Elektronik Elektronik KAYNAKLAR Ali Aminian, Marian K. Kazmirzcuk, 2004, Electronic Devices, A design approach, Prentice Hall Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky, Elektronik Elemanlar ve Devre Teorisi, MEB Yayınları, DE ĞERLEND İRME Final %50 Vize %50 (%20 Vize sınavı+%10 Lab+%10 Quiz+%10 Proje) YARI YARI İ İLETKEN D LETKEN D İ İYOTLAR YOTLAR 1.1 Giri ş 1.2 Genel Karakteristikler 1.3 Enerji Düzeyleri 1.4 Katkılı Malzemeler - n- ve p- Tipi 1.5 İdeal Diyot 1.6 Temel Yapı ve Karakteristikler 1.7 DC veya Statik Direnç 1.8 AC veya Dinamik Direnç 1.9 Ortalama AC Direnci 1.10 E şde ğer Devreler Diyot Modelleri 1.11 Sürüklenme ve Difüzyon ( Yayılma ) Akımları 1.12 Geçi ş ve Difüzyon Kapasitansı 1.13 Tıkanma Süresi 1.14 Sıcaklık Etkileri 1.15 Diyot Bilgi Sayfaları 1.16 Yarıiletken Diyot Sembolleri 1.17 Diyotun Ohmmetre İle Test Edilmesi G G İ İR R İŞ İŞ 1940’ların sonlarına do ğru yarıiletken transistörün ortaya çıkmasından sonraki yirmi-otuz yıl, elektronik endüstrisinde çok dramatik de ği şikliklere tanık olmu ştur. Gerçekle şen minyatürle şme, sınırları konusunda bizi merak içersinde bırakıyor. Daha önceki devrelerin tek bir elemanından binlerce kat daha küçük bir pul üzerine şimdi komple sistemler yerle ştirilebilmektedir. Daha önceki yılların tüplü devreleriyle kıyaslandı ğında yarıiletken sistemleriyle ilgili olan avantajlar büyük çapta hemen görülebilir: daha küçük ve hafif olmaları, ısıtıcı gereksinimini veya (tüplerde oldu ğu gibi) ısıtıcıdan kaynaklanan kayıpların olmaması, daha sert yapıda ve daha verimli olmaları ve ısınma sürelerine gerek duymamaları. Minyatürizasyonun sınırları üç faktörle sınırlı gibi görünüyor: yarıiletken malzemenin kalitesi, devre tasarım tekni ği ile üretim ve i şleme donanımının sınırları. GENEL KARAKTER GENEL KARAKTER İ İST ST İ İKLER KLER Bir maddenin özdirenci Şekil 1.1’de gösterildi ği gibi 1 cm uzunlu ğunda ve 1cm 2 kesite sahip bir malzeme örne ğinin direnci esas alınarak incelenebilir. Bir maddenin direncine ili şkin denklemin (belli bir sıcaklıkta) R=pl / A ile belirlendi ğini hatırlayın; burada R, ölçülen omik direnci, 1 malzeme örne ğinin uzunlu ğunu, A kesitini ve p’da özdirenci göstermektedir. p= RA / l => ?. cm 2 / cm = ?.cm olarak bulunur. iletken Yarıiletken Yalıtkan P ? 10 -6 ?.cm p ? 50 ?.cm(Germanyum) p ? 10 12 ?.cm (bakır) p ? 50x 10 3 ?.cm(silisyum) (mika) Ge ve Si kristali, Şekil 1.2’de gösterilen üç boyutlu elmas yapısına sahiptir. En yaygın olarak kullanılan yarıiletken maddelerden germanyum ve silisyumun Bohr modelleri, Şekil 1.3’de gösterilmi ştir. Şekil 1.4’de silisyum için gösterildi ği gibi, 4 kom şu atoma ba ğlıdır. Şekil1.3 Atomik yapı(a)germanyum(b)silisyum Şekil1.4 Silisyum atomun kovalent ba ğla şımı ENERJ ENERJ İ İ D DÜ ÜZEYLER ZEYLER İ İ W(enerji)= P (güç) . t (zaman) P= W.I W=VIt I= Q/t veya Q= It (1.2) Bir elektron yükü ve 1 voltluk bir potansiyel farkını denklem 1.2’de yerine koyarsak, bir elektron volt denilen bir enerji düzeyi bulmu ş oluruz. Enerji aynı zamanda jul birimiyle ölçüldü ğü ve elektronun yükü = 1,6x10-19 coulomb oldu ğu için, W= QV = (1,6x10-19C) (1V) (1.3) W=QV joule 1eV=1.6x10 -19 JŞekil1.5 Enerji düzeyleri:(a) Yalıtılmı ş atomik yapılarda ayrık düzeyler (b) Yalıtkan, yariletken ve iletkende iletim ve valans bantları KATKILI MALZEMELER KATKILI MALZEMELER – –n n- - ve p ve p- - T T İ İP P İ İ n n- - Tipi Malzeme Tipi Malzeme n- tipi malzeme, antimon, arsenik ve fosfor gibi be ş valans elektronuna sahip(pentavalans) katkı maddeleri eklenerek olu şturulur. n-tipi malzemede antimon katkısı Şekil1.7 Enerji bandı yapısı üzerinde verici katkısının etkisi p p- - Tipi Malzeme Tipi Malzeme p- tipi malzeme, saf bir germanyum veya silisyum kristaline üç valans elektronuna sahip katkı atomları eklenerek olu şturulur. Şekil1.8 p-tipi malzemede boron katkısı Şekil1.9 Elektron-delik akı şı Şekil1.10 (a)n-tipi malzeme İ İDEAL D DEAL D İ İYOT YOT İdeal diyot sırasıyla Şekil 1.11a ve 1.11b’deki sembol ve karakteristiklere sahip iki uçlu bir elemandır. Diyota ili şkin önemli parametrelerden bir tanesi çalı şma bölgesi veya noktasındaki dirençtir. Şekil 1.11a’da i d’nin yönü ve V d’nin polaritesi ile tanımlanan bölgeyi ( Şekil 1.11b’nin sa ğ üst bölgesi) dikkate alacak olursak, Ohm kanunu ile belirlenen ileri yön direnci R f’nin de ğerinin; R f= V f / I f = 0 / 2,3,mA, …., veya pozitif de ğer= O ? oldu ğunu buluruz; burada V f, diyot üzerindeki ileri yön gerilimin ve If ise diyot’tan geçen ileri yön akımıdır. Bu nedenle ideal diyot, ileri yönde iletim için bölgesi için kısa devre elemanıdır. ( İ d ? O) Şekil1.11 İdeal diyot (a) Sembol (b) Karakteristik Şimdi Şekil 1.11b’nin ters yönde uygulanan potansiyeline ili şkin bölümüne (üçüncü çeyrek) bakacak olursak, Rr= Vr / Ir = -5,-20, veya ters yönde herhangi bir potansiyel de ğeri/ O = Çok büyük sayı, amacımıza uygun olması için sonsuz ( ?) kabul edece ğiz. Burada Vr, diyot üzerindeki ters yön gerilim ve Ir ise diyottan ters yönde akan akımdır. Bu nedenle ideal diyot, iletimin olmadı ğı bölgede bir açık devre elemanıdır( İd = O) Özetle Şekil 1.12’de gösterilen ko şullar geçerlidir. Şekil1.12 Uygulanan öngerilimlemeye göre ideal diyotun iletme ve iletmeme durumları Şekil1.13 Uygulama devrenin akım yönüyle belirlendi ğinde ideal diyotun(a)iletme(b)iletmeme durumları TEMEL YAPI ve KARAKTER TEMEL YAPI ve KARAKTER İ İST ST İ İKLER KLER Şekil1.14 Harici öngerilimlemenin olmadı ğı durumda p-n jonksiyonuTersine Öngerilimleme Durumu İleri Yönde Öngerilimleme Durumu Şekil1.15 Tersine öngerilimlenmi ş p-n jonksiyonu Şekil1.16 İleri öngerilimlenmi ş p-n Jonksiyonu I= I s (e kV / T k -1) Burada Is= Ters yönde doyma akımı k= 11.600 / ? ve id’nin küçük de ğerleri için Ge’de ?= 1 ve Si’de ?= 2’dir. (1.4)’nolu denklemin pratikte Şekil 1.18’in e ğrilerini temsil etti ğini göstermek üzere, 0,5V’luk ileri öngerilimleme voltajının oda sıcaklı ğında (25 ° C) yarataca ğı I akımını bulalım. I s = 1 µA = 1x 10 -6 A k(Si)= 11.600/2= 5800 T k = T e +273°= 25°+273°=298° kV/T k = (5800).(0.5) / 298= 9.732 I= I s (e 9,732 -1)=(1x10 -6 )(16848-1)= 16.848x10 -3 I=16.8 mA Zener Bölgesi Şekil1.19 Si ve Ge yarı iletken diyotların kar şıla ştırılması Germanyum Germanyum – – Silisyum Kar Silisyum Kar şı şıla la ş şt tı ır rı ılmas lması ı DC VEYA STAT DC VEYA STAT İ İK D K D İ İREN RENÇ Ç Diyotun, belirli bir çalı şma noktasındaki direncine dc veya statik direnci denir. Şu şekilde hesaplanır; Şekil 1.20’deki ideal diyot için, I d= 20mA’deki dc direnci; R dc= V D / I D = 0 / 20 mA = 0 ? Beklendi ği gibi;buna karşılık silisyum diyotun dc direnci ise; R dc= V D / I D = 0,8 / 20 mA = 40 ? I d = 20mA’de ideal diyotun direnci 0 ? olarak kalır, ancak şimdi silisyum diyotun direnci; R dc= V D / I D = 0,5 / 2 mA = 250 ? olarak bulunur. V T= 0.7 (Si) V T= 0.3(Ge) R dc =V D / I D Sonuçlar, ileri öngerilimleme bölgesindeki bir diyotun dc direncinin, daha yüksek gerilim ve akımlara yakla ştıkça azaldı ğını göstermektedir. V D = -10V‘daki ters yönde öngerilimleme bölgesinde ideal diyotun direnci, teorik olarak (açık-devreye kar şılık gelecek şekilde) sonsuzdur ve şu formülle hesaplanır; R dc = V D / I D = -10 / 0 mA = ?? Silisyum diyotun direnci ise, R dc = V D / I D = -1O / -2 µA= 5 M ? ki bu da birçok uygulama için açık devreye kar şılık gelir. Belirli bir çalı şma noktasında dc direnci bulunduktan sonra, diyotun yerine Şekil 1.21’de gösterildi ği gibi bir direnç elemanı konularak analize devam edilebilir.AC VEYA D AC VEYA D İ İNAM NAM İ İK D K D İ İREN RENÇ Ç De ği şken bir sinyal uygulanmadı ğı takdirde çalı şma noktası, uygulanan dc düzeyleri tarafından belirlenen ve Şekil 1.22 gösterilen Q- noktası olacaktır. Q-noktasından geçen e ğriye çizilen te ğet, diyot karakteristi ğin bu bölgesi için ac veya dinamik direnci hesaplarken kullanılabilecek akım ve gerilimdeki de ği şimi tanımlayacaktır. Denklem şeklinde yazmak gerekirse: r ac= r d = ?V D / ?I D (1.6) Ö ÖRNEK 1.1 RNEK 1.1 Şekil 1.23’deki karakteristik için: (a) 1. bölge için ac direncini bulun. (b) 2.bölge için ac direncini bulun. (c) (a) ve (b) kısımlarının sonuçlarını kar şıla ştırın. Çözüm: (a) 1. bölge için ?V d =0.72-0.57= 0.15V ?I d = (6-2)mA = 4mA ve rd 1 = ?V D / ?I D= 0.15V / 4mA = 37.5 ? (b) 2. bölge için ?V d= 0.8-0.78= 0.02V ?I d= (30-20) mA= 10mA ve rd2 = 0.02V / 10mA = 2 ? (c) rd1:rd2 oranı= 37,5:2= 18,75:1. Şekil 1.23 d/dV (I)= d/dV [ I s ( e kV/T K-1 ) ] dI / dV = k / TK (I+I s) diferansiyel matemati ğin bazı temel kurallarını uygulayacak olursak genelde I s’den çok çok büyük oldu ğundan I s ihmal edilebilir, dI / dV = ( k / TK ).I Ge ve Si için karakteristi ğin dü şey-yükseli ş bölümünde ?=1 koyarsak k= 11.600 / ? = 11.600 / 1 = 11.600 elde ederiz ve oda sıcaklı ğında, TK= T c +273°= 25 ° +273° =298° böylece k/T K=11.600/298=38.93 ve dI/dV=38.93 sonucunu buluruz. Sonucu bir direnç oranı (R=V/I) elde etmek için çevirirsek dV/dI= 0.026/I r d =dV/dI= 26mV/I D(mA) veya (1.7) Ge, Si r’ d= 26 mV/ I D mA+r B ohm’dur. ( 1.8 ) Dü şük akım düzeyleri için denklem 1.8 ‘in ilk terimi elbette a ğırlıkı olacaktır. I D=1 mA oldu ğunu varsayalım. O halde r B= 2 ? r’ d= 26/52+2=2,5 ? Daha yüksek akım düzeylerinde ikinci terim a ğır basacaktır. I D= 52 mA oldu ğunu varsayalım. O halde r B = 2 ? ve r’ d= 26/52+2 =2,5 ? Örnek 1.1 için 25 mA deki AC direnci 2 ? olarak hesaplanmı ştır. ( 1.7 ) denklemini kullanarak r d= 26 mv / I D mA = 26 /25 = 1,04 ? de ğerini elde ederiz. Bu 1 ? kadarlık fark, rB’nin katkısı olarak dü şünülebilir. ID=4mA’da ac direnci 37.5 ? olarak hesaplanmı ştı. (1.7) denklemini kullanırsak, rd= 26mV/ID(mA)= 26mV/25mA= 6.5 ? ORTALAMA AC D ORTALAMA AC D İ İRENC RENC İ İ Şekil 1.24’te, I bölgesiyle gösterilen durum için, r ort= ?V d/ ?I d ? nok.-nok.=(0.85-0.6)/(5-0.75)x10 -3 = 0,25/ 4,25x10 -3 =58.8 ? II.bölge için r ort= ?V d/ ?I d ? nok.-nok.= 0.7-0/(1.2-0)x10 -3 =583.3 ? R av= ?V d/ ?I d ? nok.-nok. (1.9)E E Ğ ĞDE DE Ğ ĞER DEVRELER ER DEVRELER- -D D İ İYOT MODELLER YOT MODELLER İ İ Denklem (1.9) ile tanımlanan ortalama ac direncidir. Şekil 1.25’de e şde ğer devre e ğrinin altında görülmektedir. Örne ğin bir yarıiletken diyot için IV’ta VF=10mA ise karakteristik yükselmeden önce silisyum için 0.7 volt’luk bir kaymanın gerekli oldu ğunu biliyoruz, buradan; rort=(1-0.7)/10mA=0.3/10mA=30 ? Sonucunu buluruz. Bir çok uygulama için rort, direnci, devrenin di ğer elemanlarına kıyasla gözardı edebilecek kadar küçüktür. Açıklık sa ğlamak için, bir dizi devre parametresi ve uygulamaları için kullanılan diyot modelleri ve parça bazında do ğrusal karakteristikler, şekil 1.27’de verilmi ştir. Ö ÖRNEK 1.2 RNEK 1.2 Şekil 1.28’deki devre verilmi ş olsun: (a) Verilen devre parametreleri düzeylerinde silisyum diyot için hangi modelin daha uygun oldu ğunu belirleyin. (b) R direncine ili şkin akım ve gerilimi hesaplayın. ÇÖ ÇÖZ ZÜ ÜM: M: (a) R, diyotun r ort, de ğerinden çok daha büyük oldu ğundan, rort yakla şıklık açısından ihmal edilebilir. Ancak vr,v’nin %14’ü kadardır ve bu nedenle hesaba katılmalıdır. Seçilen model şekil 1.29’da gösterilmi ştir. (b) Uygulanan gerilim, diyot üzerinde, diyotu kısa devre durumuna getiren bir gerilim yaratmı ştır. Diyot yerine kısa devre e şde ğeri konuldu ğunda, şekil 1.30’daki devre ortaya çıkar, buradan da, VR= V-VT=5-0.7=4.3V ID=IR=VR/R=4.3/2k=2.15mA oldu ğu açıkça görülebilir.S SÜ ÜR RÜ ÜKLENME VE D KLENME VE D İ İF FÜ ÜZYON(YAYILMA) AKIMLARI ZYON(YAYILMA) AKIMLARI Sürüklenme akımı do ğrudan do ğruya bir iletkendeki yük akı şında kar şıla şılan mekanizmayla ilgilidir. Şekil 1.31’de gösterildi ği gibi yarı iletken malzemeye bir gerilim uygulandı ğında, elektronlar do ğal olarak malzemenin pozitif ucuna çekilirler. . Şekil 1.31 Sürüklenme akımı Difüzyon akımı ise en iyi şekilde temiz bir su havuzuna damlatılan bir damla boya örne ği ile açıklanabilir. En sonunda, boyanın yo ğunlu ğu suyun tamamına yayılmı ş olacaktır. Yo ğun boyanın koyu rengi,su içerisinde yayıldıkça yerini daha açık bir tona bırakacaktır. Aynı etki, bir yarı iletken malzeme içerisinde, şekil 1.32a’da gösterildi ği gibi, bir bölge çok yo ğun olarak yüklendi ği zaman gerçekle şir. Elektronlar zamanla şekil 1.32b’de gösterildi ği gibi malzeme içerisinde dengeli olarak yayılır. GE GEÇ Ç İŞ İŞ VE D VE D İ İF FÜ ÜZYON KAPAS ZYON KAPAS İ İTANSI TANSI p-n yarı iletken diyotun da gözönünde bulundurulması gereken iki kapasitif etki vardır. Her iki tip kapasitans hem ileri hem de geri ön gerilimleme bölgesinde görülmekle beraber, her bir bölgede biri di ğerine o kadar baskındır ki biz ancak her bölge için birisinin etkilerini dikkate alaca ğız. Geri ön gerilimleme bölgesinde geçi ş veya bo şaltılmı ş bölge kapasitansı(CT) söz konusuyken, ileri ön gerilim bölgesinde difüzyon(CD) veya saklama kapasitansı a ğır basar Şekil 1.33’de gösterildi ği gibi,bo şaltılmı ş bölge, geri ön gerilim potansiyelinin artmasıyla birlikte büyüyece ğinden bunun sonucunda ortaya çıkan geçi ş kapasitansı dü şecektir. Yukarıda tarif edilen kapasitif etkiler, şekil 1.14’de gösterildi ği üzere, ideal bir diyota ba ğlı bir kondansatörle temsil edilmektedir. TIKANMA S TIKANMA SÜ ÜRES RES İ İ Saklama süresi ile geçi ş aralı ğının toplamına tıkanma süresi denir. Saklama süresi, azınlık ta şıyıcıların kar şı malzemede ço ğunluk ta şıyıcısı durumuna dönmeleri için gereken zamandır. Saklama süresi geçtikten sonra akım, iletmeme durumu düzeyine inecektir. Bu süre ise geçi ş aralı ğıdır. Burada t s : azınlık ta şıyıcıların kar şı malzemede ço ğunluk ta şıyıcı durumuna gelmesi için gereken süre (saklama süresi) t t : saklama süresi sonunda akımın kesime geçmesi için gerekli süre (geçi ş süresi) t rr : tıkanma süresi (t rr =t s +t t ) SICAKLIK ETK SICAKLIK ETK İ İLER LER İ İ Sıcaklık, herhangi bir yarı iletken elemanın tüm karakteristiklerini etkileyecektir. Bir yarı iletken diyotun karakteristi ğinde oda sıcaklı ğının üstünde veya altında kalan sıcaklık de ği şimlerinden dolayı meydana gelen de ği şme, şekil 1.36’da gösterilmi ştir. : D D İ İYOT B YOT B İ İLG LG İ İ SAYFALARI SAYFALARI Belirli yarı iletken elemanlar hakkında bilgiler, üretici tarafından genelde iki şekilde verilir. Ancak her ikisinde de ortak olan bazı bilgiler vardır. Bunlar arasında 1) Maksimum ileri gerilimi V F(maks) (belirlenen bir akım veya sıcaklıkta) 2) Maksimum ileri akımı I F(maks) (belirlenen bir sıcaklıkta) 3) Maksimum ters akımı I R(maks) (belirlenen bir sıcaklıkta) 4) Ters gerilim de ğeri (PIV) veya PRV veya V(BR), burada BR (breakdown) “kırılma” sözcü ğünden gelmektedir.(belirlenen bir sıcaklıkta) 5) Maksimum kapasitans 6) Maksimum f rr 7) Maksimum çalı şma (veya kılıf) sıcaklı ğı gibi bilgiler sayılabilir. E ğer maksimum güç veya harcama de ğeride verilmi şse, a şa ğıdaki çarpıma e şit oldu ğu anla şılmalıdır: PDmaks= VD.ID Burada ID ve VD belirli bir çalı şma noktasındaki diyot akımı ve gerilimidir; de ği şkenlerin maksimum de ğeri a şmaması gerekir. 1.0 1.0 200 175 0.5 175 30 5.0 1.0 70 60 0.5 60 30 100.0 1.0 200 175 0.025 175 5 200.0 1.0 20 10 1 - - 1N463 1N462 1N459A T151 I F (mA) V F (V)V BR (V) V µAV µA İLER İ AKIM 25C° 150C° ELEMAN T İP İ D D İ İF FÜ ÜZYONLU S ZYONLU S İ İL L İ İSYUM S SYUM S İ İSTEM STEM BV…100 mikro amper de125V (M İN)(BAY73) BV…100 mikro amper de200V (M İN)(BA129) MUTLAK MAX. ANMA DE ĞERLER İ Sıcaklıklar -65°C,+200°C Saklama Sıcaklı ğı Aralı ğı +175°C Jonksiyonun Maksimum Çalı şma Sıcaklı ğı +260°C Bacak Sıcaklı ğı Güç Harcaması 25°C Ortam Sıcaklı ğında Toplam Maksimum Güç Har. 500mW Do ğrusal Güç Dü şürme Faktörü 3.33mW/°C Maksimum Gerilim Akımları WIV Ters Yönde Çalı şma Gerilimi BAY73 BA129 100V, 180V IQ Ortalama Do ğrultulmu ş Akım 200mA I F İleri Yönde Sürekli Akım 500mA i f İleri Yönde Tekrarlamal Akım Tepe De ğeri 600mA i f( şok) İleri Yönde Şok AkımıTepe De ğeri Dar.Gn ş=1s 1A ELEKTR İKSEL KARAKTER İST İKLER( aksi belirtilmedikçe 25°C ortam sıcaklı ğında) 6.0 1.00 0.83 0.71 0.60 max 3.0 8.0 500 5.0 1.0 1.00 0.94 0.88 0.80 0.75 0.68 max If=10mA,Vr=35V RL=1-100K ? Ters Yönde Tıkanma Süresi T rr VR=0, f=1MHz pF Kapasitans C IR=100 V 200 125 Kırılma Gerilimi B V VR=20V,TA=125°C VR=100V VR=100V,TA=125 °C VR=180V VR=180V,TA=100 °C nA nA Ters Yön Akımı I R IF= 200mA IF=100mA IF=50mA IF=10mA IF=5mA IF=1mA IF=0.1mA V V V V V V V 0.78 0.69 0.60 0.51 0.85 0.81 0.78 0.69 0.67 0.60 min min İleri Yön Gerilimi V F TEST KO ŞULLARI B İR İ M İ BA129 BAY73 KARAKTER İSTiK SEMBO L S µ A µ nA A µ A µ YARI YARI İ İLETKEN D LETKEN D İ İYOT SEMBOLLER YOT SEMBOLLER İ İ Yarı iletken diyotlar için en sık kullanılan semboller şekil 1.39’da verilmi ştir. Şekil 1.39 Yarı iletken diyot sembolleriD D İ İYOTUN OHMMETRE YOTUN OHMMETRE İ İLE TEST ED LE TEST ED İ İLMES LMES İ İ Test için temel ba ğlantılar şekil 1.40’da verilmi ştir. Sayısal multimetre’lerin ço ğu bir aralık seçimi olarak diyot sembolüyle gösterilen bir diyot test özelli ğine sahiptir.