Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi

1. Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi Bölüm VII: Yarıiletkenler

2. Bölüm VII: Yarıiletkenler • Yarıiletkenler • Germanyumun kimyasal yapısı • Silisyum kimyasal yapısı • Yarıiletken Yapım Teknikleri • n Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi • p Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi • Yarıiletkenlerde Akım Akışı • Yarıiletken Malzemelerin Üretimleri

3. Enerji-Band Diyagramları

4. Yarıiletkenler • Yarıiletkenler: Elektrik akımını bir değere kadar akmasına izin vermeyen bu değerden sonra sonsuz küçük direnç gösteren maddelerdir. • Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3-5. gruba girerler. • İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar. Normal halde yalıtkandırlar. • Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır.

5. Yarıiletkenler • Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına dönerler. • Basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman halinde de elde edilir. • Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. • Bu tür yarı iletkenler içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleri arttırılmaktadır.

6. Yarıiletkenler Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri

7. Germanyum • Yarımetalik, yani metal ile ametaller arasında özellikler gösterir. • Periyodik cetvelde 4. gruptadır. • Atom numarası 32’dir. • YMK yapıya sahiptir.

8. Germanyum • Germanyum nadir elementlerden olup, yer kabuğunda % 0,0004-0,0007 oranında bulunur. • Yer kabuğunda yoğun olarak bulunmadığından, germanyumun elde edilmesi oldukça zordur. • Hiçbir zaman serbest halde bulunmaz.

9. Silisyum (Silikon) • Silisyum, yeryüzünde en çok bulunan elementlerden biridir. • Atom numarası 14'tür. • "Si" simgesi ile gösterilmektedir. • Camın ana maddesi kum olarak bilinir. • Silisyum kumda çok bulunmaktadır.

10. Silisyum Kovalent Bağ Yapısı

11. Silisyum ve Germanyum

12. Galyum ve Arsenik

13. GaAs Kovalent Bağ Yapısı

14. Elektronlar ve Oyuklar • Silisyum gibi katkısız bir yarıiletken içerisinde uyarılmış bazı elektronlar, bant değiştirerek iletim bandına girerler ve böylece akım oluşturabilirler. • Silisyum içerisindeki bir elektron band aralığından karşıya geçtiğinde yörünge içerisinde bir boşluk (oyuk) bırakırlar.

15. Elektronlar ve Oyuklar • Harici bir voltaj etkisi altında malzeme içerisinde elektronlar ve oyuklar hareket edebilir. • N-tipi yarıiletkende katkı maddesi ekstra elektron sağlayarak iletkenliği artırır. • P-tipi yarıiletkende ise katkı maddesi ekstra oyuklar oluşturarak iletkenliği artırır.

16. N-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi • Germanyum (Ge) (4e) • Arsenik (Ar) (5e) • veya • Antimon (Sb) (5e) • katkılanırsa, • 4’er elektron kovalent bağ yapar. • 1 elektron da boşta (serbest) kalır. • Dış etki uygulanırsa bir elektron akışı meydana gelir.

17. N-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi • N-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron vererek pozitif yüklenen katkılama atomları “Donör İyonları” olarak tanımlanır. • N-tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcılar elektronlardır. • N-tipi yapı içerisinde az miktarda oyuklar da mevcut olabilir. • N-tipi malzeme içerisinde oyuklara azınlık taşıyıcıları adı verilmektedir.

18. N-Tipi Yarıiletken İçerisinde Elektron Akışı • Kristale bir gerilim uygulandığında içindeki serbest hale elektronlar, bataryanın negatif kutbu tarafından itilirler ve pozitif kutup tarafından çekilerek kaynağın (-) kutbundan (+) kutbuna doğru sürekli bir elektron akışı meydana getirirler. • Ancak akım yönünün ise (+)’dan (-)’ye doğru olduğu kabul edilir.

19. P-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi • Germanyum (Ge) (4e) • Indium (ln) (3e) • katkılanırsa, • Indium atomu komşu Germanyum atomundan 1 elektron alır ve aralarında kovalent bağ oluşur. • 1 elektron kaybeden Germanyum atomunda bir elektron boşluğu (oyuk) oluşur. • Bu maddeye P-tipi madde denir.

20. P-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi • P-tipi yarıiletken yapıda, yapıyakatılan ve elektron alan katkılama atomları “Akseptör İyonları” olarak tanımlanır. • P-tipi maddelerde çoğunluk akım taşıyıcısı oyuklardır. • Aynı zamanda bu yapı içerisinde az da olsa serbest elektron bulunur. Bunlara da azınlık taşıyıcıları adı verilir.

21. P-Tipi Yarıiletken İçerisinde Elektron Akışı • Pozitif elektrik yüklü oyuklardır. • P-tipi madde içerisinde bataryanın pozitif ucundan negatif ucuna doğru, elektronlar ise negatif kutuptan pozitif kutba doğru itilirler. • Aslında oyuklar hareket etmemektedir. Oyuklarla elektronlar yer değiştirmektedir.

22. Yarıiletken Malzemelerin Üretimleri • Germanyum ve Silisyum hammaddeleri tabiatta saf halde bulunmadıkları için öncelikle saflaştırma işlemlerine tâbi tutulurlar. • Saflaştırma işlemi için hammaddeler ilk önce bir dizi kimyasal reaksiyon ve bölgesel arıtma işlemine tâbi tutulurlar. • Germanyum ve silisyumun saflaştırma işlemleri farklıdır.

23. Germanyumun Elde Edilmesi • Germanyum gümüş grisi bir geçiş elementidir. • Germanyum yerküre kabuğunun yüzde 0.0004 ile 0.0007’sini oluşturur. • Arygyrodite Germanite ve Renierte gibi yaygın olmayan minerallerde bulunur. • Germanyumun yarıiletken olarak kullanılabilmesi için öncelikle içindeki yabancı madde oranının 1/100.000.000’un altına düşürülmesi gerekmektedir. • Bunun için bölgesel saflaştırma işlemi yapılır.

24. Germanyumun Saflaştırılması • Germanyumun saflaştırılmasında en çok uygulanan yöntem "Bölgesel saflaştırma”dır. • Çubuk şekline getirilmiş, yaklaşık 100 gram ağırlığındaki germanyum görüldüğü gibi özel bir pota içerisine konularak, saatte 5-6 cm 'lik hızla, endüksiyon yolu ile ısıtılan bir fırının içerisinden geçirilir. • Isıtıcı sistem, germanyumun erime derecesi olan 936°C 'ye ayarlanmıştır. • Isıtıcı bobinin altında eriyen katı yavaşça soğur, saf kristal ayrışır ve yabancı maddeleri erimiş bölgede bırakır. Saf olmayan Germanyum çubuk Saflaştırılmış Germanyum çubuk

25. Germanyumun Saflaştırılması • Bu işlem yeniden kristalize edilen katının saflığı istenen düzeye gelene kadar tekrarlanabilir. • Yüzde 99.9999 oranına kadar saflık elde etmek mümkündür. • Bu halde Germanyum henüz polikristaldir ve yarıiletken devre elemanı yapımında kullanılabilmesi için monokristal yapı şeklinde getirilmesi gerekmektedir.

26. Monokristal-Polikristal

27. Germanyumun Monokristalizasyonu • Polikristal yapılı Germanyum bir hazne içerisine yerleştirilerek erime derecesine kadar ısıtılır. • Erimiş Germanyum içerisine tohum kristal halindeki Germanyum çubuk yardımıyla daldırılıp yavaş yavaş döndürülerek yukarı doğru çekilir. • Sonuçta monokristal yapıya sahip bir germanyum kitlesi elde edilmiş olur. Ge Ge

28. Silisyumun Elde Edilmesi • Ödev: Silisyumun saflaştırılması ve monokristalizasyonu konusunu inceleyiniz.