Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi Bölüm VIII: Diyotlar

Enerji-Band Diyagramları

Yarıiletkenlerde Kristal Yapı Silikon ve germanyum atomlarının valans yörüngelerinde yer alan elektronlar arasında kovalent bağ yapısı vardır. Saf halde bu bağ yapısı bozulmaz ve bu yarıiletken malzemeler yalıtkan durumdadır.

Saf bir silikon kristali için enerji-band diyagramı Saf bir silikon kristali için enerji-band diyagramı. Görüldüğü gibi iletim bandında elektron yoktur.

N-tipi ve P-tipi Yarıiletkenler N- ve P-tipi malzemelerin oluşturulma işlemi katkılama olarak adlandırılır. N-tipi yarıiletken oluşturmak için Silikon yapıya Antimon gibi 5 valans elektronlu katkılama atomları katılır. P-tipi yarıiletken oluşturmak için Silikon yapıya Bor gibi 3 valans elektronlu katkılama atomları katılır. N-tipi P-Tipi

N-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron vererek pozitif yüklenen katkılama atomları “Donör İyonları” olarak tanımlanır. Bu yapıda çoğunluk akım taşıyıcıları elektronlar, azınlık akım taşıyıcıları ise oyuklardır. P-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron alan katkılama atomları “Akseptör İyonları” olarak tanımlanır. Bu yapıda çoğunluk akım taşıyıcıları oyuklar, azınlık akım taşıyıcıları ise elektronlardır.

p-n Jonksiyonu Jonksiyon bölgesinde elektron-oyuk birleşmesi meydana gelerek burada iyonize atomlardan oluşan fakirleşmiş bölge ve bariyer potansiyeli oluşur. 7

pn-jonksiyonu enerji-band diyagramları

Diyot Çalışma Şartları İleri Yön Kutuplama İleri yön kutuplama, pn-jonksiyonundaki fakirleşmiş bölgenin daralmasına yol açacaktır. Elektronlar ve oyuklar kaynak kutupları tarafından jonksiyona doğru itilirler. Elektronlar ve oyuklar jonksiyon bölgesini geçecek kadar enerjiye sahip olurlar ve jonksiyondan akım akışı başlar. 9

Diyot Çalışma Şartları Ters Yön Kutuplama Ters yönlü bir kutuplama durumunda diyot pn-jonksiyon yapısındaki fakirleşmiş bölge genişler ve yapıda ters yönlü küçük bir sızıntı akımı dışında akım akmaz. n-tipi malzemedeki elektronlar kaynağın pozitif kutbu tarafından çekilir. p-tipi malzemedeki oyuklar ise kaynağın negatif kutbu tarafından çekilirler. 10

Diyot Karakteristikleri Diyot akımı: Si→VD 0,7V Ge→VD 0, 3V η: sabit VT = k * T → Kelvin (300OK) boltzman sabiti = 8,62.10-5 eV/oK 12

Zener Bölgesi Zener bölgesi, diyodun ters yöndeki bölgesindedir. Bu noktada uygulanan ters yön geriliminin etkisiyle azınlık taşıyıcıların hareketliliği artıp, diğer atomlara çarparak yeni taşıyıcıların açığa çıkmasına sebep olur. Bu etki “çığ etkisi” olarak tanımlanır. Bu noktadan sonra diyot ters yönlü olarak da akım geçirmeye başlar. Bu maksimum ters yönlü gerilim “kırılma gerilimi” olarak tanımlanır. 13

Sıcaklık Etkileri Sıcaklık artışı diyot yapısına ilave enerji katar. Bu ilave enerji kazanımı ileri yön iletimi için gerekli olan ileri yön gerilimini düşürürken (-2.5mV/ oC), ters yöndeki sızıntı akımında artışa (her 10 oC’lik ısı artışı sızıntı akımında 2 katlık bir artışa yol açar) neden olur. Germenyum diyotlar, ısı değişimlerine Silikon diyotlara daha hassastırlar. 17

DC – Statik Direnç Uygulanan belirli bir DC gerilim VD ve belirli bir ID akım değerleri için tanımlanan direnç DC dirençtir. 19

AC – Dinamik Direnç İleri yön kutuplama bölgesinde tanımlanan AC direnç: Bu direnç (ID) akımına bağlıdır. rB 0.1 - 2 aralığında olup, genelde ihmal edilir. Ters yön kutuplama bölgesinde tanımlanan AC direnç: 20

Ortalama AC Direnç AC direnç karakteristik eğri üzerinde iki nokta seçilerek belirlenebilir. 21

Yarım Dalga Doğrultma Diyot sadece ileri yönde öngerilimlendiğinde iletime geçeceği için girişte uygulanan AC işaretin sadece yarım alternansı çıkışa iletilecektir. DC çıkış gerilimi 0.318Vm ,dir. Vm = AC işaretin tepe değeridir. 24

Tam Dalga Doğrultma Doğrultma işlemi, bir tam dalga doğrultma devresinde daha fazla diyot kullanılması ile iyileştirilebilir. Tam dalga doğrultma işleminde daha büyük DC çıkış gerilimi elde edilir. Yarım dalga: Vdc = 0.318Vm Tam dalga: Vdc = 0.636Vm 25

Tam Dalga Doğrultma Köprü Tipi Doğrultucu Dört diyot gereklidir. VDC = 0.636 Vm 26