gibi "iletkenlik bandı", "yasak bandı" ve "valans bandı"dır

39 Herhangi bir atomun valans bandındaki elektronların yörüngesinden koparak iletkenlik bandına geçmesi için, bu iki band arasındaki yasak bandı geçmesi gerekir. a- Yasak band: Elektron bakımından boş bulunan ve valans bandındaki elektronların iletkenlik bandına geçmesini zorlaştıran boşluğa denir. b- İletkenlik bandı: Valans bandından kopan ve akım taşıyabilecek durumda olan elektronların bulunduğu banddır. Maddeler, elektronlarının bu banda geçmesiyle iletken hale gelirler.

40

41 İletkenlerin "valans bandı enerji seviyesiyle" "iletkenlik bandı enerji seviyesi" aynıdır.Bu nedenle iletkenlerde küçük bir enerji uygulanmasıyla pek çok valans elektron serbest duruma geçebilmektedir. Başka bir anlatımla, iletkenlerde yasak band yok denecek kadar azdır. Bu sayede elektronlar kolaylıkla valans bandından iletkenlik bandına atlayabilirler.

42 Yarı iletkenlerin valans bandıyla iletkenlik bandı arasında belirli bir boşluk bandı vardır.Bundan dolayı yarı iletkenlerin iletkenlik oluşturabilmesi için, valans elektronlarına boşluk bandı kadar ek enerji uygulamak gereklidir. Yalıtkanlardaysa oldukça büyük bir boşluk bandı vardır. Bundan dolayı elektronları valans bandından iletkenlik bandına geçirebilmek için çok yüksek değerli enerjiye gerek vardır.

43 SAF OLMAYAN (KATKILI) GERMANYUM VE SiLiSYUMUN KRiSTAL YAPISI

44 a- P ve N tipi yarı iletken maddelerin oluşturulmasında kullanılan katkılama maddeleri P ve N tipi yarı iletkenler germanyum ya da silisyuma belli oranlarda yabancı madde katılmasıyla oluşturulmaktadır. Son yörüngesinde (valans yörünge) 3 elektron bulunduran maddeler kullanıldığında P tipi bir yarı iletken oluşurken, 5 elektron bulunduran maddeler kullanıldığında ise N tipi yarı iletken elde edilmektedir.

45 Son yörüngesinde üç valans elektronu bulunan maddeler: İndiyum,alüminyum, galyum,bor...

46 Son yörüngesinde beş valans elektronu bulunan maddeler: Arsenik, antimon, fosfor...

47 N tipi malzeme elde edilişi N tipi malzeme için monokristal yapıdaki malzemeye 5A grubu elementler katılır.5A grubu elementlerin 5 tane Valans elektronu vardır.4 elektron etraftaki silisyum veya germenyum atomuyla bağ yapar.Fakat 5 elektron sanki boştaymış gibi 5A grubu elementinin yörüngesinde kalır.Bu sayede N tipi malzemenin içinde çok kolay şekilde serbest hale geçebilecek elektronlar bulunur.Elektron fazlalığından dolayı Negatif yüke sahip olduğundan N tipi adı verilmiştir..

48 Aşağıdaki şekilde 5A grubu elementi olan Arseniğin Germenyuma katılmış hali gözükmektedir.N tipi malzemelerde elektrik akımı fazla gözüken elektron ile iletilir.

49 P tipi malzeme elde edilişi P tipi malzeme de ise katılan elementler 3A grubu elementleridir.Bu elementler de 4A grubu elementleriyle bağ yaptıklarında 7 elektrona sahip olurlar.Sanki bir elektron boşlukları varmış gibi davranırlar.P tipi malzemelerde ise elektrik akımı yani elektronlar bu boşluklardan geçerler.Yani bir atomun boşluğuna elektron bağlanır sonra komşu atoma geçer ve böylece elektron akışı sağlanmış olur.Akım sanki boşluklardan geçiyormuş gibi görülür. Bu yüzden P tipi malzemelerde akımı boşluklar taşır denir.Bu tür malzemelerin elektronu eksik olduğundan pozitif özellik gösterilir.P adı buradan gelmektedir.

50 Aşağıdaki sembolik yapıya benzer bir yapı vardır.

51 Azınlık ve Çoğunluk Taşıyıcılar : Silisyum ve germanyum maddeleri tamamıyla saf olarak elde edilememektedir. Yani maddenin içinde, son yörüngesinde 5 ve 3 elektron bulunduran atomlar mevcuttur. Bu da P tipi maddede elektron, N tipi maddede oyuk oluşmasına sebep olur. Fakat P tipi maddede istek dışı bulunan oyuk sayısı, istek dışı bulunan elektron sayısından fazladır. Aynı şekilde N tipi maddede de istek dışı bulunan elektron sayısı istek dışı bulunan oyuk sayısından fazladır. İşte bu fazla olan oyuk ve elektronlara "Çoğunluk Taşıyıcılar" az olan oyuk ve elektronlara da "Azınlık Taşıyıcılar" denir. Azınlık taşıyıcılar yarı iletkenli elektronik devre elementlerinde sızıntı akımına neden olur. İçeriğinde çok sayıda yarı iletkenli devre elemanı bulunduran entegrelerde fazladan gereksiz akım çekimine yol açar ve bu da elemanın ısınmasına, hatta zarar görmesine neden olur.

52 YARIİLETKENLERİN TARİHSEL GELİŞİMİ Yarıiletkenler; 1839 yılında Alexandre Edmound tarafından keşfedilmiştir.Alexandre Edmound aynı elektrolit içine batırılmış iki elektrottan biri üzerine ışık düşürmüş ve bunlar arasında bir potansiyel fark olduğunu gözlemlemiştir.1883,Farady gümüş sülfatın direncinin sıcaklıkla azaldığını tespit etmiştir.1920 de ise selenyum ve bakıroksit algılayıcıların kullanımı başlamıştır yılında yayınlanan redresör teorisi,yarıiletkenlerin teorik incelemesinde ilk adım olarak kabul edilmektedir. İkinci Dünya Savaşı ile birlikte güvenlik acısından radar gereksinimleri, yarıiletken diyotların gelişimlerine kapı aralamıştır.1958 yılında Amerika Birleşik Devletleri’nde nokta temaslı algılayıcılar geliştirilmiş ve böylece yarıiletkenlerdeki gelişmeler sonucunda transistör icat edilmiştir.Elektron lambalarının bütün işlerini yerine getiren transistörler ayrıca ek üstünlüklerine de sahiptir.Transistörler elektron lambalarına göre daha küçük boyutlu,hafif,mekanik etkilere karşı daha dayanıklı,daha uzun ömürlü ve verimi daha iyi olan aygıtlardır.Bu özellikleri ile transistörler elektronik sanayinde devrim olarak nitelendirilmektedir.

53 Günümüzde de yarıiletken teknolojisine olan ilgi her geçen gün artmaktadır.Yarıiletken teknolojisi aynı zamanda önemli bir ticari ürün konumuna gelmiştir.Birleşmiş Milletler Sanayi Kalkınma Örgütü’nün (UNIDO) verilerine göre,yarıiletkenler son yıllarda ihracatı en hızlı artan maddeler arasında ilk sırada yer almaktadır.Bununla bağlantılı olarak yarıiletkenleri kullanan ileri elektronik ve bilişim sektörü de daha hızlı gelişmektedir.

54 YARI İLETKENLERİN KULLANIM ALANLARI Yarı iletkenler aşağıdaki maddelerin yapımında kullanılmaktadır 1.Diyot 2.Led(Light Emitting Diode) 3.Transistörler 4.Gaz Sensörü 5.İşlemciler 6.Güneş Paneli

55 Diyot; yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır.Diyotta bir yönde geçen akım ihmal edilebilecek kadar küçük,diğer yöndeki direnç ise çok büyüktür. Yarı iletken diyotlar; P ve N tipi germanyum veya silisyum yarı iletken kristallerinin bir araya getirilmesiyle oluşur.Elektrik ve elektronikte kullanılmaktadır. Germanyum veya silisyum nokta temaslı diyot; 0,5 mm çapında ve 0,2 mm kalınlığındaki N tipi kristal parçacığı ile “fosfor-bronz ’’ veya “berilyum-bakır’’ bir telin temasını sağlamaktadır. DİYOT

56 Bu tür diyotta,N tipi kristale noktasal olarak büyük bir pozitif gerilim uygulanır.Pozitif gerilim; temas noktasındaki bir kısım kovalan bağı kırarak elektronları alır.Böylece çok küçük çapta bir P tipi kristal ve dolayısıyla da PN diyot oluşturulmuş olur. Nokta temaslı silikon diyotlar;mikro dalga karıştırıcısında,televizyon, video dedüksiyonunda kullanılmaktadır. Germanyum diyotlar ise; radyo frekans ölçü aletlerinde(voltmetre, dalgametre,rediktör vb…) kullanılır.

57 Gördüğümüz gibi diyotlar yarı iletken maddelerden yapılmaktadır.Televizyon,voltmetre vb. yerlerde kullanılmaktadır.

58 LED LED; yarı iletken, diyot temelli,ışık yayan bir elektronik devre elemanıdır. Başlangıçta yalnızca zayıf kırmızı ışık yaymaktaydılar ama günümüzde; Görünür ışık, Morötesi,Kızılötesi gibi çeşitli dalga boylarında ve yüksek parlaklıkta ışık verebilmektedirler. LED P-N jonksiyonlu bir elemandır ve dolayısıyla P-N jonksiyonuna ait özellikleri içermektedir. LED’lerin yapısında bulunan yarıiletken malzeme, LED’den yayılan ışının spektrumunu belirler.

59 LED P-N jonksiyonlu bir yarıiletken olup iletim yönünde kutuplandığı takdirde ışık yayacak şekilde tasarlanmıştır.Bir direnç uygulandığında P tipi yarı iletkendeki boşluklar ile N tipi yarı iletkendeki elektronlar P-N bileşiminde birleşirler.Elektronlar ve fotonlar birbirini tamamlayarak bir foton yayarlar. Bu ışık ; kırmızı, yeşil, sarı, ya da kızıl ötesi gibi çeşitli, renklerde olabilir. Normal diyotta da olduğu gibi LED’de de küçük değerde bir eşik gerilimi vardır.Bu eşik gerilimi aşıldığında jonksiyonun direnci düşer ve akım iletmeye başlar. LED’lerin devrelerde kullanımında bu akım bir dirençle sınırlandırılmalıdır. LED’in yaydığı ışık miktarı üzerinden geçen akıma bağlıdır. Bu akım doğru akım olabilir.

60 İki P-tipi yarıiletken madde arasına n-tipi yarıiletken;ya da iki N-tipi yarıiletken madde arasına bir P-tipi yarı iletken madde konularak oluşan iki eklemli ve üç bölgeli yarıiletken devre elemanına Transistör denir. İşlevsel tanım olarak transistör; akım yada gerilimdeki ufak değişimlerle daha büyük akım ya da gerilimleri kontrol eden yarıiletken devre elemanıdır. TRANSİSTÖR(GEÇİRGEÇ)

61 Transistörler yarıiletken teknolojisinin sıçrama noktası kabul edilmektedir. İnsan yaşamında çok zaman alan işlemler transistörler sayesinde daha pratik,kararlı,ucuz,hızlı ve küçük hacimli cihazlarla yapılmaya başlanmıştır. Transistörler;elektronik ve haberleşme alanındaki gelişmelerin yanında bilgisayar teknolojisine de büyük katkılar sağlamıştır.Ayrıca transistörlerin kuvvetlendirici,anahtarlama elemanı,değişken direnç,gerilim düzenleyicisi ve işaret algılayıcısı olarak geniş bir kullanım alanı vardır.

62 Transistörler yapısal olarak iki kısımda incelenmektedir:Bunlar; 1. NPN Tip Transistörler 2.PNP Tip Transistörler

63 NPN TİP TRANSİSTÖRLER NPN tip transistörler;iki tane n-tipi yarıiletkenin arasına bir tane zıt tipteki p-tipi yarıiletkenin ince bir tabaka halinde yerleştirilmesiyle oluşur.Arada bulunan bu katman;toplayıcı ve yayıcı katmanlar arasındaki elektron ve boşluk geçişini kontrol eder. Görüldüğü gibi NPN Tip Transistörler sırasıyla N,P ve N tipi yarıiletkenlerin birleşmesiyle oluşmuştur.Sandviçi andıran bir yapısı vardır. NPN transistördeki akım iletimi PNP transistöre göre daha hızlı olduğundan devrelerde daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

64 PNP TİPİ TRANSİSTÖRLER PNP tip transistörler;iki tane P-tipi yarıiletken arasına bir tane zıt özelliğe sahip N-tipi yarıiletken madde konularak oluşturulmuştur.Sırasıyla P,N ve P tip yarıiletkenlerin birleşmesiyle oluşur.Yapısı sandviçe benzemektedir. P-tipi yarıiletkenlerin arasında bulunan N-tipi yarıiletken madde toplayıcı ve yayıcı katmanlar arsındaki elektron ve boşluk geçişini kontrol etmektedir.

65 Transistörler işlevsel olarak 5 kısımda incelenmektedir.Bunlar; 1.Nokta Temaslı Transistör 2.Yüzey Temaslı Transistör 3.Tek Eklemli Transistör 4.Alan Etkili Transistör 5.Foto transistörler

66 NOKTA TEMASLI TRANSİSTÖR Yapılan ilk transistörlerdir.PNP tipi özellik gösterir.İki ayaklı kristal bir diyottan oluşmaktadır.Bu kristale taban, ayaklardan birine toplayıcı,diğerine yayıcı adı verilmiştir.Gücü miliwatt seviyesindedir ve alçak frekanslarda kullanılmaktadır. YÜZEY TEMASLI TRANSİSTÖR Aynı tipten iki bölge arasına diğer tipten ince bir tabaka yerleştirilerek oluşturulan transistörlerdir.Bu transistörler NPN yada PNP olacak şekilde üç kristal parça birbirine eklenerek oluşturulmuşlardır.Günümüzde bütün transistörlerin yapı taşı niteliğindedirler.

67 TEK EKLEMLİ TRANSİSTÖR Yapısında tek PN eklemi bulunduğu için “Tek Eklemli” olarak nitelendirilmektedir.Bu transistörler negatif direnç özelliği gösterirler. Kararlı karakteristik özelliktedirler.Askeri ve sivil endüstride kullanım alanı oldukça geniştir.Ayrıca;gecikmeli devrelerde,flaş devrelerinde,salıngaçlarda ve kontrol devrelerinde kullanılmaktadırlar. ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR Biri diğerinin üzerinde bulunan iki yarıiletken malzeme tabakasından oluşmuş bir devre elemanıdır.İki kısımda incelenir:Birleşim Yüzeyli Alan Etkili Transistör ve Metal Oksit Yarıiletken Alan Etkili Transistör.Birleşim yüzeyli; TV video,kesintisiz güç kaynağı verici,alıcı vb. hassas devrelerde kullanılır.Metal oksit yarıiletken alan etkili transistörler ise;bilgisayar teknolojilerinde ve entegre yapımında kullanılmaktadır.

68 FOTO TRANSİSTÖR Elektrik akımını ışık ile kontrol eden devre elemanıdır.Normal transistörden tek farkı;toplayıcı ile yayıcı arasından geçen akımı taban ile değil,taban ile toplayıcının birleşim yüzeyine düşen morötesi ışıkla kontrol ediyor olmasıdır.Foto transistör ile normal transistörün arka arkaya bağlanmasıyla bir çeşit çift foto transistör elde edilir.Bunlar ışığa karşı daha duyarlıdır. Foto transistörler; TV,video,müzik seti,klima gibi aletlerin uzaktan kumanda devrelerinde,gün ışığına duyarlı olarak çeşitli aygıtların ve alarm sistemlerinin çalıştırılmasında kullanılmaktadır.

69 GAZ SENSÖRLERİ Yarı iletken oksitler ortam gazlardaki k üçü k konsantrasyonlarda elektrik direncindeki değişimleri g ö stermek i ç in bulunmuştur. Ö rneğin n-tipi SnO2, ZnO,-Fe2O3,TiO2 ve Ag2O;genellikle n-tipi yarı iletkenler gaz sens ö r ü teknolojisinde kullanılır.Bu malzemelerin ç oğu su buharına karşı hassastır,bu y ü zden 350°C ve ü zeri sıcaklıklarda su buharı adsorbe miktarının ihmal edilebildiği derecelerde kullanılmalıdır. Adsorbsiyonun adsorbe edilmiş oksijenden iletim bandından veya donor dopant ’ dan elektron transferi ile pozitif bir alan oluşturur ve bunu karşılayacak negatif y ü k y ü zeyde toplanır.Elektrostatik alan,adsorbent y ü zey b ö lgesindeki y ü k transferi durana kadar aktive eder.

70 Prosesi kontrol eden elektrostatik kuvvetler y ü zeyde yaklaşık 1 m kalınlıkta b ö lgeye etki etmektedir.Bu seviyenin altında dağıtılan oksit i ç indeki elektronlar etkilenmezler.Red ü kleyici gazlar eğer adsorbe edilirse y ü zeylerindeki oksijenin bir kısmını geri verirler,kond ü ksiyona uygun olan elektronlar serbest bırakılır.Burada olay; ç evre atmosferinde ki azalan iyonları yerine koyarak oksijen ile birlikte dinamik dengenin sağlanması ve y ü zey b ö lgelerindeki elektron konsantrasyonunun red ü kleyici gaz konsantrasyonuna bağlı olmasıdır.

71 İŞLEMCİLER Mikroişlemciler, yarıiletken temelli tüm ürünler arasında en gelişmiş olanlarıdır, öyle ki her biri milyarlarca transistörden oluşmuş olup, işlevsellikleri hayret uyandırmaktadır. Bir işlemci elektriksel sinyalleri 0 ve 1 (ikili sistemle çalışan bilgisayarlarımız için anlamlı olan tek değerler) şeklinde alır ve verilen komuta göre bunları değiştirerek sonucu yine 0'lardan ve 1'lerden oluşan çıktılar halinde verir. Sinyal yollandığı zaman ilgili hatta bulunan voltaj o sinyalin değerini verir. Örneğin 3.3 voltla çalışan bir sistemde 3.3 voltluk bir sinyal 1, 0 voltluk bir sinyal de 0 değerini üretir.

72 İşlemciler aldıkları sinyallere göre karar verip çıktı oluştururlar. Karar verme işlemi her biri en az bir transistörden oluşan mantık kapılarında yapılır. Transistörler, girişlerine uygulanan akım kombinasyonlarına göre devreyi açıp kapayabilen ve bu sayede de elektronik bir anahtar görevi gören yarıiletken devre elemanlarıdır. Modern işlemcilerde bu transistörlerden milyonlarca tanesi aynı anda çalışarak çok karmaşık mantık hesaplarını yapabilirler. Mantık kapıları karar verirken (yani akımın geçip geçmeyeceğini belirlerken) Boolean Mantığı'nı kullanırlar.

73 Güneş pilleri yüzeylerine gelen,güneş ışınları aracılığı ile yenilenebilir güneş enerjisini doğrudan kullanılabilir elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken malzemelerdir.Başka bir deyişle;elektronik düzeneklerin içerisinde kullanılan ve çok küçük boyutlara sahip yarıiletken maddelerin, geniş yüzey alanlarına uygulanmış şeklidir. Güneş pilleri;silisyum(Si) başta olmak üzere galyum arsenik (GaAs),kadmiyum sülfür(CdS) ve kadmiyum tellür(CdTe) yarıiletken maddelerden yapılır.Yarıiletken maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n yada p tipi katkılanmaları gerekir. GÜNEŞ PİLLERİ (FOTOVOLVATİK PİL/ KOLEKTÖR

74 En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n-tipi silisyum elde etmek için,silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element eklenir. Örneğin fosfor eklediğimizde: silisyumun son yörüngesinde 4 fosforun son yörüngesinde 5 elektron olduğu için,fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya 1 elektron verir.Her bir milyon silikon atomuna 1 tane fosfor atomu atıldığı düşünülürse;fosfor atomu komşu silisyum atomlarıyla bağlandığında fosfor atomunun çekirdeği tarafından sadece bir elektron tutulur.Bu durumda bir milyon silisyum atomu birbirine bağlıdır.Böylece silisyum yarıiletken hal almıştır. P-tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiğine 3. gruptan alüminyum, bor,indiyum gibi bir element eklenir.

75 Güneş pillerindeki herhangi bir yarıiletkende n-tipi ve p-tipi bölgeler oluşur. Burada güneş pili;elektronları n-tipi bölgesine,boşlukları da p-tipi bölgesine iten bir pompa gibi çalışır.Yani başlangıçta nötr olan bölgeler negatif,p-tipi bölgeler ise pozitif yüklenmiş olur.Yarı iletkenin iki ucu bir dış devreye bağlandığında, bu yükler akarak elektrik akımını oluşturur.Elde edilen akım doğru akımdır ve fotoakım olarak adlandırılır.Fotoakım,güneş ışınları pil üzerine düştüğü sürece akmaya devam eder. Son yıllarda gelişen teknoloji ile birlikte güneş pillerinin uygulama alanları Artmakta ve kullanımları yaygınlaşmaktadır.Bu teknolojilerde hedef ;en düşük Maliyetle en yüksek verimin sağlanmasıdır.

76 Güneş pilleri üretimde kullanılan kristalin cinsine göre;P-N Birleşimli Güneş Pilleri,p-n Birleşimli Güneş Pilleri ve Amorf Silisyum Güneş Pilleri olmak üzere 3 kısımda incelenir.

77 Dünya genelinde kurulu bulunan düzlemsel güneş pillerinin alanı 100 milyon m2, Türkiye de ise bu oran 12 milyon m2 dolaylarındadır.En fazla güneş pili bulunan ülkeler;ABD,Japonya,Türkiye,Avustralya,İsrail ve Yunanistan’dır.Türkiye’de güneş pilinden yıllık enerji üretim hacmİ 750 bin m2 dir. Güneş pilleri Türkiye de özellikle sıcak su arıtma sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.Akdeniz ve ege bölgelerinde kullanılmakta olan bu sistemlerden yılda yaklaşık 290 bin ton eşdeğer petrol ısı enerjisi üretilmektedir. GÜNEŞ PİLLERİNİN DÜNYADAKİ VE TÜRKİYE’DEKİ ÖNEMİ GÜNEŞ PİLLERİNİN DÜNYADAKİ VE TÜRKİYE’DEKİ ÖNEMİ

78 YARI İLETKENLERİN YARARLARI Günümüzde; Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmemizi sağlayan güneş panellerinin yapımında yarı iletkenlerden faydalanılmaktadır. Radyo televizyon bilgisayar vb. birçok teknolojik araç gereci kullanabiliyorsak bu yarı iletkenler sayesindedir. Yarı iletken maddelerden yapılan yapılan mikro işlemciler bilgisayarda çok hızlı işlem yapabilmemizi sağlamaktadır. Günümüzde gelişmekte olan nanoteknolojide yarı iletken maddelerden yararlanılmaktadır. Uzaktan kumanda ile TV,müzik çalar,Klima vb. birçok aygıtı çalıştırabiliyorsak yarıiletken maddeler saysindedir.

79 Türkiye’de Yarıiletken Teknolojisi

80 Türkiye'nin yeni gözdesi ‘yarı iletken' teknoloji Türkiye, geleceğin en önemli teknolojileri arasında gösterilen "yarı iletken" teknolojisinde geldiği aşamayla göz dolduruyor. Dedektör, lazer, gaz analiz sensörleri, termal kameralar, gece görüş sistemleri gibi hassas cihazların yapımında ihtiyaç duyulan yarı iletken malzemeler, Gazi Üniversitesi (GÜ) bünyesindeki "Yarı İletken Teknolojisi İleri Araştırma Laboratuvarında üretiliyor.Üniversitede 3 yıl önce faaliyete geçen laboratuvar, özellikle nano teknolojide kullanılan malzemelerin üretilmesi konusunda Türkiye’yi benzer laboratuvar örneklerinde ön sıraya taşıdı. Devlet Planlama Teşkilatı (DPT) desteğiyle kurulan laboratuvar, dedektör, lazer, gaz analiz sensörleri, termal kameralar, gece görüş sistemleri gibi cihazların yapımında kullanılan yarı iletken malzemelerin üretilmesi konusunda Türkiye’nin kendine yeten bir ülke olması için başladığı 3 yıllık çalışma sonucunda hedeflediği noktaya ulaştı. Böylece Türkiye, bilim ve teknolojideki strateji hedefleri arasında yer alan yarı iletken nano yapıların geliştirilme hedeflerini beklentilerden daha önce yakaladı. Laboratuvardaki teknik donanımın dünyadaki benzerlerinden hiçbir farkının olmaması, bu alanda çalışan beyinlerin yurt dışına göçünü engellerken, ilgili alanda lisans üstü eğitim için de yurt dışına öğrenci gönderme ihtiyacını önemli ölçüde azalttı.

81 Ortak projeler GÜ Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü Başkanı Prof. Dr. Süleyman Özçelik, Türkiye’nin bilim ve teknolojideki önceliklerinde yarı iletken teknolojisi ile nanoteknolojinin ilk sıralarda yer aldığını söyledi. Özçelik, laboratuvarın 2001 yılında sivil ve askeri amaçlar içingeliştirilecek elektro-optik cihazların temel malzemesi olan yarı iletken malzemelerin epitaksiyel olarak üretilmesi ve bu alanda yetenekli araştırmacıların yetiştirilmesi amacıyla DPT desteğiyle kurulduğunu belirtti. Laboratuvarlarında yıllar boyu oluşan birikimlerle çeşitli algılamasistemlerinin geliştirildiğini kaydeden Özçelik, savunma sanayinin ihtiyaçlarına yönelik Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi, ODTÜ ve ASELSAN birlikteliği ile yürütülen projelerde de yer aldıklarını kaydetti.

82 Cep telefonlarından trafik lambalarına ….. Yarı iletken malzemelerin savunma sistemlerinden, cep telefonuna, uydu sistemlerinden, bilgisayar teknolojisine kadar pek çok uygulama alanı olduğuna dikkati çeken Özçelik, "Yarı iletken teknolojisi bugün olduğu gibi geleceğin de en önemli teknolojilerinden biri. Otomobillerin panel aydınlatmaları, cep telefonlarındaki aydınlatma, trafik ışıkları gibi aydınlatma ve işaretleme artık yarı iletken diyotlarla sağlanıyor" diye konuştu. Yarı iletken algılama sistemlerinin yangınlarda gaz analizinde, sağlıkta hızlı ve doğru sıcaklık ölçümlerinde, vücut sıvısı analizlerinde ve çeşitli hastalıkların teşhisinde kullanıldığını belirten Özçelik, "Teknoloji, askeri alanda da hedef belirleme ve gece görüş sistemleri gibi pek çok yerde uygulama alanı bulmaktadır" dedi. Yarı iletken dedektör teknolojisinden sivil alanların yanı sıra savunma, havacılık ve uzay teknolojisinin ve bağımsız savunma sistemlerinin gelişmesine katkısının büyük olduğunu anlatan Özçelik, Türkiye’de bu alanda yapılan sınırlı sayıdaki araştırma ve üretim faaliyetlerinin artırılmasının yapılacak ve desteklenecek Ar-Ge çalışmalarına bağlı olduğunu söyledi.

83 Hedef: Milli Teknoloji Yarı iletken ileri araştırma laboratuvarlarında son teknoloji ile üretilen malzemelerin son üç yıldır yapılan çalışmalar neticesinde dedektör, lazer algılama ve görüntüleme sistemlerinde kullanılır hale geldiğini ifade eden Özçelik, "Laboratuvar, hem yarı iletken malzemeyi yüksek kalitede üretebilecek hem de onun her türlü analizini yapabilecek alt yapıya sahip. Bu yönüyle Türkiye’nin en bütünleşik laboratuvarlarından biri.Türkiye, yarı iletken malzemeler teknolojisinde kendine yeten bir ülke olma yolunda hızla ilerliyor" diye konuştu. Hazırladıkları yeni bir proje hakkında da bilgiler veren Özçelik, şunları kaydetti: "Hedefimiz yarı iletken lazer ve dedektör cihaz prototiplerinin geliştirilmesi. Bu tür projelerle ilgili alanda milli teknolojimizin geliştirilmesine katkı sağlanmakta, dışa bağımlılığımızı azaltabilecek adımlar atılmakta ve bu alanda özgüven kazanılmasına katkı sağlanabilmektedir."

84 Laboratuvar bütün araştırmacılara açık!! İleri teknolojilerin sermayeden çok nitelikli insan gücü gerektirdiğine dikkati çeken Özçelik, yarı iletken teknolojisinde 15 öğretim üyesinin rehberliğinde çok sayıda yüksek lisans ve doktora öğrencisini yetiştirdiklerini anlattı. Özçelik, şunları kaydetti: "Araştırmacı ve akademisyen yetiştirmenin yanı sıra sektörlerin Ar-Ge birimlerinin de ihtiyaçlarını karşılamayı amaçlamaktayız.Bu ve benzeri merkezler sayesinde yarı iletken teknolojileri alanında lisansüstü öğrenci yetiştirmek amacıyla yurt dışına öğrenci gönderme ihtiyacı da azalacaktır. Yarı iletken teknolojisi alanında kendisini yetiştirmek isteyen üniversite mezunlarının genç fizikçi ve elektronik mühendislerinin yüksek lisans ve doktoralarını birimimizde yapmaları mümkündür. Laboratuvar, yurt dışında bu alanda çalışan ancak yeterli alt yapı olmadığından Türkiye’ye dönemeyen bilim insanlarının da çalışabileceği bir kapı olmuştur. Bu rolü ile bu teknolojik merkez, beyin göçünü tersine çevirme yönünde katkı sağlamaktadır." Alt yapısı yeterli olmayan üniversitelerin bilim insanlarının da laboratuvarlarından yararlandığını kaydeden Özçelik, bütün araştırmacıları laboratuvardan yararlanmaya davet etti.

85 İlköğretimin ikinci kademesinde 8.sınıfta Yaşamımızdaki Elektrik ünitesinde Yarıiletkenler konusuna yer verilmektedir.Bu konu ile ilgili kazanımlar şöyledir: 1. İletken,yalıtkan ve yarıiletken maddenin ne demek olduğunu bilir. 2. Yarıiletken teknolojisinin temelini Germanyum ve Silisyum elementlerinin oluşturduğunu öğrenir. 3.Yarıiletkenlerin teknolojik gelişmedeki önemini anlar 4.Günümüzde yaygın olarak kullanılan aygıtların yapımında yarıiletkenlerden yararlanıldığının farkına varır YARIİLETKENLER KONUSUNUN İLKÖĞRETİM MÜFREDATINDAKİ YERİ İLKÖĞRETİM MÜFREDATINDAKİ YERİ

86 Konuyla İlgili Sorular 1)Yarıiletkenleri elektronik teknolojisinde bu kadar önemli yapan özellikleri nelerdir? 2) N tipi malzeme nasıl elde edilir? 3)Transistör çeşitleri nelerdir?

87 Cevaplar 1)Aynı malzemeden hem iletken hem de yalıtkan özellik gösteren malzeme elde etmek mümkün kılması. Ayrıca yarıiletkenlere farklı katkı atomları ekleyerek istenirse yük taşınımını elektronlarla veya deşiklerle (hole) iletmek mümkün (iletkenlerde sadece elektronlarla yapılmaktadır).Bunların sonucu olarak ta elektronik için çok gerekli olan kontrol işlevli devre elemanları(diyot,transistör vb) yapılabilmektedir. 2) N tipi malzeme için monokristal yapıdaki malzemeye 5A grubu elementler katılır.5A grubu elementlerin 5 tane Valans elektronu vardır.4 elektron etraftaki silisyum veya germenyum atomuyla bağ yapar.Fakat 5 elektron sanki boştaymış gibi 5A grubu elementinin yörüngesinde kalır.Bu sayede N tipi malzemenin içinde çok kolay şekilde serbest hale geçebilecek elektronlar bulunur.Elektron fazlalığından dolayı Negatif yüke sahip olduğundan N tipi adı verilmiştir.Aşağıdaki şekilde 5A grubu elementi olan Arseniğin Germenyuma katılmış hali gözükmektedir. N tipi malzemelerde elektrik akımı fazla gözüken elektron ile iletilir.

88 3) Transist ö rler yapısal olarak iki kısımda incelenmektedir: Bunlar: 1.NPN Tip Transist ö r 2.PNP Tip Transist ö rler Transist ö rler işlevsel olarak 5 kısımda incelenmektedir. Bunlar; 1.Nokta Temaslı Transist ö r 2.Y ü zey Temaslı Transist ö r 3.Tek Eklemli Transist ö r 4.Alan Etkili Transist ö r 5.Foto transist ö rler

89 KAYNAKÇA n_ve_yari_iletkenler.htmhttp:// n_ve_yari_iletkenler.htm %C4%B0LETKENLER-VE-KULLANIM-ALANLARIhttp:// %C4%B0LETKENLER-VE-KULLANIM-ALANLARI gozdesi-yari-iletken-teknoloji.htmlhttp:// gozdesi-yari-iletken-teknoloji.html Fizikte Özel Konular-Mehmet Fatih TAŞAR- Fen ve Teknoloji Öğretmen Kılavuz Kitabı 8. Sınıf