KATIHAL FİZİĞİ-UYGULAMALAR

... konulu sunumlar: "KATIHAL FİZİĞİ-UYGULAMALAR"— Sunum transkripti:

1 KATIHAL FİZİĞİ-UYGULAMALAR
BURSA TEKNİK ÜNÜVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BERKAN ÖZTOPRAK

2 YARIİLETKENLER PN KESİŞİM DİYODU TRANSİSTÖR

3 YARIİLETKEN Yarıiletkenlerde bant aralığı çok İnce olduğundan ısısal çalkantı enerjisiyle dahi uyarılıp iletkenlik bandına geçebilir.

4 Yarıiletkenlerde elektronun ısısal enerjiyle uyarılmasını anlamak için istatistik mekanikten bir sunucu kullanacağız Buna göre parçacık sayısı sabit olan ve T sıcaklığında ısısal dengede bulunan bir kuantum sisteminin enerjisi Ei olan bir enerji durumunda bulunma olasılığı p(i) şu katsayıyla orantılı olur; Burada T mutlak kelvin sıcaklığı ve Boltzman sabitidir Bu bağıntıdan iletkenlik bendına uyarılan elektronların konsantrasyonu bant aralık genişliği enerjisi Eg ile orantılıdır.

5 Silisyum ve GaAs gibi saf yarıiletkenlere özgün yarıiletken denir.
Katkılı yarıiletken: Katı içine başka tür atomlar az miktarda karıştırılarak elde edilir. Özgün bir yarıiletkende yük taşıyıcı yoğunluğu tümüyle bant aralığından uyarılığa geçenlerden kaynaklanır. Katkılı yarıiletkenlerde ise katkının türü ve miktarına bağlıdır. Farklı katkılanmış iki veye daha fazla yarıiletkeni birleştirerek çok değişik elektronik aygıtlar yapılabilir.

6 İletkenlik bandındaki eksi yüklü elektronlar gibi ,valans bandındaki bu artı yüklü boşluklar da hareketlidir ve elektrik akımına katkıda bulunurlar. Valans bandındaki boşluğun sağındaki elektron elektrik alanı etkisiyle boşluğa atladığında boşluk sağa kaymış olur.Onun sağındaki elektron da yine boşluğu kapatır boşluk bir kez daha sağa kayar. Böylece boşluk + yük parçacıkmış gibi valans bandında serbestçe dolaşıp akım taşıyabilir.

7 O halde özgün bir yarı iletkendeki sağa doğru akım iki bileşenden oluşur;iletkenlik bandında sola giden elektronlar ve valans bandında buna eşit sayıda olup sağa giden boşluklar.

8 Valans boşlukları ve iletkenlik elektronları gerek fotonlar gerekse ısısal çalkantı ile üretilebilirler. Enerjisi bant aralığından daha büyük (hf>Eg) olan fotonlar Şek. 14.4a da olduğu gibi valans bandındaki bir elektronu iletkenlik bandına çıkarabilirler;bu durumda fotonun bir elektron boşluk çifti yarattığı söylenir.

9 Katkılı yarıiletkenler
Katkılı yarıiletken, içine özenle seçilmiş yabancı madde katılmış olan yarıiletkendir. Katkılı yarıiletkenler n-tipi ve p-tipi olarak sınıflandırılırlar. n-tipi yarıiletkenlerde katkı atomları iletkenlik bandına elektron katarlar ve negatif (n harfli) yük taşıyıcı konsantrasyonu arttırırlar. p-tipi yarıiletkenlerde katkı atomları valans bandında daha fazla boşluk oluşturur ve pozitif(p harfli) yük taşıyıcı konsantrasyonu artırırılar.

10

11 Katkı atomlarının nasıl elektron veya boşluk yaratabilidiğini anlamak için evsahibi yarıiletkenin kristal yapısısna bakmak gerekir. Silisyum valansı 4 olup katı halde elmas kristali yapısında bulunur, yani her silisyum atomu Şek.14.5a daki gibi düzgündörtyüzlünün köşelerinde bulunur ve dört komşısısnın herbiryle kovalent bağ yapar. 5 valans elektronluda ise 5 taneden 4 ü komşu Si atomlarıyla kovalent bağları tamamladığında geriye P+ iyonuna çok zayıf bağlanmış beşinci elektron kalacaktır. P+ iyonu 3,0nm kadar geniş yarıçaplı yörüngede dolaşır. Serbest kalan elektron iletkenlik bandında akıma katkıda bulunur.

12 Fosfor ve arsenik gibi beş valansı katkılara verici denir.

13 n-tipi yarıiletkenlerde iletkenlik elektronları konsantrasyonundaki artış boşluk konsantrasyonunu azaltıcı bir etkiye yol açar, çünkü fazladan gelen elektronlar valans bandındaki boşluklara düşer ve onları örtebilir. p-tipi yarıiletkenlerde boşluk konsantrasyonundaki artış iletkenlik elektronu konsantrasyonunu azaltır. Kısaca katkılarla her iki tür taşıyıcı konsantrasyonunu kontrol altında tutmak mümkündür. Yarıiletkenlik özelliği katkıatomu konsantrasyonuna çok hassas bağlı olduğundan mümkün olduğu kadar saf Si tek kristali elde etmek gerekir. Katkı konsatrasyonu 10^10 da 1 değerinden başlar ve artar. Böylesine saflık oranları yarıiletken teknolojisi başlamadan önce mevcut değildi ama günümüzde özel imalat teknikleri geliştirilde.

14 pn KESİŞİM DİYODU En basit yarıiletken olan diyot tek kristalden bir yarıiletkenin bir tarafı p-tipi,diğer tarafı n-tipi katkılanarak elde edilir.İki bölgenin arakesidine pn kesişimi denir. Diyodun en önemli özelliği sadece bir yönde akım geçirmesidir. Altarnetif akımı doğru akıma çevirmede kullanılır.

15

16

17

18 Diyotların tek yönde akım geçirme özlliğini bant yapısı diyagramlarına bakarak dana ıyı anlayabiliriz. Bias; dış voltajın sıfır olduğu durumdaki bant yapısıdır. Seyrelme bölgesinin oluşturduğu iç elektrik alandan dolayı n-tipi bölgedeki iletkenlik bandı, p-tipi bölgedekinden bir eV0 kadar daha küçük olur.Buradaki V+ değerine nakmaya geldim temas potansiyeli denir. Sıcaklığa ve katkı cinsine bağlıdır ama her halukarda bant aralığı enerjisinden daha küçük olur. N tarafın bazı iletkenlikmelektronları ıssısal enerjiyle yeterince uyarılıp eV0 engelini geçer ve p bölgesine sızılabilir. Bu difüzyon akımı engelin üstündeki elektronların sayısı ile orantılı olduğundan( 14.1) formulünü kullanrak bu akımı şeklinde bir I0 sabiti yardmyla yazılabilir.

19 P noktasındaki az miktarda elektronların kesişim yakınında olanları seyrelme bölgesinde iç elektrik alan tarafından hızla n tarafına gönderilirler.Bu yük akışına sürüklenme akımı denir.

20

21 TRANSİSTÖR 20. Yüzyılın belki de en önemli keşfi transistördür.
Transistör 3 çıkışlı bir aygıt olup yükseltici veya zayıf sinyaliyle çok güçlü bir çıkış sinyalini kontrol eden bir anahtar olarak kullanılır. Çift kutuplu(BJT) ve alan etkili transistörler(FET)

22 Çift kutuplu Transistör
Çirt kutuplu kesişim transistörü birbirine sırt sırta yerleştirilmiş iki pn kesişiminden oluşur. İki türü vardır;npn ve pnp. npn transistörü iki n-tipi yarıiletken arasına sandviç gibi konulmuş ince bir p-tipi yarıiletkenden oluşur. pnp transistörü de aynısı olur sadece n ve p yerdeğişitirir.

23 Transistör bir devrede kullanıldığında emetör-baz kesişimi yaklasık 6V luk bir dış voltaja düz bias yönünde bağlanırken, kolektör baz kesişimi 10V gibi çok güçlü bir ters bias voltajına bağlanır. Emetör-baz voltajı düz bias olduğundan elektronlar n-tipi emetörden p-tipi baza doğru akarlar.

24 Ib akımındaki küçük bir artış, küçük baz akımını büyük kolekor akımından ayıran Ie emetör akımında büyük bir artışa yol açar çünkü dir. Belli bir akım aralığında Ic kolektör akımı Ib baz akımıyla orantılı olur:

25

26

27 Alan-etkili Transistörler(FET)
MOFSET, geçit denilen metal bir elektrot ile onu yarı iletken silisyumdan ayıran ince bir yalıtıcı oksit( genellikle SiO2) tabakasından oluşur. Geçitin ve oksit tabakanın altında p-tipi silisyum bulunur ve iki kenar bölgeye kaynak ve akaç adı verilir. Bu yarıiletken yapısı çift-kutuplu npn kesişim transistörüne benzer; kaynak,geçit,akaç bölgeleri emetör,baz ve kolektöre karşılık gelir. MOSFET’in farkı merkezdeki p-tipi bölgenin ince olmayışı ve oraya doğrudan bir elektrik bağlantısı olmayışıdır.

28

29 MOFSET’in çift-kutplu kesişim transistörüne göre avantajı şudur;
Girdi sinyali(geçit voltajı) neredeyse hiç akım oluşturmadığından girdi güçharcaması çok küçüktür. Bu en az güç harcama özelliği,ısınma prblemi olan entegre devrelerde ideal bir anahtar olarak kullanılmasını sağlar. Bir trasistörün çalışabilmesi için sıcaklık,katkı atomlarının iyonlaşmasını sağlayacak kadar yüksek fakat ciddi oranda elektronun Eg bant aralığını boydan boya geçmesini önleyecek kadar dşük olmalıdır.

30