Genel Elektronik - Yarı İletkenlerin Tanıtılması 1 Elektronik Ders Notları 2 Derleyen: Dr. Tayfun Demirtürk E-mail: tdemirturk@pau.edu.tr 2 YARI İLETKENLER İN TANITILMASI Konular: • Atomik Yapı • Yarıiletken, İletken ve Yalıtkan • Yarıiletkenlerde İletkenlik • N Tipi ve P tipi Yarıiletkenler • PN Biti şimi (eklemi) ve Diyot • PN Biti şiminin Önbeslemesi Amaçlar: Bu bölümü bitirdi ğinizde a şa ğıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. • Maddenin temel atomik yapısı • Atom numarası ve a ğırlı ğı, elektron kabukları ve yörüngeler, Valans elektronları, iyonizasyon • Yarıiletken, iletken ve yalıtkan. Enerji bantları, Silisyum ve germanyum • Yarıiletkenlerde iletkenlik, elektronlar ve bo şluklarda iletkenlik, • N tipi ve P tipi maddenin olu şturulması; Katkı i şlemi • PN eklemi ve temel i şlevleri • PN ekleminin önbeslenmesi • Diyot karakteristikleri 3 Şekil-A Çe şitli elektronik devre elemanlarının genel görünümü Kullandı ğımız pek çok cihazın üretiminde bir veya birkaç elektronik devre elemanı kullanılmaktadır. Elektronik devre elemanları ise yarıiletken materyaller kullanılarak üretilir. Diyot, transistor, tristör, FET, tüm-devre (entegre) v.b adlarla tanımlanan elektronik devre elemanlarının bir ço ğu şekil-A’de resimlenmi ştir. 4 Elektronik devre elemanlarının dolayısıyla elektronik cihazların nasıl çalı ştı ğını anlamak için yarıiletken materyallerinin yapısı hakkında bilgiye gereksinim duyarız. Bu bilgiyi ula şmanın en etkin yolu maddenin temel atomik yapısını incelemekle ba şlar. Bu kitap boyunca elektronik devre elemanlarını belirli bir sıra içerisinde tanıyaca ğız. Bu elemanların tüm özelliklerini inceleyerek cihaz tasarımlarını gerçekle ştirece ğiz. 1.1 ATOM İK YAPI Tüm maddeler atomlardan olu şur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. Elektrik enerjisinin olu şturulmasını ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı belirler. Atomik yapıya ba ğlı olarak tüm elementler; iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılırlar. Elektronik endüstrisinde temel devre elemanlarının üretiminde yarıiletken materyaller kullanılır. Günümüzde elektronik devre elemanı üretiminde kullanılan iki temel materyal vardır. Bu materyaller; silisyum ve germanyumdur. İletken, yalıtkan ve yarıiletken maddelerin i şlevlerini ve özelliklerini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir. Bu bölümde temel atomik yapıyı inceleyece ğiz. Bölüm sonunda a şa ğıda belirtilen konular hakkında bilgi edineceksiniz. • Çekirdek, proton, nötron ve elektron • Atom a ğırlı ğı ve atom numarası • Yörünge • Valans elektronları • İyonizasyon Yeryüzünde bilinen 109 element vardır. Bir elementin özelliklerini belirleyen en küçük yapıta şı ise atomlardır. Bilinen bütün elementlerin atomik yapıları birbirinden farklıdır. Atomların birle şmesi elementleri meydana getirir. Klasik Bohr modeline göre atom, Şekil- 1.1’de gösterildi ği gibi 3 temel parçacıktan olu şur. Bunlar; elektron, proton ve nötron’dur. Atomik yapıda; nötron ve protonlar merkezdeki çekirde ği olu şturur. Çekirdek artı yüklüdür. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dola şırlar ve negatif yüklüdürler. 5 Şekil-1.1 Bohr modeline göre atom. Elektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. Bilinen bütün elementleri bir birinden ayıran temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir atomun, proton ve nötron sayıları faklıdır. Örne ğin, en basit yapıya sahip atom, hidrojen atomudur. Hidrojen atomu; Şekil-1.2.a’da gösterildi ği gibi bir proton ve bir elektrona sahiptir. Şekil-1.2.b’de gösterilen helyum atomunun yörüngesinde iki elektron, çekirde ğinde ise; iki proton ve iki nötron bulunmaktadır. 6 a) Hidrojen Atomu b) Helyum Atomu Şekil- 1.2 Hidrojen ve Helyum atomları Atom Numarası ve A ğırlı ğı Bütün elementler atom numaralarına uygun olarak periyodik tabloda belirli bir düzen içinde dizilmi şlerdir. Proton sayıları ile elektron sayıları e şit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötral) atomlardır. Elementler, atom a ğırlı ğına göre de belirli bir düzen içindedirler. Atom a ğırlı ğı yakla şık olarak çekirdekteki proton sayıları ile nötron sayılarının toplamı kadardır. Örne ğin hidrojenin atom numarası 1’dir ve atom a ğırlı ğı da 1’dir. Helyumun atom numarası 2’dir ve atom a ğırlı ğı ise 4’ tür. Normal veya tarafsız durumda verilen her hangi bir elementin bütün atomlarındaki; elektron ve proton sayıları e şittir. Elektron Kabukları ve Yörüngeler Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirde ğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirde ğe uzak olan yörüngedeki elektronlardan daha az enerjiye sahiptir. Çekirde ğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerdeki elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantları şeklinde grupla şmı ş yörüngeler “kabuk (shell)” olarak bilinirler. Verilen her bir atom, sabit kabuk sayısına sahiptir. Kabuklarda barınan elektronlar ise belirli bir sistem dâhilinde dizilirler. Her bir kabuk, izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. Bu elektronların enerji seviyeleri de ği şmez. Kabuk içindeki elektronların enerji seviyeleri bir birinden azda olsa küçük farklılıklar gösterir. Fakat kabuklar arasındaki enerji seviyelerinin farkı çok daha büyüktür. Çekirdek etrafında belirli bir yörüngeyi olu şturan kabuklar, k-l-m-n olarak gösterilirler. 7 Çekirde ğe en yakın olan kabuk k ‘dır. k ve l kabukları şekil-1.3 ‘de gösterilmi ştir. Şekil- 1.3 Çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri. Valans Elektronları Elektronlar çekirdekten uzaktadır ve çekirdekten ayrılma e ğilimindedir. Çekirdek elektronun bu ayrılma e ğilimini dengeleyecek güçtedir. Çünkü elektron negatif yüklü, çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha fazladır. Bu durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. Bir atomun en dı ştaki kabu ğu, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. Bu durum onu atomdan ayrılmaya daha e ğilimli hale getirir. Valans (atomun de ğerini ayarlayan elektronlar) elektronları kimyasal reaksiyona ve malzemenin yapısına katkı sa ğlar. Bir atomun en dı ş kabu ğundaki elektronlar, çekirdek etrafında simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralarında bir bağ olu ştururlar. Bu ba ğa “kovelant ba ğ” denir. Atomun en dı ş kabu ğundaki elektronlara ise “valans elektron” adı verilir. Kom şu atomların en dı ş kabuklarındaki elektronlar (valans elektronlar) kendi aralarında valans çiftleri olu ştururlar. k l 8 İyonizasyon Bir atom, ısı kayna ğından veya ı şıktan enerjilendi ği zaman elektronlarının enerji seviyeleri yükselir. Elektronlar enerji kazandı ğında çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerle şir. Böylece Valans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzakla şma e ğilimleri artar. Bir valans elektronu yeterli miktarda bir enerji kazandı ğında ancak bir üst kabu ğa çıkabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir. Bir atom, pozitif şarjın a şırı artması (protonların elektronlardan daha fazla olması) durumunda nötr de ğere ula şmaya çalı şır. Bu amaçla atom, valans elektronlarını harekete geçirir. Valans elektronunu kaybetme i şlemi “ İYON İZASYON” olarak bilinir ve atom pozitif şarj ile yüklenmi ş olur ve pozitif iyon olarak adlandırılır. Örne ğin; hidrojenin kimyasal sembolü H’dır. Hidrojenin valans elektronları kaybedildi ğinde pozitif iyon adını alır ve H + olarak gösterilir. Atomdan kaçan valans elektronları “serbest elektron” olarak adlandırılır. Serbest elektronlar, nötr hidrojen atomunun en dı ş kabu ğuna do ğru akar. Atom negatif yük ile yüklendi ğinde (elektronların protonlardan fazla olması) negatif iyon diye adlandırılırlar ve H - olarak gösterilirler. 1.2 YARI İLETKEN, İLETKEN VE YALITKAN Büyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye ba ğlı olarak ba şlıca 3 gruba ayrılırlar. Bu guruplar; iletken, yalıtkan ve yarıiletken olarak tanımlanır. Bu bölümde; özellikle yarıiletken maddelerin temel yapısını inceleyerek, iletken ve yalıtkan maddelerle aralarındaki farkları ortaya koymaya çalı şaca ğız. Bu bölümü bitirdi ğinizde a şa ğıda belirtilen konularda ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. • Atomik yapının özü • Bakır, silisyum, germanyum ve karbon v.b maddelerin atomik yapıları • İletkenler • Yarıiletkenler • İletken ve yarıiletken arasındaki farklar • Silisyum ve germanyum yarıiletken malzemelerin farklılıkları Tüm materyaller atomlardan olu şur. Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik enerjisine kar şı gösterecekleri tepkiyi belirler. Genel bir atomik yapı; merkezde bir çekirdek ve çekirde ği çevreleyen yörüngelerden olu şmaktadır. Materyalin iletken veya yalıtkan olmasında atomik yörüngede bulunan elektron sayısı çok önemlidir. 9 İletken Elektrik akımının iletilmesine kolaylık gösteren materyallere iletken denir. İyi bir iletken özelli ği gösteren materyallere örnek olarak, bakır, gümü ş, altın ve alüminyumu sayabiliriz. Bu materyallerin ortak özelli ği tek bir valans elektronuna sahip olmalarıdır. Dolayısı ile bu elektronlarını kolaylıkla kaybedebilirler. Bu tür elementler; 1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler. Örne ğin bakır, altın, gümü ş v.b… Yalıtkan Normal ko şullar altında elektrik akımına zorluk gösterip, iletmeyen materyallere yalıtkan denir. Yalıtkan maddeler son yörüngelerinde 6 ile 8 arasında valans elektron barındırırlar. Serbest elektron bulundurmazlar. Yalıtkan maddelere örnek olarak bakalit, ebonit v.b ametalleri sayabiliriz. Yarıiletken Yarıiletken maddeler; elektrik akımına kar şı, ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan özelli ği gösterirler. Elektronik endüstrisinin temelini olu şturan yarıiletken maddelere örnek olarak; silisyum (Si), germanyum (Ge) ve karbon (C) elementlerini verebiliriz. Bu elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar. Enerji Bandı Maddelerin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılmasında enerji bantları oldukça etkindir. Yalıtkan, yarıiletken ve iletken maddelerin enerji bantları şekil–1.4’de verilmi ştir. Enerji bandı bir yalıtkanda çok geni ştir ve çok az sayıda serbest elektron içerir. Dolayısıyla serbest elektronlar, iletkenlik bandına atlayamazlar. Bir iletkende ise; valans bandı ile iletkenlik bandı adeta birbirine girmi ştir. Dolayısıyla harici bir enerji uygulanmaksızın valans elektronların ço ğu iletkenlik bandına atlayabilir. Şekil–1.4 dikkatlice incelendi ğinde yarıiletken bir maddenin enerji aralı ğı; yalıtkana göre daha dar, iletkene göre daha geni ştir. 10 Şekil–1.4 Üç farklı Materyal için enerji diyagramı Silisyum ve Germanyum Diyot, transistor, tümdevre v.b elektronik devre elemanlarının üretiminde iki tip yarı iletken malzeme kullanır. Bunlar; S İL İSYUM ve GERMANYUM elementleridir. Bu elementlerin atomlarının her ikisi de 4 Valans elektronuna sahiptir. Bunların birbirinden farkı; Silisyumun çekirde ğinde 14 proton, germanyumun çekirde ğinde 32 proton vardır. Şekil–1.5‘de her iki malzemenin atomik yapısı görülmektedir. Silisyum bu iki malzemenin en çok kullanılanıdır. Şekil–1.5 Silisyum ve germanyum atomları. 11 Kovalent Ba ğ Katı materyaller, kristal bir yapı olu ştururlar. Silikon, kristallerden olu şmu ş bir materyaldir. Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent ba ğ denilen ba ğlarla ba ğlanırlar. Kovalent ba ğ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkile şim olu şturması sonucu meydana gelir. Şekil–1.5 Saf silisyum kristalin kovalent ba ğları. Her silisyum atomu, kendisine kom şu di ğer 4 atomun valans elektronlarını kullanarak bir yapı olu şturur. Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun olu şturdu ğu etki sayesinde kimyasal kararlılı ğı sa ğlar. Her bir silisyum atomunun valans elektronu, kom şu silisyum atomunun valans elektronu ile payla şımı sonucunda kovalent ba ğ olu şur. Bu durum; bir atomun di ğer atom tarafından tutulmasını sa ğlar. Böylece payla şılan her elektron birbirine çok yakın elektronların bir arada bulunmasını ve birbirlerini e şit miktarda çekmesini sa ğlar. Şekil–1.5 saf silisyum kristallerinin kovalent ba ğlarını göstermektedir. Germanyumun kovalent ba ğıda benzerdir. Onunda sadece dört valans elektronu vardır. Şekil–1.5 Saf silisyum kristalin kovalent ba ğları. 1.3 YARI İLETKENLERDE İLETKENL İK Malzemenin elektrik akımını nasıl iletti ği, elektrik devrelerinin nasıl çalı ştı ğının anla şılması bakımından çok önemlidir. Gerçekte temel akım mantısını bilmeden diyot veya transistor gibi yarıiletken devre elemanlarının çalı şmasını anlayamazsınız. Bu bölümde 12 iletkenli ğin nasıl meydana geldi ğini ve bazı malzemelerin di ğerlerinden niye daha iletken oldu ğunu, yarıiletken malzemelerde iletkenli ğin nasıl sa ğlandı ğını ö ğreneceksiniz. Ayrıca, bu bölümde enerji bantları içerisinde elektronların nasıl yönlendi ğini göreceksiniz. Çekirde ğin etrafındaki kabuklar enerji bantları ile uyumludur. Enerji bantları birbirlerine çok yakın kabuklarla ayrılmı ştır. Aralarında ise elektron bulunmaz. Bu durum şekil–1.6‘da silisyum kristalinde (dı şarıdan ısı enerjisi uygulanmaksızın) gösterilmi ştir. Şekil–1.6 Durgun silisyum kristalinin enerji band diyagramı. 13 Elektronlar ve Bo şluklarda iletkenlik Saf bir silisyum kristali oda sıcaklı ğında bazı tepkimelere maruz kalır. Örne ğin; bazı valans elektronlar enerji aralıklarından geçerek, valans bandından iletkenlik bandına atlarlar. Bunlara serbest elektron veya iletkenlik elektronları denir. Bu durum şekil–1.7.a‘da enerji diyagramında, şekil–1.7.b‘de ise ba ğ diyagramında gösterilmi ştir. Bir elektron; valans bandından iletkenlik bandına atladı ğında, valans bandında bo şluklar kalacaktır. Bu bo şluklara “delik=bo şluk” veya “hole” denir. Isı veya ı şık enerjisi yardımıyla iletkenlik bandına çıkan her elektron, valans bandında bir delik olu şturur. Bu durum, elektron bo şluk çifti diye adlandırılır. İletkenlik bandındaki elektronlar enerjilerini kaybedip, valans bandındaki bo şlu ğa geri dü ştüklerinde her şey eski haline döner. Özetle; saf silisyumunun iletkenlik bandındaki elektronların bir kısmı oda sıcaklı ğında hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine do ğru rasgeledir. Böylece valans bandındaki bo şluk sayısına e şit miktarda elektron, iletkenlik bandına atlar. Şekil–1.7.a ve b. Hareketli bir silisyum atomunda bir elektron bo şlu ğunun olu şturulması. Elektron ve Delik (hole) akımı Saf silisyumun bir kısmına gerilim uygulandı ğında neler oldu ğu şekil–1.8 üzerinde gösterilmi ştir. Şekilde iletkenlik bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca do ğru gittikleri görülmektedir. Bu; serbest elektronların hareketinin olu ştu ğu akımın bir türüdür. Buna elektron akımı denir. 14 Şekil–1.8 Serbest elektronların sıcaklık olu şturması ile meydana gelen hareket, silisyum içinde bir elektron akı şına neden olur. Akımı olu şturan bir di ğer tip ise valans devresindeki de ği şimlerdir. Bu ise; serbest elektronlar neticesinde bo şlukların olu şması ile meydana gelir. Valans bandında kalan di ğer elektronlar ise hala di ğer atomlara ba ğlı olup serbest de ğillerdir. Kristal yapı içerisinde rasgele hareket etmezler. Bununla birlikte bir valans elektronu kom şu bo şlu ğa ta şınabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir de ği şimle). Böylece bir bo şluktan di ğerine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yapı içerisindeki bo şluklarda bir yerden di ğer yere hareket edecektir. Bu durum şekil–1-8‘da gösterilmi ştir. Bo şlukların bu hareketi de ”akım” diye adlandırılır. 15 1.4 N-T İP İ VE P-T İP İ YARI İLETKENLER Yarıiletken malzemeler, akımı iyi iletmezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede iyi bir yalıtkandırlar. Çünkü valans bandındaki bo şlukların ve ilettim bandındaki serbest elektronların sayısı sınırlıdır. Saf silisyum veya germanyum’un mutlaka serbest elektron veya bo şluk sayısı artırılarak iletkenli ğ i ayarlanmalıdır. İletkenli ğ i ayarlanabilen silisyum veya germanyum, elektronik devre elemanlarının yapımında kullanılır. Germanyum veya silisyumun iletkenli ğ i ise ancak saf malzemeye katkı maddesi eklenmesi ile sa ğlanır. Katkı maddesi eklenerek olu şturulan iki temel yarıiletken materyal vardır. Bunlara; N-tipi madde ve P-tipi madde denir. Elektronik devre elemanlarının üretiminde bu iki madde kullanılır. Bu bölümü bitirdi ğinizde; • Katkı (doping) i şlemini • N-tipi yarıiletken maddenin yapısını • P-tipi yarıiletken maddenin yapısını • Ço ğunluk ve azınlık akım ta şıyıcılarını ayrıntılı olarak ö ğreneceksiniz. Katkı İşlemi (Doping) Silisyum ve germanyumun iletkenli ği kontrollü olarak artırılabilir. İletkenli ği kontrollü olarak artırmak için saf yarıiletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu i şleme “doping” denir. Akım ta şıyıcılarının (elektron veya bo şluk) sayısının artırılması malzemenin iletkenli ğini, azaltılması ise malzemenin direnci artırır. Her iki doping olayının sonucunda N-tipi veya P-tipi madde olu şur. N-Tipi Yarıiletken Saf silisyumun iletkenlik bandındaki deliklerinin artırılması atomlara katkı maddesi ekleyerek yapılır. Bu atomlar, 5-de ğerli valans elektronları olan arsenik (As), fosfor (P), bizmut (Bi) veya antimon’dur. Silisyuma katkı maddesi olarak 5 valans elektrona sahip fosfor belli bir oranda eklendiğinde, di ğer silisyum atomları ile nasıl bir kovalent ba ğ olu şturuldu ğu şekil– 1.10’da gösterilmi ştir. Fosfor atomunun 4 valans elektronu, silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent ba ğ olu şturur. Fosfor’un 1 valans elektronu açıkta kalır ve ayrılır. Bu açıkta kalan elektron iletkenli ği artırır. Çünkü herhangi bir atoma ba ğlı de ğildir. İletkenlik, elektron sayıları ile kontrol edilebilir. Bu ise silisyuma eklenen atomların sayısı ile olur. Katkı sonucu olu şturulan bu iletkenlik elektronu, valans bandında bir bo şluk olu şturmaz. 16 Şekil–1.10 N tipi yarıiletken maddenin olu şturulması. Akım ta şıyıcılarının ço ğunlu ğu elektron olan, silisyum veya germanyum maddesine N- tipi yarıiletken malzeme denir. N-tipi malzemede elektronlar, ço ğunluk akım ta şıyıcıları diye adlandırılır. Böylece N-tipi malzemede akım ta şıyıcıları elektronlardır. Buna ra ğmen ısı ile olu şturulan birkaç tane elektron bo şluk çiftleri de vardır. Bu bo şluklar 5-de ğerli katkı maddesi ile olu şturulmamı şlardır. N-tipi malzemede bo şluklar azınlık ta şıyıcıları olarak adlandırılır. P-Tipi Yarıiletken Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3-de ğerli) atomların belli bir oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yapı olu şur. Bu yeni kristal yapıda delik (bo şluk) sayısı artırılmı ş olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; alüminyum (Al), Bor (B) ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz. Örne ğin; saf silisyum içerisine belli bir oranda bor katılırsa; bor elementinin 3 valans elektronu, silisyumun 3 valans elektronu ile ortak kovalent ba ğ olu şturur. Fakat silisyumun 1 valans elektronu ortak valans ba ğı olu şturamaz. Bu durumda 1 elektron noksanlı ğı meydana gelir. Buna “bo şluk” veya “delik=hole” denir. Silisyuma eklenen katkı miktarı ile bo şlukların sayısı kontrol edilebilir. Bu yöntemle elde edilen yeni malzemeye P tipi yarıiletken malzeme denir. Çünkü bo şluklar pozitif yüklüdür. Dolayısı ile P-tipi malzemede ço ğunluk akım ta şıcıları bo şluklardır. Elektronlar ise P tipi 17 malzemede azınlık akım ta şıyıcılarıdır. P-tipi malzemede bir kaç adet serbest elektronda olu şmu ştur. Bunlar ısı ile olu şan bo şluk çifti esnasında meydana gelmi ştir. Bu serbest elektronlar, silisyuma yapılan katkı esnasında olu şturulamazlar. Elektronlar P-tipi malzemede azınlık akım ta şıyıcılarıdır. Şekil- 1.11 Silisyum kristaline 3 ba ğlı katkı atomu. Bor katkı atomu merkezde gösterilmi ştir. 1.5 PN B İRLE ŞİMİ Silisyum veya Germanyum kristaline yeterli oranda katkı maddeleri eklenerek, P-tipi ve N-tipi maddeler olu şturulmu ştu. Bu maddeler yalın halde elektriksel i şlevleri yerine getiremezler. P ve N tipi malzeme bir arada kullanılırsa, bu birle şime PN birle şimi (junction) veya PN eklemi denir. PN birle şimi; elektronik endüstrisinde kullanılan diyot, transistor v.b devre elemanlarının yapımında kullanılır. Bu bölümü bitirdi ğinizde; • PN biti şiminin özelliklerini • Deplasyon katmanı ve i şlevini ayrıntılı olarak ö ğreneceksiniz. Şekil–1.12.(a)‘da yarısı P-tipi, di ğer yarısı N tipi malzemeden olu şan iki bölümlü bir silisyum parçasını göstermektedir. Bu temel yapı biçimine “yarı iletken diyot” denir. N bölgesinde daha çok serbest elektron bulunur. Bunlar akım ta şıyıcıcısı olarak görev yaparlar ve “ço ğunluk akım ta şıyıcısı” olarak adlandırılırlar. Bu bölgede ayrıca ısı etkisi ile olu şturulan 18 birkaç bo şluk (delik=hole) bulunur. Bunlara ise “azınlık akım ta şıyıcıları” adı verilir. Şekil–1.12.a ve b Basit bir PN yapısının olu şumu. Ço ğunluk ve azınlık ta şıyıcılarının ikisi de gösterilmi ştir. P bölgesi ise çok sayıda bo şluklar (delik=hole) içerir. Bunlara “ço ğunluk akım ta şıyıcıları” denir. Bu bölgede ısı etkisi ile olu şan birkaç serbest elektronda bulunur. Bunlara ise “azınlık akım ta şıyıcıları” denir. Bu durum şekil–1.12.(b)‘de gösterilmi ştir. PN birle şimi elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların, transistorların ve di ğer katkı hal devrelerinin temelini olu şturur. Deplesyon Katmanı ve İşlevi P maddesinde elektron noksanlı ğı (bo şluk), N maddesinde ise elektron fazlalı ğı meydana gelmi şti. Elektron ve oyukların hareket yönleri birbirine zıttır. Aslında bu iki madde ba şlangıçta elektriksel olarak nötr haldedir. P ve N maddesi şekil–1.13.a’da görüldü ğü gibi birle ştirildi ğini kabul edelim. Birle şim oldu ğu anda N maddesindeki serbest elektronlar, P maddesinde fazla olan oyuklarla (bo şluk=delik) birle şirler. P maddesindeki fazla oyukların bir kısmı ise, N maddesine gelip elektronlarla birle şirler. Bu durumda P maddesi net bir (-) yük, N maddesi ise (+) yük kazanmı ş olur. Bu olay olurken P maddesi (-) yüke sahip oldu ğundan N maddesindeki elektronları iter. Aynı şekilde, N maddesi de (+) yüke sahip oldu ğundan P maddesindeki oyukları iter. Böylece P ve N maddesi arasında daha fazla elektron ve oyuk akmasını engellerler. Yük da ğılımın belirtildi ği şekilde olu şması sonucunda PN birle şiminin arasında “gerilim seddi” denilen bir bölge (katman) olu şur. Bu durum şekil–1.13.b’de resmedilmi ştir. İletim dengesi sa ğlandı ğında deplesyon katı, P-N birle şiminde iletim elektronu bulunmadı ğı noktaya kadar geni şler. 19 Şekil–1.13.a ve b PN birle şiminin denge iletimi. Elektron bo şluk çiftinin olu şturdu ğu sıcaklıkla, N bölgesindeki birkaç bo şlu ğun azınlık ta şıyıcılarının meydana getirilmesi. Şekil–1.13.b’de PN birle şim bölgesinde pozitif ve negatif iyonlarla olu şturulan gerilim seddi görülmektedir. Olu şan bu gerilim seddi; 250 C’de silisyum için engel 0.7 volt, germanyum için 0.3 volt civarındadır. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir. Diyot öngerilimi ısıdan etkilenir. Örne ğin sıcaklık miktarındaki her 10C’lik artı ş, diyot öngeriliminin yakla şık 2.3mV azalmasına neden olur. Diyot öngerilimi çok önemlidir. Çünkü PN birle şimine dı şarıdan uygulanan gerilimin olu şturaca ğı akım miktarının kararlı olmasını sa ğlar. İlerideki bölümlerde PN birle şimini ayrıntılı olarak inceleyece ğiz. 1.6 PN B İRLE ŞİMİN İN POLARMALANMASI PN biti şiminin nasıl olu şturuldu ğunu gördük. PN biti şimi elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılan en temel yapıdır. PN birle şimine elektronik biliminde “diyot” adı verilmektedir. Diyot veya di ğer bir elektronik devre elamanının DC gerilimler altında çalı ştırılmasına veya çalı şmaya hazır hale getirilmesine elektronikte “Polarma” veya “bias” adı verilmektedir. PN birle şimi veya diyot; DC gerilim altında iki türde polarmalandırılır. Bunlardan birisi “ileri yönde polarma” di ğeri ise “ters yönde polarma” dır. İleri veya ters yönde polarma, tamamen diyot uçlarına uygulanan gerilimin yönü ile ilgilidir. Bu bölümü bitirdi ğinizde; • İleri yönde polarma (forward bias) • Ters yönde polarma (reverse bias) Kavramlarını ö ğreneceksiniz. 20 İleri Yönde Polarma (Forward Bias) İleri yönde polarma; yarıiletken bir devre elemanının uçlarına uygulanan DC gerilimin yönü ile ilgilidir. PN birle şiminden akım akmasını sa ğlayacak şekilde yapılan polarmadır. Şekil-1.14‘de bir diyota ileri yönde polarma sa ğlayacak ba ğlantı görülmektedir. Şekil–1.14 İleri yönde polarma ba ğlantısı. R, direnci akım sınırlamak amacıyla kullanılmı ştır. İleri yönde polarma şöyle çalı şır. Bataryanın negatif ucu N bölgesine (Katot olarak adlandırılır), pozitif ucu ise P bölgesine (Anot olarak adlandırılır) ba ğlanmı ştır. Bataryanın negatif terminali, N bölgesindeki iletkenlik elektronlarını birle şim bölgesine do ğru iter. Aynı anda pozitif terminal, P bölgesindeki oyukları birle şim bölgesine iter. Uygulanan polarma gerilimi yeterli seviyeye ula şınca; N bölgesindeki elektronların ve P bölgesindeki oyukların engel bölgesini a şmasını sa ğlar. N bölgesinden ayrılan elektronlara kar şılık, bataryanın negatif ucundan çok sayıda elektron girmesini sa ğlar. Böylece N bölgesinde iletkenlik elektronlarının hareketi (ço ğunluk akım ta şıyıcıları) eklem bölgesine do ğrudur. Kar şıya geçen iletkenlik elektronları, P bölgesinde bo şluklar ile birle şirler. Valans elektronları bo şluklara ta şınır ve bo şluklar ise pozitif anot bölgesine ta şınır. Valans elektronlarının bo şluklarla birle şme i şlemi PN uçlarına voltaj uygulandı ğı sürece devam eder ve devamlı bir “akım” meydana gelir. Bu durum şekil–1.15’de resmedilmi ştir. Şekilde ileri yönde bayaslanan diyottaki elektron akı şı görülmektedir. 21 Şekil–1.15: PN birle şimli diyot ‘ta elektron akı şı. İleri polarmada Gerilim seddinin etkisi PN birle şiminde meydana gelen gerilim seddi, Silisyumda 0.7V, germanyumda ise 0.3V civarındadır. Polarma geriliminin potansiyeli bu de ğere ula ştı ğında, PN birle şiminde iletim ba şlar. PN uçlarına uygulanan gerilim, diyotu bir kez iletime geçirdikten sonra gerilim seddi küçülür. Akım akı şı devam eder. Bu akıma ileri yön akımı I f denir. I f akımı P ve N bölgesinin direncine ba ğlı olarak çok az de ği şir. Bu bölgenin direnci (ileri yöndeki direnç) genellikle küçüktür ve küçük bir gerilim kaybına sebep olur. Ters Polarma (Reverse Bias) Ters kutuplamada bataryanın negatif ucu P bölgesine, pozitif ucu ise N bölgesine ba ğlanmı ştır. Bu durum şekil–1.16‘da gösterilmi ştir. Ters polarmada PN birle şiminden akım akmaz. Bataryanın negatif ucu, PN bölgesindeki bo şlukları kendine do ğru çeker. Pozitif ucu ise PN bölgesindeki elektronları kendine do ğru çeker ve bu arada (deplesyon bölgesi) yalıtkan katman geni şler. N bölgesinde daha çok pozitif iyonlar, P bölgesinde ise daha çok negatif iyonlar olu şturulur. 22 Şekil–1.16 Ters Polarma ba ğlantısı. Yalıtkan (deplesyon) katmandaki potansiyel farkı harici bayas gerilimine e şit oluncaya kadar geni şler. Bu noktada bo şlukların ve elektronların hareketi durur. Birle şimden ço ğunluk akım ta şıyıcılarının harekete ba şlaması (transient ) akımı diye adlandırılır. Bu ise ters kutuplama yapıldı ğında çok kısa bir anda akan bir akımdır. Şekil-1.17 Ters polarmada olu şan engel katmanı 23 Diyot ters kutuplandı ğında engel katmanının yalıtkanlı ğı artacak ve her iki taraftaki iyonlar şarj olacaktır. Bu durum kapasitif bir etki yaratır. Ters kutuplama gerilimi arttıkça engel katmanı geni şler. Bu arada kapasitans’da artacaktır. Bu durum, deplesyon katmanının kapasitansı diye bilinir ve bu durum pratik kolaylıklar sa ğlar. Azınlık Akımı Şimdiye kadar ö ğrendi ğimize göre; diyota ters gerilim uygulandı ğında ço ğunluk akım çabucak sıfır olur. Ancak ters kutuplama da bile çok az bir azınlık akımı mevcut olacaktır. Bu ters akım germanyumda, silisyum‘a göre daha fazladır. Bu akım silisyum için mikroamper veya nano amperler mertebesindedir. Dolayısı ile ısı ile olu şan elektron bo şluk çifti ise minimum seviyesindedir. Harici ters gerilim; uygulanırken bazı elektronlar PN birle şimini geçecektir. Ters akım aynı zamanda birle şimin ısısına ve ters kutlama geriliminin miktarına ba ğlıdır dolayısı ile ısının artması ters akımı da artıracaktır. Ters Yönde Kırılma E ğer dı şarıdan uygulanan ters polarma gerilimi a şır derecede artırılırsa çı ğ kırılması meydana gelir. Şimdi bu ne demektir? Azınlık akım ta şıyıcıları olan iletkenlik bandı elektronlar dı şarıdan uygulanan ters gerilim kayna ğının etkisi ile P bölgesine itilirler. Bu esnada valans elektronları iletkenlik bandına do ğru hareket ederler. Bu anda iki tane iletkenlik bandı elektronu mevcuttur. Her biri bir atomda bulunan bu elektronlar; valans bandından, iletkenlik bandına hareket eder. İletkenlik bandı elektronlarının hızla ço ğalması olayı, çı ğ etkisi olarak bilinir. Sonuç olarak büyük bir ters akım akar. Ço ğu diyotlar genelde ters kırılma bölgesinde çalı şmazlar. Çünkü hasar görebilirler. Bununla birlikte bazı diyotlar sırf ters yönde çalı şacak yönde yapılmı şlardır. Bunlara “Zener Diyot” adı verilir. 1.7 D İYOT Önceki bölümlerde olu şturulan PN birle şimine elektronik endüstrisinde “diyot” adı verilmektedir. Diyot, elektronik endüstrisinin temelini olu şturan en basit aktif devre elemanıdır. Üretici firmalar kullanıcının gereksinimine ba ğlı olarak farklı akım ve gerilim de ğerlerinde çalı şabilecek şekilde binlerce tip diyot üretimi yapmı şlardır. Bu bölümde diyotun nasıl çalı ştı ğını, akım-gerilim karakteristiklerini ayrıntılı olarak inceleyece ğiz. Bu bölümde sırasıyla; 24 • Diyot sembolünü • İdeal diyot modelini • Pratik diyot modelini • Diyot’un polarmalandırılmasnı, • Diyot’un V-I karakteristi ğini • Diyot direncini • Diyotlarda yük do ğrusu ve çalı şma karakteristi ğini • Diyotun sıcaklıkla ili şkisini ö ğreneceksiniz. Bu bölümde ö ğrenece ğiniz temel çalı şma prensipleri, ileriki bölümlerde diyotlarla yapaca ğınız uygulama ve tasarımlara sizleri hazırlayacaktır. PN Biti şimi ve Diyot Bir önceki bölümde olu şturulan P ve N maddesinin birle ştirilmesi, Diyot adı verilen yarıiletken devre elemanını meydana getirir. P ve N maddesinin birle ştirilmesi i şlemi, diyot üreticileri tarafından bir yüzey boyunca veya belirli bir noktada yapılabilir. Bu nedenle diyotlara “nokta temaslı diyot” veya “yüzey biti şimli diyot” adı da verilebilir. Her iki tip diyotun özellikleri ve çalı şma karakteristikleri aynıdır. Dolayısı ile bu olay üreticileri ilgilendirir. Bizim bu konuyla ilgilenmemize gerek yoktur. Şekil–1.19’da elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların kılıf tipleri ve terminal isimleri verilmi ştir. Şekil–1.19 Diyot’larda kılıf tipleri ve terminal isimleri 25 Elektronik biliminde her devre elemanı sembollerle ifade edilir. Sembol tespiti bir takım uluslararası kurallara göre yapılmaktadır. Şekil–1.20’de diyot’un temel yapısı ve şematik diyot sembolleri verilmi ştir. Şekil–1.20 Diyot’un yapısı ve şematik diyot sembolleri Şekil–1.20’de görüldü ğü gibi diyot 2 terminalli aktif bir devre elemanıdır. Terminallerine i şlevlerinden dolayı “anot” ve “katot” ismi verilmi ştir. Anot terminalini P tipi madde, katot terminalini ise N tipi madde olu şturur. Bu bölümde genel amaçlı do ğrultmaç diyotlarını ayrıntıları ile inceleyece ğiz. Elektronik endüstrisinde farklı amaçlar için tasarlanmı ş, i şlevleri ve özellikleri farklılıklar gösteren diyotlarda vardır. Bu diyotlar, özel tip diyotlardır. İleriki bölümlerde incelenecektir. İdeal Diyot Modeli İdeal diyotu tek yönlü bir anahtar gibi dü şünebiliriz. Anot terminaline göre; katot terminaline negatif bir gerilim uygulanan diyot, do ğru (ileri) yönde polarmalandırılmı ş olur. Diyot, do ğru yönde polarmalandı ğında kapalı bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin verir. Direnci minimumdur. Bu durum şekil–1.21.a’da görülmektedir. Anot terminaline göre; katot terminaline pozitif bir gerilim uygulanan diyot ters yönde polarmalandırılmı ş olur. İdeal diyot ters yönde polarmalandırıldı ğında, açık bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin vermez ve direnci sonsuzdur. Bu durum şekil– 1.21.b’de gösterilmi ştir. İdeal bir diyot’un Akım-gerilim karakteristi ği ise şekil–1.21.c’de verilmi ştir. 26 Şekil–1.21 İdeal diyot’un ileri ve ters polarmada davranı şları Pratik Diyot Modeli Pratik kullanımda diyot, ideal modelden farklı davranı şlar sergiler. Örne ğin; do ğru polarma altında kapalı bir anahtar gibi kısa devre de ğildir. Bir miktar direnci vardır. Bu nedenle üzerinde bir miktar gerilim dü şümü olu şur. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir ve V f veya V d sembolize edilir. Bu gerilim de ğeri; silisyumda 0.7V, germanyumda ise 0.3V civarındadır. Gerçek bir diyot’un do ğru polarma altında modellemesi şekil–1.22.a’da verilmi ştir. Ters yönde polarmada ise, açık bir anahtar gibi direnci sonsuz de ğildir. Bu nedenle üzerinden çok küçük bir miktar akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir ve I r ile sembolize edilir. Sızıntı akımı çok küçük oldu ğundan pek çok uygulamada ihmal edilebilir. Gerçek bir silisyum diyotun V-I karakteristi ği ise şekil–1.22.c’de verilmi ştir. Örne ğin; şekil–1.22.a’da görülen do ğru polarma devresinde diyot üzerinden geçen ileri yön akım de ğeri I f ; Şekil–1.22 Pratik bir diyot’un ileri ve ters polarmada davranı şları 27 1.8 D İYOT KARAKTER İST İKLER İ Diyot karakteristi ği; diyota uygulanan polarma gerilimi ve akımlarına ba ğlı olarak diyotun davranı şını verir. Üretici firmalar; ürettikleri her bir farklı diyot için, gerekli karakteristikleri kullanıcıya sunarlar. Bu bölümde; • Diyot’un V-I karakteristi ğini • Diyot direncini • Yük do ğrusu ve çalı şma noktasını • Diyot karakteristi ğinin sıcaklıkla ili şkisini ayrıntılı olarak inceleyece ğiz. Diyot’un V-I karakteristi ği Diyot’un V-I karakteristi ği; diyot uçlarına uygulanan gerilimle, diyot üzerinden geçen akım arasındaki ili şkiyi gösterir. Diyot; do ğru ve ters polarma altında farklı davranı şlar sergiler. Genel kullanım amaçlı silisyum diyotun do ğru ve ters polarmalar altındaki V-I karakteristi ği şekil–1.23’de verilmi ştir. Şekil–1.23 üzerinde diyotun V-I karakteristi ğini çıkarmak için gerekli devre ba ğlantıları görülmektedir. Diyot, do ğru polarmada iletimdedir. Ancak iletime ba şlama noktası V d olarak i şaretlenmi ştir. Bu de ğerden sonra diyot üzerinden akan ileri yön I f akımı artarken, diyot üzerine dü şen gerilim yakla şık olarak sabit kalmaktadır. Bu gerilim diyot öngerilimi olarak adlandırılır. Diyot öngerilimi silisyum bir diyot’ta yakla şık olarak 0.7V civarındadır. Ters polarma altında ise; diyot üzerinden geçen akım miktarı çok küçüktür. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı, silisyum bir diyot’ta birkaç nA seviyesinde, germanyum bir diyot’ta ise birkaç µA seviyesindedir. Ters polarma altında diyot, belirli bir gerilim de ğerinden sonra iletime geçer. Üzerinden akan akım miktarı yükselir. Ters polarma altında diyot’u kırılıp iletime geçmesine neden olan bu gerilime “kırılma gerilimi” denir. Bu durum şekil–1.23 üzerinde gösterilmi ştir. 28 Şekil–1.23 Silisyum diyot’un V-I karakteristi ği Diyot; kırılma geriliminde iletime geçmekte ve üzerinden akım akmasına izin vermektedir. Şekil–1.23’deki grafik dikkatlice incelenirse, diyot üzerinden akan akım arttı ğı halde, gerilim sabit kaldı ğı gözlenmektedir. Bu durum önemlidir. Üretici firmalar, bu durumu dikkate alarak farklı de ğerlerde kırılma gerilimine sahip diyotlar geli ştirip, tüketime sunmu şlardır. Bu tür diyotlara “zener diyot” adı verilir. Zener diyotlar, ileri bölümlerde ayrıntılı olarak incelenecektir. Şekil–1.23’de verilen diyot karakteristi ğinde; diyot’un kırılıp akım akıtmaya ba şlaması, a şa ğıda verilen e şitlik ile açıklanabilir. 29 Bu formülde; I, Diyot akımını I 0 , Ters polarmada sızıntı akımını V, Diyot uçlarına uygulanan polarma gerilimini q, Elektron şarj miktarını (Coulomb olarak) T, pn birle şim sıcaklı ğını (K cinsinden) k, Boltzman sabitini ?, Metale ba ğımlı bir sabite (Ge:1, Si=2) Silisyum ve germanyum diyotların akım-gerilim karakteristik e ğrileri şekil–1.24’de birlikte verilmi ştir. Görüldü ğü gibi germanyum diyotların sızıntı akımı çok daha büyüktür. Bu nedenle günümüzde silisyum diyotlar özellikle tercih edilir. Germanyum diyotlar, ise öngerilimlerinin küçük olmaları nedeniyle (0.2–0.3V) özellikle alçak güçlü yüksek frekans devrelerinde kırpıcı olarak kullanılmaktadırlar. Şekil–1.24 Silisyum ve germanyum diyot karakteristiklerinin kar şıla ştırılması 30 Diyot Direnci Diyot’un elektriksel olarak direnci; diyot uçlarındaki gerilimle diyot üzerinden geçen akımın oranına göre tayin edilir. Diyot direnci, karakteristi ğinde görüldü ğü gibi do ğrusal de ğildir. Do ğru polarma altında ve iletim halindeyken, direnci minimum 10 ? civarındadır. Ters polarma altında ve kesimdeyken ise 10M ? -100M ? arasındadır. Diyotun do ğru akım altında gösterdi ği direnç de ğerine “statik direnç” denir. Statik direnç (r s ) a şa ğıdaki gibi formüle edilir. Alternatif akım altında gösterdi ği direnç de ğerine “dinamik direnç” denir. Dinamik direnç (r D ) a şa ğıdaki gibi formüle edilir. Diyotlarda; dinamik veya statik direnç de ğerlerinin hesaplanmasında diyot karakteristi ği kullanılır. Şekil–1.25’de silisyum bir diyotun ileri yön karakteristi ği verilmi ştir. Şekil–1.25 Statik ve Dinamik diyot dirençlerinin belirlenmesi 31 Statik ve dinamik diyot dirençlerinin belirlenip formüle edilmesinde şekil–1.25’de görülen diyot karakteristi ğinden yararlanılır. Şekilde görülen karakteristikte de ği şim noktaları Q 1 , Q 2 ve Q 3 olarak i şaretlenmi ştir. Örne ğin Q 1 ve Q 2 noktalarında diyot’un statik direnci; olarak bulunur. Diyot’un dinamik direnci ise, akım ve gerilimin de ği şmesi ile olu şan direnç de ğeridir. Örne ğin Q2 noktasındaki dinamik direnç de ğerini bulmak istersek, Q2 noktasındaki de ği şimin (Q1 … Q3 de ği şimi gibi) küçük bir de ği şimini almamız gerekir. Elde edilen bu e şitlik ters polarmada da kullanılabilir. Yük Do ğrusu ve Çalı şma Noktası Diyot, direnç ve DC kaynaktan olu şan basit bir devre şekil–1.26.’da verilmi ştir. Devrede diyot do ğru yönde polarmalandırılmı ştır. 32 Diyot ideal kabul edilirse devreden akacak akım miktarı; olaca ğı açıktır. Gerçek bir diyot kullanıldı ğında ise; devreden akacak I akımı miktarına ba ğlı olarak diyot uçlarında V D ile belirlenen bir diyot öngerilimi olu şacaktır. Bu gerilim de ğeri lineer de ğildir. Bu gerilim de ğerinin; V F =V DD -I F -R olaca ğı açıktır. Ayrıca devreden akan akacak olan I d akımı de ğerinin V DD gerilimine ba ğlı olarak da çe şitli de ğerler alaca ğı açıktır. Çe şitli V DD de ğerleri veya I f de ğerleri için, diyot ön gerilimi V D ’nin alabilece ği de ğerler diyot karakteristi ği kullanılarak bulunabilir. V DD geriliminin çe şitli de ğerleri için devreden akacak olan I f akım de ğerleri bulunup karakteristik üzerinde i şaretlenir ve kesi şim noktaları birle ştirilirse şekil–1.26’da görülen e ğri elde edilir. Bu e ğriye yük do ğrusu denilir. Yük do ğrusu çizimi için; I f = 0 için V f = V DD (Diyot yalıtkan) V f = 0 için I f = V DD /R (Diyot iletken) Bulunan bu de ğerler karakteristik üzerindeki koordinatlara i şaretlenir. İşaretlenen noktalar karakteristik üzerinde birle ştirilirse yük do ğrusu çizilmi ş olur. Bu durum şekil-1.26 üzerinde gösterilmi ştir. Diyot karakteristik e ğrisinin yük çizgisini kesti ği nokta Q çalı şma noktası olarak bilinir. Yük çizgisinin e ğimi ise -1/R’dir. Şekil-1.26’da verilen devreye ba ğlı olarak yük do ğrusu bir defa çıkarıldıktan sonra V DD ’nin herhangi bir de ğeri için akacak akım miktarı ve buna ba ğlı olarak R direnci uçlarında olu şabilecek gerilim de ğeri kolaylıkla bulunabilir. Yük do ğrusu ve çalı şma noktasının tayini; diyot’u özellikle hassas kullanımlarda duyarlı ve pratik çalı şma sa ğlar. 33 Sıcaklık Etkisi Diyot karakteristi ği ile ilgili bir di ğer faktör ise sıcaklıktır. Üretici firmalar diyotun karakteristik de ğerlerini genellikle 250C oda sıcaklı ğı için verirler. Diyot’un çalı şma ortamı ısısı, oda sıcaklı ğından farklı de ğerlerde ise diyot öngeriliminde ve sızıntı akımında bir miktar de ği şime neden olur. • Diyot öngerilimi V f ; her 10C’lik ısı artı şında yakla şık 2.3mV civarında azalır. • Diyot sızıntı akımı I0; her 100C’lik ısı artı şında yakla şık iki kat olur. Diyot’un ısı de ği şimine kar şı gösterdi ği duyarlılık oldukça önemlidir. Örne ğin bu duyarlılıktan yararlanılarak pek çok endüstriyel ısı ölçümünde ve kontrolünde sensor olarak diyot kullanılır. Örnek:1.1 a) Şekil–1.27.a’da verilen devre için diyot üzerinden akan ileri yön akımını ideal ve pratik bir silisyum diyot için bulunuz. b) Şekil–1.27.b’de verilen devre için ters yön gerilim ve akım de ğerlerini ideal ve pratik bir silisyum diyot için bulunuz. Diyot ters yön akımı I R =1µA Şekil–1.27.a ve b Diyot devreleri 34 Çözüm:1.1 a) İdeal Diyot Modeli; Pratik Diyot Modeli; b) İdeal Diyot Modeli; 35 Pratik Diyot Modeli; Örnek: 1.2 a) Şekil–1.28’de verilen devrede germanyum diyot kullanılmı ştır. Diyot’un dayanabilece ği maksimum akım de ğeri 100mA oldu ğuna göre R direncinin minimum de ğeri ne olmalıdır? Diyot ve direnç üzerinde harcanan güçleri bulunuz? b) Aynı devrede verilen diyot karakteristi ğini kullanarak diyot’un ac dinamik direncini bulunuz? Şekil-1.28 Diyot devresi ve V-I karakteristi ği 36 Çözüm: Diyot Testi Diyot, sayısal veya analog bir multimetre yardımıyla basitçe test edilebilir. Analog bir multimetre ile ölçme i şlemi Q konumunda yapılır. Sa ğlam bir diyot’un ileri yön direnci minumum, ters yön direnci ise sonsuz bir de ğerdir. Test i şlemi sonucunda diyot’un anot-katod terminalleri de belirlenebilir. Şekil–1.29’da diyot’un sayısal bir multimetre yardımıyla nasıl test edilece ği gösterilmi ştir. Test i şlemi sayısal multimetrenin “Diyot” konumunda yapılır. Multimetrenin gösterdi ği de ğer diyot üzerindeki öngerilimidir. Bu gerilim; do ğru polarmada silisyum diyotlarda 0.7V civarındadır. Germanyum diyotlarda ise 0.3V civarındadır. Ters polarmada her iki diyot tipinde multimetrenin pil gerilimi (1.2V) görülür. 37 Şekil–1.25 Sayısal multimetre ile diyot testi 1.9 BÖLÜM ÖZETi • Do ğadaki tüm maddeler atomlardan olu şur. Klasik bohr modeline göre atom 3 temel parçacıktan olu şur. Proton, nötron ve elektron. • Atomik yapıda nötron ve protonlar merkezdeki çekirde ği olu şturur. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dola şırlar. Protonlar pozitif yüklüdür. Nötronlar ise yüksüzdür. • Elektronlar, çekirdekten uzakta belirli yörüngelerde bulunurlar ve negatif yüklüdürler. Yörüngedeki elektronlar atom a ğırlı ğı ve numarasına ba ğlı olarak belirli sayılardadırlar. • Atomun yörüngeleri K-L-M-N olarak adlandırılırlar. Bir atomun son yörüngesindeki elektron miktarı 8’den fazla olamaz. • Atomun son yörüngesindeki elektronlar “valans elektron” olarak adlandırılırlar. Valans elektronlar maddenin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak tanımlanmasında etkindirler. • Yarıiletken materyaller 4 adet valans elektrona sahiptir. Elektronik endüstrisinde yarıiletken devre elemanlarının üretiminde silisyum ve germanyum elementleri kullanılır. • Silisyum veya germanyum elementlerine katkı maddeleri eklenerek P ve N tipi maddeler olu şturulur. P ve N tipi maddeler ise elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılırlar. • P ve N tipi maddelerin birle şimi diyot’u olu şturur. Birle şim i şlemi bir noktada yapılabildi ği gibi yüzey boyunca da yapılabilir. Bu nedenle diyotlar genellikle yüzey birle şimli veya nokta temaslı olarak imal edilirler. Her iki tip diyot’unda temel özellikleri aynıdır. • Diyot elektronik endüstrisinin en temel devre elemanlarından biridir. İki adet terminale sahiptir. N tipi maddeden olu şan terminale Katot, P tipi maddeden olu şan terminale Anot 38 ismi verilir. • Diyot iki temel çalı şma biçimine sahiptir. Bunlar İletim ve kesim modunda çalı şmadır. • Diyot’un anoduna; katoduna nazaran daha pozitif bir gerilim uygulanırsa diyot iletim bölgesinde çalı şır ve iletkendir. Diyot’un anoduna; katoduna nazaran daha negatif bir gerilim uygulanırsa diyot kesim bölgesinde çalı şır yalıtkandır. • İletim bölgesinde çalı şan bir diyot üzerinde bir miktar gerilim dü şümü olu şur. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir. Diyot öngerilimi silisyum bir diyot üzerinde yakla şık 0.7V, Germanyum bir diyot üzerinde ise yakla şık 0.3V civarındadır. • Diyot öngerilimi bir miktar diyot’un çalı şma ortamı ısısına ba ğımlıdır. Diyot öngerilimi 10C sıcaklık artmasına kar şın yakla şık 2.3mV azalır. • Kesim bölgesinde çalı şan bir diyot, pratik olarak açık devre (direnci sonsuz) de ğildir. Üzerinden çok küçük bir bir miktar akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Bu de ğer nA ile µA’ler mertebesindedir. • Sızıntı akım de ğeri germanyum diyotlarda silisyum diyotlardan bir miktar daha fazladır. Sızıntı akımı diyot’un çalı şma ısısından etkilenir. Örne ğin her 100C sıcaklık artı şında sızıntı akımı yakla şık iki kat olur. • Analog veya sayısal bir ohmmetre kullanılarak diyotların sa ğlamlık testi yapılabilir. Test i şlemi sonucunda ayrıca diyot’un anot ve katot terminalleri belirlenebilir.