YARIİLETKEN ELEKTRONİK ELEMANLAR. p-n eklemini oluşturan n ve p tipi yarıiletken bölgelere elektrotlar bağlanarak oluşturulan iki elektrotlu yarıiletken.

... konulu sunumlar: "YARIİLETKEN ELEKTRONİK ELEMANLAR. p-n eklemini oluşturan n ve p tipi yarıiletken bölgelere elektrotlar bağlanarak oluşturulan iki elektrotlu yarıiletken."— Sunum transkripti:

1 YARIİLETKEN ELEKTRONİK ELEMANLAR

2 p-n eklemini oluşturan n ve p tipi yarıiletken bölgelere elektrotlar bağlanarak oluşturulan iki elektrotlu yarıiletken yapıya diyot denir. Diyot devre elemanın sembolü Şekil 2.1’de gösterilmiştir. Şekilde anot p-tipi ve katot ise n-tipi yarıiletken bölgeye bağlanmıştır. Diyot iletim yönünde kutuplandığı zaman anot katoda göre pozitif olacaktır. Tıkama durumunda ise tersi olacaktır. İletim yönünde akan akım, gerilimle birlikte eklemin kesitine de bağlıdır. P-n eklemi (diyot) bu özelliği ile akımı tek yönde (iletim yönünde) ileten bir yapıdır. Ters yönde ise açık devre olan bir elemandır. Anot Şekil 2.1. Diyotun sembolü 1- DİYOTLAR (P-N EKLEMLİ DİYOTLAR)

3 Diyot (p-n eklemi) yukarıda da açıklandığı gibi iletim ya da tıkama yönünde kutuplanabilir. Diyottan akan akım büyük değerlere çıkmadığı zaman diyota uygulanan gerilimle (V) akım (I) arasında aşağıdaki bağıntı vardır ve bu bağıntı diyot denklemi olarak adlandırılır. Burada I o diyotun doyma akımı, V T ısıl gerilim olarak adlandırılır. Isıl gerilim sıcaklığa bağlı olan bir büyüklüktür ve şu eşitlikle verilir: Bu bağıntıda T, Kelvin cinsinden sıcaklık olup k değeri, 1.38x10 -23 J/K olan Boltzman sabitidir. q ise elektron yüküdür (1.6x10 -19 C). Diyot denklemi iletim ve tıkama yönünde kutuplama için geçerlidir. Tıkama yönünde gerilim uygulanınca V gerilimi negatif olacaktır. V T <<|V| olduğundan üstel terim 1’e göre çok küçük olur ve tıkama yönü akımı yaklaşık I o olacaktır yani diyot denklemi I=I o olacaktır. İletim yönünde ise V/V T oranı 1’den çok büyük olduğundan bu durumda iletim yönü akımı yaklaşık olacaktır.

4 Diyotun iletim veya tıkama durumundaki tepkesini gösteren gerilim ve akım eğrisi -diyot denkleminden faydalanarak- Şekil 2.2’de gösteriliyor. İletim yönünde V γ eşik gerilimine (daha önce bahsedilen p-n eklemindeki temas gerilimi) kadar akım akmadığı görülmektedir, işte bu akım eşik akımı (threshold current) olarak adlandırılır. Diyotun Gerilim-Akım Eğrisi Gerilim, V γ değerine ulaştığında (Si diyot için 0.6-0.7 V) diyot akımı algılanabilir değerleri almaya başlar ve diyot denklemine uygun olarak üstel bir şekilde artar. Diyotun uçları arasındaki gerilim, akım çok büyük değerlere çıkmadığı zaman büyük ölçüde değişmeyecektir. Şekil 2.2

5 Tıkama yönünde diyot denkleminin I=I o ’a dönüştüğünü söylemiştik. Bu durum Şekil 2.2’de tıkama yönünde gösteriliyor. Şekilde gösterilen belverme gerilimini şu şekilde izah edebiliriz: Diyotu tıkama yönünde kutupladığımızda anot negatif, katot ise pozitif olacak şekilde bir V gerilimi uygulanacaktır (tıkama yönünde kutuplanmış p-n eklemi). Tıkama yönünde V geriliminin değeri artırılırsa eklemde oluşan elektriksel alanın şiddeti de büyüyecektir. Geçiş bölgesi genişliği 1  m mertebesindedir. Bu nedenle V gerilimi çok büyük değerleri almadığı zaman bile elektriksel alan şiddeti büyük değerlere çıkabilecektir (E=V/d). Sonuçta artan elektrik alanı geçiş bölgesi içinde taşıyıcıların hızı artar ve hızları artan bu taşıyıcılar kinetik enerjilerini kovalent bağ oluşturan elektronlara aktarırlar. Bunun sonucunda bağlardan ayrılan elektronlar hızlanarak başka valans bandlarına çarparlar ve elektron koparırlar. Böylece geçiş bölgesi içinde zincirleme olarak taşıyıcı yük sayısı artar. Bu olaya çığ veya zener olayı denir ve diyot (p-n eklemi) tıkama yönünde kutuplanmasına karşın akım, çok büyük değerlere çıkabilir (gerilim çok az değiştiği halde). Akımın çok yüksek değerlere çıkmasına diyotun belvermesi (breakdown) ve bu gerilim değerine de belverme gerilimi (V BR ) denir.

6 Sonuç olarak, diyot doğru polarmada küçük dirençli bir devre elemanı, ters polarmada ise büyük dirençli bir devre elemanı niteliği gösterir ve akımın tek yönde akmasını sağlamaktadır. Doğru yön akımı ve ters yön gerilimi, sınır değerlerin üzerine çıkarsa diyot yanar. Tablo 2.1. Farklı türdeki diyotlar için karakteristik değerler Diyotlar arasında bir kıyaslama yapabilmek için Tablo 2.1’de bazı diyotların karakteristik değerleri verilmiştir:

7 ÖDEV: Bir diyot 25 o C sıcaklık için eşitliği ile modellenmektedir. a) Bu diyota seri 25 Ω’luk (I = 0 : 1 : 30 mA alınız) ve b) Paralel 25 Ω’luk direnç bağlanması durumunda (V = 0 : 0.1 : 0.5 Volt alınız) Her iki devrenin ayrı ayrı V-I değişimini MATLAB’de çiziniz ve diyotların ne tür olduğunu belirtiniz (Si veya Ge). Not: I akımı ana koldan akan akım ve V gerilimi ana kol gerilimidir.

8 İdeal olmayan bir diyotun eşdeğer devresi, ideal diyot ve gerilim kaynağına seri olarak R s direnci bağlandığında elde edilen devredir Devredeki R s direnci, yarıiletken bölgelerin dirençleri ile eklemin değişken işaret direncinin (r d ) toplamına eşittir. Diyotun eşdeğeri Diyotun Eşdeğeri

9 p-n ekleminin bazı özelliklerinden yararlanılarak özel diyotlar imal edilmektedir. Bu diyot çeşitleri şunlardır: 1- Doğrultucu diyotlar: p-n ekleminin sadece tek yönlü akım iletitiminden yararlanılarak yapılan diyotlara doğrultucu diyotlar denilmektedir. Genellikle düşük frekanslardaki (50-60 Hz) şehir şebeke işaretlerini doğrultmak için kullanılırlar. 2- Zener Diyotlar: p-n eklemi tıkama yönünde kutuplandığında belverme bölgesinde akım büyük ölçüde değişmesine rağmen gerilim çok az değişiyordu. p-n ekleminin bu özelliğinden yararlanmak üzere imal edilen diyotlara zener diyot denir. Zener diyotlar kırpma devrelerinde ve gerilim regülatör devrelerinde gerilimi sabitlemek için kullanılırlar. Diyot Çeşitleri

10 Zener Diyodun Gerilim Regülatörü Olarak Kullanılması: Zener diyottan çoğunlukla DC devrelerde gerilim regülasyonu için yararlanılmaktadır. Buradaki regülasyondan amaç, gerilimin belirli bir değerde sabit tutulmasıdır. Bunun için zener diyot, gerilimi sabit tutulmak istenen devre veya yük direncine paralel ve ters polarmalı olarak bağlanır. Zener diyodun gerilim regülatörü olarak kullanılması Diyot uçlarına gelen gerilim, zener değerine ulaştığında diyot iletime geçer ve uçları arasındaki gerilim sabit kalır. Örneğin, V Z =6.2 V ise V L =6.2 V olur. C=1000 µF R L =33 

11 3- Işık Yayan Diyot (Light emitting diode-LED) LED ismi, ingilizce Light Emitting Diode (Işık Yayan Diyot) kelimelerinin baş harflerinden oluşmaktadır. Bu ışıklı diyotlar, kullanışlı ve pratik olmalarının yanı sıra oldukça ucuz olmaları nedeniyle indikatör (gösterge) olarak diğer tip lambaların yerini almışlardır. Yandaki fotoğrafta da görüldüğü gibi piyasada çok değişik şekil, ebad, renk ve fiyatta LED bulunmaktadır. Işık yayan diyotlar, ilk olarak 1954 yılında bulunmuştur. Galyum Fosfat (GaP) ile yapılmış bir diyotun, iletim yönünde akım geçirildiğinde kırmızı bir ışık yaydığı fark edilmiştir. Böylece bir yarıiletken ışık kaynağı keşfedilmiştir.

12 Silisyum ve germanyum yarıiletkenlerinde iletim bandından elektronların valans bandına geçişi doğrudan olmamakta ve bu geçiş esnasında elektronun kaybettiği enerji, E g ’den küçük olduğundan ışın olarak yayılmaktadır. Yayılan ışın kendini diyotun ısınması olarak gösterir. Öte yandan GaAs, GaAsP, GaP gibi bileşik yarıiletken malzemelerden yapılan diyotlarda elektron doğrudan valans bandına geçer ve ortaya çıkan enerji ışık olarak yayılır. Eklemin üzeri ışık geçiren bir malzeme ile kaplandığında ışık görülebilir. Günümüzde LED’lerin beyaz, sarı, kırmızı, turuncu, yeşil, kızılötesi ve mavi ışık veren türleri mevcuttur. LED’in sembolü aşağıdaki şekilde gösterilmiştir: LED’in sembolü

13 LED devrede iletim yönünde kutuplanarak kullanılır. İletim yönünde uçlarındaki gerilim 1.5-2 V kadardır. Yayılan ışığın görülebilmesi için birkaç mA’lik akımın akması yeterli olacaktır. Kullanılan yarıiletken malzemelerin cinsine göre LED’ler yaydıkları ışığın rengine göre aşağıda gruplandırılmıştır: GaAs (Galyum Arsenid): Kırmızı ötesi (görülmeyen ışık) GaAsP (Galyum Arsenid Fosfat): Kırmızıdan – yeşile. GaP (Galyum Fosfat): Kırmızı GaP (Azotlu): Yeşil ve sarı.

14 4. Fotodiyot Fotodiyot ışık enerjisiyle iletime geçen diyottur. Fotodiyotlara polarma geriliminin uygulanışı normal diyotlara göre ters yöndedir. Yani diyotun anoduna negatif (-), katoduna pozitif (+) gerilim uygulanır. Fotodiyotun sembolü aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Fotodiyotun sembolü ve eşdeğeri Tıkama yönünde kutuplanan diyottan akan akım (I o ), azınlık taşıyıcı sayısına bağlıdır. Fotodiyotun üzerine ışık düşürüldüğü zaman kovalent bağlardan bazıları koparak geçiş bölgesi içindeki taşıyıcı (elektron ve boşluk) sayısını artırır. Bu nedenle tıkama yönünde akan doyma akımı I o ’dan daha büyük olur. Diyot, ışıkla uyarılmadığı zaman tıkama yönünde akan akım karanlık akımı (dark current) adını alır.

15 5 -Tünel Diyotlar (Tunnel diodes) Tünel diyotlar, özellikle mikrodalga alanında yükselteç ve osilatör olarak yararlanılmak üzere üretilmektedir. Tünel diyoda, prensiplerini 1958 'de ilk ortaya koyan Japon Dr. Lee Esaki 'nin adından esinlenerek "Esaki Diyodu" da denmektedir. Bu diyotun diğer diyotlardan farkı yarıiletken bölgelerin aşırı katkılanmış olmasıdır. p-n ekleminde geçiş bölgesinin kalınlığı tıkama yönünde gerilim uygulandığında fazla olmaz. Tünel diyotun akım-gerilim karakteristiği aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Tünel diyotun akım-gerilim (I-V) karakteristiği, sembolü ve eşdeğeri. (c)-(d) arası negatif direnç özelliği gösterdiği bölgedir.

16 6- Kapasite diyotları Tıkama yönünde kutuplanmış bir diyotta geçiş bölgesinin genişlemesi ile bu bölgede açığa çıkan yük miktarı da artmaktadır. Yükün artışının nedeni tıkama yönü gerilimidir. Eklemin geçiş bölgesinde açığa çıkan yük miktarı gerilimle ilişkili olduğundan eklemde bir kapasite meydana gelir. Tıkama yönündeki gerilimin artması halinde kapasite azalmaktadır. Eklem kapasitesinin gerilimle değişme özelliğinden yararlanmak amacıyla üretilen diyotlara kapasite diyotu denmektedir. Kapasite diyotunun sembolleri aşağıda gösterilmektedir. Kapasite diyotun sembolleri Kapasite diyotu elektronik devrelerde değişken kondansatör yerine kullanılmaktadır. Kapasite diyotunda kapasitenin değişimi, diyota tıkama yönünde gerilimin değiştirilmesi ile sağlanmaktadır. Bu özelliği, kapasite diyotunun radyo ve televizyon devrelerinde çok kullanılmasına neden olmaktadır. Bu cihazların alıcı devrelerinde birçok istasyonun hafızaya alınması, diyota önceden ayarlanan gerilimlerin uygulanması ile sağlanır.

17 7- Fotovoltaik diyotlar (Güneş pilleri) Fotovoltaik diyotlar, üzerlerine düşen ışık enerjisini elektriksel enerjiye dönüştüren p-n yarıiletken diyotlardır. Elde edilecek elektriksel gücün mümkün olduğu kadar büyük olabilmesi için eklem yüzeyleri büyük tutulur. Yapı basit olarak aşağıda gösterilmektedir. Fotovoltaik diyot İmalat sırasında belirli bir tipten (n veya p) yarıiletken üzerinde ince bir tabaka biçiminde diğer tipten yarıiletken malzeme oluşturulur. İnce olan tabaka, ışığın ekleme ulaşmasını sağlar. Foton, muhtemel valans elektronu ile karşılaşır ve ona enerjisini bırakarak iletkenlik bandına çıkarır. Böylece elektron-boşluk çiftleri oluşur. Eklemde oluşan elektrik alan etkisiyle her iki bölgedeki azınlık taşıyıcılar karşılıklı olarak sürüklenirler. Bu nedenle, eklem, gelen ışınım şiddetiyle orantılı olan akıma sahip bir akım kaynağı olarak davranır. Güneş pilleri belirtilen bu ilkeye bağlı olarak çalışır. Sisteme gereken gerilim ve güç, güneş pillerinin uygun sayıda paralel ve seri bağlanması ile elde edilir. Güneş pillerinde başta uzay araştırmaları olmak üzere birçok yerde yararlanılmaktadır.

18 Diyotlu devreler: Kırpıcılar, doğrultucular A- Kırpıcılar (Clippers) Bazı elektronik devrelerin girişlerine sadece pozitif ya da negatif sinyallerin verilmesi gerekebilir. Bazı devrelerin girişlerine ise sabit genlikte sinyaller verilmesi gerekebilir. O zaman giriş sinyali, devreye verilmeden önce uygun kırpıcıdan geçirilmelidir. Sadece pozitif ya da negatif sinyalleri geçiren kırpıcılar çıkışında kondansatörü olmayan bir yarım dalga doğrultucudan ibarettir. Bunlara ilişkin örnekler Şekil 2.22’de verilmiştir. Kırpıcı diyot devreleri

19 Diyotlu Kırpıcı Devreler ile İlgili Örnek Problemler ÖRNEK 1: Devre 1’in girişine 10 V (tepe-tepe) kare dalga uygulanıyor. Buna göre, V 0 – t değişimini elde ediniz.

20 ÇÖZÜM 1: V İ =5 V için diyot açık devredir (tıkama): V İ = -5 V için diyot iletimdedir: Vo= 3 V V 0 = -5 + 0,6 = -4.4 V

21 ÇALIŞMA SORUSU: Devre 2’nin girişine tepeden tepeye gerilimi 10 V olan kare dalga uygulanırsa çıkışın zamana göre değişimi nasıl olur, alt alta çiziniz? ÖRNEK 3: Aşağıdaki devrenin girişine a) Vi=30.Sin(wt) V ve b) Tepe-tepe genliği 30 V olan kare dalga uygulandığı zaman Vo-t değişimini çiziniz.

22 ÇÖZÜM 3: Aşağıdaki devrenin girişine a) Vi=30.Sin(wt) V ve b) Tepe-tepe genliği 30 V olan kare dalga uygulandığı zaman Vo-t değişimini çiziniz. a) b) V İ < 10 V için Diyot OFF V 0 = 0 V 10 ≤V İ ≤ 30 V için D  ON V 0 = V İ – 10 = 20 sin(wt) V İ < 0 V için D  OFF V 0 = 0 V V İ = 15 V için D  ON V 0 = 5 V V İ = -15 V için D  OFF ve V 0 = 0 V

23 ÖRNEK 4: Aşağıdaki devrenin girişine Vi=20.Sin(wt) V uygulandığına göre Vo-t değişimini çiziniz. ÇÖZÜM 4: V İ > 5 sin(wt) için Diyot ON V 0 = 5 V V İ ≤ 5 sin(wt) için Diyot OFF V 0 = V İ

24 ÇALIŞMA SORUSU: Aşağıdaki devrenin girişine Vi=40.Sin(wt) V uygulandığına göre Vo-t değişimini çiziniz. ÖDEV : Aşağıdaki devrede; a) Vi=15.Sin(wt), V D1 =V D2 =0.6 V, R D1 =R D2 =0 Ω ve b) Vi=Tepe- tepe genliği 20 V olan kare dalga, V D1 =V D2 =0 V, R D1 =R D2 =20 Ω olduğuna göre Vo-t değişimini çiziniz.

25 B- Doğrultucular (Rectifiers) Bir elektronik devrenin veya elektromekanik bir sistemin işlevini yerine getirebilmesi için doğru gerilim (DC) kaynaklarına ihtiyaç vardır. Küçük güçlü elektronik cihazlar için pil veya batarya bu ihtiyacı karşılayabilir. Öte yandan cihaz için gereken güç arttıkça batarya kullanmak ekonomik olmadığı gibi ancak kısa bir süre için mümkün olabilmektedir (dijital kamera veya dizüstü bilgisayarlarda olduğu gibi). Bu gibi durumlarda gereken DC gerilimin alternatif şebeke geriliminden sağlanması yoluna gidilir. Doğrultucular alternatif akımı, örneğin şehir şebekesini doğru akıma çevirmeye yarar. Kullanım yerleri olarak, elektronik devrelerin DC ihtiyaçlarını karşılamak yada güç kaynaklarının ön devresi olmalarını söyleyebiliriz. Doğrultucuların üç tipi vardır. Yarım dalga doğrultucu Tam dalga doğrultucu Köprü Doğrultucu

26 Yarım Dalga (tek yollu) Doğrultucu: Bir diyottan akım geçebilmesi için anodunun katoduna göre pozitif olması gerekmektedir. Şekil 2.24’de bir yarım dalga (tek yollu) doğrultucu görülmektedir. Tek yollu doğrultucu alternatif olarak değişen işaretin sadece bir alternansından yararlanarak doğrultma yapan düzendir. Devrenin girişinde şehir şebeke gerilimini istenilen değere düşürmek için transformatör kullanılır. Şekil 2.24. Yarım dalga (tek yollu) doğrultucu Doğrultucunun a ve b uçları arasına alternatif bir gerilim uygulayalım. Şekil 2.24’de görüldüğü gibi, t 1 ve t 2 zamanları arasında a ucu b ucuna göre pozitif, t 2 ve t 3 zamanları arasında a ucu b ucuna göre negatif olur. t 1 ve t 2 zamanları arasında a ucu pozitif olduğu için diyotun anodu katoduna göre pozitif olur ve diyot üzerinden (dolayısıyla R L üzerinden) akım akar. t 2 ve t 3 zamanları arasında a ucu b ucuna göre daha negatif olacağı için diyotun da anodu katoduna göre daha negatif olur ve diyot akım geçirmez.

27 Diyotların eşik gerilimi hesaba katıldığında: Bu işaretin ortalama değeri:

28 Tek yollu doğrultucu ile alternatif işaretten ortalama değeri olan bir gerilim değişimi elde edilmesine karşın bu işaret DC’den çok uzaktır. Yani genliği zamana göre değişiyor yani kısmen AC tanımına uyuyor. Fakat, dikkat edilecek olunursa genliği hep pozitif olarak değişiyor. Doğrultma işlemini tam olarak gerçekleştirmek için devrenin çıkışına, yük direncine paralel olarak bir kondansatör koyalım. Kondansatörlü tek yollu doğrultucu Diyottan akım geçtiği zamanlarda yani t 1 ve t 2 zamanları arasında geçen akım hem R L yükünü beslediği gibi aynı zamanda C kondansatörünü de doldurur. Diyottan akım geçmeyen t 2 ve t 3 zamanları arasında kondansatör üzerinde biriken yük yavaş yavaş R L yükü üzerinden boşalır. Başka bir değişle t 2 ve t 3 zamanları arasında R L yükünü besleme işini kondansatör üstlenir. Bu şekilde devremizin çıkışındaki dalga şekli aşağıdaki gibi olur. Kondansatörlü tek yollu doğrultucu dalga şekli

29 Köprü (Tam Dalga) Doğrultucular Köprü Doğrultucu aslında Tam Dalga Doğrultucu özelliğinde olup sadece giriş gerilim kaynağı Tam Dalga Doğrultucu gibi ortası sıfırlı olmayıp, tek bir AC kaynak ile beslenmektedir. Şekil 2.31’de Köprü Doğrultucu görülmektedir. Şekil 2.31. Köprü doğrultucu Köprü Diyotlar dört ayrı diyot ile yapılabileceği gibi dört diyotun birleştirilmiş şekli ile de piyasada satılmaktadır.

30 Aşağıdaki devrenin girişine (e-f uçları arasına) bir alternatif gerilim uygulayalım. t 1 zamanından itibaren pozitif yönde yükselmeye başlayan giriş gerilimi, a ucunu pozitif b ucunu da negatif yapacaktır. Pozitif alternansta devrede akım akışı t 2 zamanında sıfır volt değerine düşen giriş gerilimi hemen negatif yönde yükselmeye başlayacaktır. t 2 zamanından itibaren negatif yönde yükselmeye başlayan giriş gerilimi, a ucunu negatif b ucunu da pozitif yapacaktır. Negatif alternansta devrede akım akışı

31 Köprü doğrultucu için daha gerçekçi gerilim dalga biçimleri Çıkış geriliminin doğru akım (DC) şeklinde olabilmesi için yük direncine paralel bir kondansatör koyarsak çıkış dalga şekli ve devre Şekil 2.35’deki gibi olur. Kondansatörlü köprü doğrultucu