İLETKEN, YARI İLETKEN VE YALITKANLAR
Yeryüzündeki bütün maddeler, atom 'lar dan oluşmuştur. Atom ise ortada bir
çekirdek ve bunun etrafındaki değişik yörüngelerde hareket eden elektronlardan
oluşmaktadır. 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.
Elektron hareketine göre maddeler üçe ayrılır:
• İletkenler
• Yalıtkanlar
• Yarı iletkenler
İletkenler :
Bir maddenin iletkenliğini belirleyen en önemli faktör, atomlarının son
yörüngesindeki elektron sayısıdır. Bu son yörüngeye "Valans Yörünge" üzerinde
bulunan elektronlara da "Valans Elektron" denir. Valans elektronlar atom
çekirdeğine zayıf olarak bağlıdır. Valans yörüngesindeki elektron sayısı 4 'den
büyük olan maddeler yalıtkan 4 'den küçük olan maddeler de iletkendir. Örneğin
bakır atomunun son yörüngesinde sadece bir elektron bulunmaktadır. Bu da bakırın
iletken olduğunu belirler. Bakırın iki ucuna bir eletrik enerjisi uygulandığında
bakırdaki valans elektronlar güç kaynağının pozitif kutbuna doğru hareket eder.
Bakır elektrik iletiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sebebi ise maliyetinin
düşük olması ve iyi bir iletken olmasıdır. En iyi iletken altın, daha sonra
gümüştür. Fakat bunların maaliyetinin yüksek olması nedeniyle elektrik
iletiminde kullanılmamaktadır.
İletkenlerin başlıca özellikleri:
• Elektrik akımını iyi iletirler.
• Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı,
ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılırlar.
• Dış yörüngedeki elektronlara Valans Elektron denir.
• Metaller, bazı sıvı ve gazlar iletken olarak kullanılır.
• Metaller, sıvı ve gazlara göre daha iyi iletkendir.
• Metaller de, iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara
ayrılır.
• Atomları 1 valans elektronlu olan metaller, iyi iletkendir. Buna örnek olarak,
altın, gümüş, bakır gösterilebilir.
• Bakır tam saf olarak elde edilmediğinden, altın ve gümüşe göre biraz daha kötü
iletken olmasına rağmen, ucuz ve bol olduğundan, en çok kullanılan metaldir.
• Atomlarında 2 ve 3 valans elektronu olan demir (2 dış elektronlu) ve alüminyum
(3 dış elektronlu) iyi birer iletken olmamasına rağmen, ucuz ve bol olduğu için
geçmiş yıllarda kablo olarak kullanılmıştır.
Yalıtkanlar :
Yalıtkan maddelerin atomlarının valans yörüngelerinde 8 elektron bulunur. Bu tür
yörüngeler doymuş yörünge sınıfına girdiği için elektron alıp verme gibi bir
istekleri yoktur. Bu sebeplede elektriği ilemezler. Yalıtkan maddeler iletken
maddelerin yalıtımında kullanılır. Yalıtkan maddelere örnek olarak tahta, cam ve
plastiği verebiliriz. İsterseniz bu örnekleri arttırabilirsiniz. Elektrik
akımını iletmeyen maddelerdir. Bunlara örnek olarak cam, mika, kağıt, kauçuk,
lastik ve plastik maddeler gösterilebilir. Elektronları atomlarına sıkı olarak
bağlıdır. Bu maddelerin dış yörüngedeki elektron sayıları 8 ve 8 'e yakın sayıda
olduğundan atomdan uzaklaştırılmaları zor olmaktadır.
Yarı İletkenler :
Elektrik akımının bir değere kadar akmasına izin vermeyen bu değerden sonra
sonsuz küçük direnç gösteren maddelerdir. Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3.
ve 5. gruba girerler. Bu demektir ki son yörüngelerinde elektron alıcılığı veya
vericiliği iletkenden fazla yalıtkandan daha azdır.
İletkenler: Pt, Ni, Au, Cu, Al, Fe...........
Yalıtkan: Ebonit, Cam, Tahta, Su..........
Yarı iletkenler: S, Ge, Br, Al, In(indiyum)........
Kısmen Dolu bant ile iletkenlik şeridi çakışmışsa iletken olurlar.
DB ile BŞ birbirine yaklaştığı zaman iletken hale
gelir. Eğer yarı iletkenlere belirli bir gerilim uygulanırsa YAE yok edilir ve
bağlama şeridi ile iletkenlik bandı bitişir ve iletkenleşir
Yarı iletkenlerin başlıca şu
özellikleri vardır:
• 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.
• Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca
elektronlar tekrar atomlarına dönerler.
• Tabiatta 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, yukarıda belirtildiği gibi ısı, ışık, etkisi ve
gerilim uygulanması ile belirli oranda iletken hale geçirildiği gibi, içlerine
bazı özel maddeler katılarak ta iletkenlikleri arttırılmaktadır.
• Katkı maddeleriyle iletkenlikleri arttırılan yarı iletkenlerin elektronikte
ayrı bir yeri vardır. Bunun nedeni Tablo 2.1 'de görüldüğü gibi, elektronik
devre elemanlarının üretiminde kullanılmalarıdır.
Elektroniğin iki temel elemanı olan diyot ve transistörlerin üretiminde
kullanılan germanyum (Ge) ve silikon (Si) yarı iletkenleri gelecek bölümde daha
geniş olarak incelenecektir.
ADI |
|
KULLANILMA 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) |
Tablo 2.1 - Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri.
Germanyum ve silikon periyodik tabloda yer alan iki elementtir. Çoğu ülke
periyodik tabloyu kendi dillerinde hazırlamaktadır. Ülkemizde ise, bazı terimler
gelişmiş ülke dillerinden alınarak Türkçe 'ye uyarlama yoluna gidilmiştir.
Germanyum adı, en çok kullanılan, İngilizce, Almanca ve Fransızca dillerinde "Germanium"
olarak yazılmakta ve "germanyum" olarak okunmaktadır. Türkçe 'ye de "germanyum"
olarak alınmış ve herkesçe de benimsenmiştir. Silikon 'da durum farklıdır.
Silikon yabancı dillerde şöyle yazılmakta ve okunmaktadır: İngilizce 'de;
Silicon (Silikon) , Almanca 'da; Silikon (silikon) , Fransızca 'da; Silicium
(silisyum). Türkçe de ise yararlanılan yabancı kaynaktan esinlenerek kimilerince
silikon, kimilerince de silisyum denmiştir.
Aşağıdaki şekilde gördüğünüz gibi yarı iletkenlerin valans yörüngelerinde 4 elektron bulunmaktadır. Bu yüzden yarı iletkenler iletkenlerle yalıtkanlar arasında yer almaktadır. Elektronik elemanlarda en yaygın olarak kullanılan yarı iletkenler Germanyum ve Silisyumdur. Tüm yarı iletkenler son yörüngelerindeki atom sayısını 8 'e çıkarma çabasındadırlar. Bu nedenle saf bir germenyum maddesinde komşu atomlar son yörüngelerindeki elektronları Kovalent bağ ile birleştirerek ortak kullanırlar. Aşağıdaki şekilde Kovalent bağı görebilirsiniz. Atomlar arasındaki bu kovalent bağ germanyuma kristallik özelliği kazandırır. Silisyum maddeside özellik olarak germanyumla hemen hemen aynıdır. Fakat yarı iletkenli elektronik devre elemanlarında daha çok silisyum kullanılır. Silisyum ve Germanyum devre elemanı üretiminde saf olarak kullanılmaz. Bu maddelere katkı katılarak Pozitif ve Negatif maddeler elde edilir. Pozitif (+) maddelere "P tipi", Negatif (-) maddelerede "N tipi" maddeler denir.
N Tipi Yarı İletken :
Arsenik maddesinin atomlarının valans yörüngelerinde 5 adet elektron bulunur.
Silisyum ile arsenik maddeleri birleştrildiğinde, arsenik ile silisyum
atomlarının kurdukları kovalent bağdan arsenik atomunun 1 elektronu açıkta
kalır. Aşağıdaki şekilde açıkta kalan elektronu görebilirsiniz. Bu sayede
birleşimde milyonlarca elektron serbest kalmış olur. Bu da birleşime "Negatif
Madde" özelliği kazandırır. N tipi madde bir gerilim kaynağına bağlandığında
üzerindeki serbest elektronlar kaynağın negatif kutbundan itilip pozitif
kutbundan çekilirler ne gerilim kaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna
doğru bir elektron akışı başlar.
P Tipi Yarı İletken :
Bor maddesininde valans yörüngesinde 3 adet elektron bulunmaktadır. Silisyum
maddesine bor maddesi enjekte edildiğinde atomların kurduğu kovalent bağlardan
bir elektronluk eksiklik kalır. Bu eksikliğe "Oyuk" adı verilir. Bu elektron
eksikliği, karışıma "Pozitif Madde" özelliği kazandırır. P tipi maddeye bir
gerilim kaynağı bağlandığında kaynağın negatif kutbundaki elektronlar p tipi
maddeki oyukları doldurarak kaynağın pozitif kutbuna doğru ilerlerler.
Elektronlar pozitif kutba doğru ilerlerken oyuklarda elektronlerın ters yönünde
hareket etmiş olurlar. Bu kaynağın pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru bir
oyuk hareketi sağlar.
Azınlık ve Çoğunluk Taşıyıcılar :
Silisyum ve germanyum maddeleri tamamiyle 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
elemenlarında 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.