Temel Elektronik Temel Elektronik - Sabit Bobinler ve Yapıları 30 TEMEL ELEKTRON K Kaya BOB NLER SAB T BOB NLER VE YAPILARI Bobin bir yal ?tkan makara (mandren veya karkas) üzerine belirli say ?daki sar ?lm ? tel grubudur. Kullan ?m yerine göre, makara içerisi bo kal ?rsa haval ? bobin, demir bir göbek (nüve) geçirilirse nüveli bobin d ? verilir. Bobinin her bir sar ?m ?na spir denir. ekil 1.28' de bobin sembolleri verilmi tir. A a ?daki üst s ?rada bulunan semboller eski alt s ?rada bulunan semboller yeni gösterilim eklidir. ekil 1.27 - De i ik Bobin Sembolleri BOB NDEK ELEKTR KSEL OLAYLAR Bilindi i gibi bir iletkenden ak ?m geçirildi inde, iletken etraf ?nda bir magnetik alan olu ur. Bu alan ka ?t üzerinde daireler eklindeki kuvvet çizgileri ile sembolize edilir. Bir bobinden AC ak ?m geçirildi inde, ekil 1.29' da görüldü ü gibi bobin sarg ?lar ?n ? çevreleyen bir magnetik alan olu ur. Ak ?m büyüyüp küçülü üne ve yön de i tirmesine ba l ? olarak bobinden geçen kuvvet çizgileri ço al ?p azal ?r ve yön de i tirir. Bobine bir DC gerilim uygulan ?rsa, magnetik alan meydana gelmeyip bobin devrede bir direnç özelli i gösterir. BÖLÜM 3 31 TEMEL ELEKTRON K Kaya ekil 1.29 - içinden ak ?m geçen bobindeki Magnetik alan kuvvet çizgileri ZIT ELEKTRO MOTOR KUVVET (EMK) Bobin içerisindeki kuvvet çizgilerinin de i imi, bobinde z ?t elektromotor kuvvet (z ?t EMK Ez) ad ? verilen bir gerilim endükler. Bu gerilimin yönü ekil 1.30 'da gösterilmi oldu u gibi kaynak gerilimine ters yöndedir. Dolay ?s ?yla da z ?t EMK, bobinden, kaynak geriliminin olu turdu u ak ?ma ters yönde bir ak ?m ak ?tmaya çal ? ?r. Bu nedenledir ki, kaynak geriliminin olu turdu u "I" devre ak ?m ?, ancak T/4 periyot zaman ? kadar geç akmaya ba lar. Z ?t EMK 'n ?n i levi, LENZ kanunu ile öyle tan ?mlanm ? t ?r. LENZ kanununa göre z ?t EMK, büyümekte olan devre ak ?m ?n ? küçültücü, küçülmekte olan devre ak ?m ?n ? ise büyültücü yönde etki yapar. END KT F REAKTANS (X) Bobinin, içinden geçen AC ak ?ma kar ? gösterdi i dirence endüktif reaktans denir. Endüktif reaktans XL ile gösterilir. Birimi "Ohm" dur. öyle ifade edilir: : Aç ?sal h ?z f: Uygulana AC gerilimin frekans ? birimi, Herzt (Hz) 'dir. L: Bobinin endüktans ? olup birimi, Henry (H) 'dir. 32 TEMEL ELEKTRON K Kaya ekil 1.30. Z ?t EMK 'n ?n etkisi a) AC kaynak geriliminin pozitif alternans ?ndaki devre ak ?m ?. b) Kaynak gerilimi (v), devre ak ?m ? (i) ve z ?t EMK (Ez) aras ?ndaki ba ?nt ? "L" nin de eri bobinin yap ?s ?na ba l ?d ?r. Bobinin sar ?m say ?s ? ve kesit alan ? ne kadar büyük olursa, "L" o kadar büyük olur. Dolay ?s ?yla AC ak ?ma gösterdi i dirençte o oranda büyür. "L" nin birimi yukar ?da da belirtildi i gibi Henry (H) 'dir. Ancak genellikle de erler çok küçük oldu undan "Henry" olarak yaz ?mda çok küsürlü say ? ç ?kar. Bunun için miliHenry (mH) ve mikrohenry (µH) de erleri kullan ?l ?r. Henry, miliHenry ve mikroHenry aras ?nda u ba ?nt ? vard ?r. 33 TEMEL ELEKTRON K Kaya KAR ILIKLI ENDÜKTANS (M) Ayn ? nüve üzerine sar ?l ? iki bobinin birinden ak ?m geçirildi inde, bunun nüvede olu turdu u kuvvet çizgileri di er sarg ?y ? da etkileyerek, bu sarg ?n ?n iki ucu aras ?nda bir gerilim olu turur. Bu gerilime endüksiyon gerilimi denir. Bu ekilde ileti im, kar ?l ?kl ? (ortak) endüktans denen belirli bir de ere göre olmaktad ?r. Kar ?l ?kl ? endüktans (M) ile gösterilir ve u ekilde ifade edilir: M= L1 ve L2, iki bobinin self endüktans ?d ?r. M 'in birimi de Henry(H) 'dir. öyle tan ?mlan ?r: Ayn ? nüve üzerindeki iki bobinin birincisinden geçen 1 amperlik AC ak ?m 1 saniyede, ikinci bobinde 1V 'luk bir gerilim endükliyorsa iki bobin aras ?ndaki kar ?l ?kl ? endüktans M=1 Henry 'dir. Bobinler seri ba lan ?rsa toplam endüktans: L=L1+L2+L3+.......... olur. Ayn ? nüve üzerindeki iki bobin seri ba lan ?rsa: L=L1+L2±2M olur. ekil 1.31 'de de i ik bobin görüntüleri verilmi tir. BOB N N KULLANIM ALANLARI Bobinin elektrik ve elektronikte yayg ?n bir kullan ?m alan ? vard ?r. Bunlar kullan ?m alanlar ?na göre öyle s ?ralanabilir. Elektrikte: Do rultucular da ok bobini Transformatör Is ?t ?c ? v.b. Elektrom ?knat ?s (zil, elektromagnetik vinç) 34 TEMEL ELEKTRON K Kaya Elektronikte: Osilatör Radyolarda ferrit anten eleman ? (Uzun, orta, k ?sa dalga bobini) Telekomünikasyonda frekans ayar ? (ayarl ? göbekli bobin) Telekomünikasyonda röle Yüksek frekans devrelerinde (haval ? bobin) Özellikle de radyo al ?c ? ve vericilerinde de anten ile ba lant ?da de i ik frekanslar ?n (U.D,O.D,KD) al ?m ? ve gönderiminde ayn ? ferrit nüveyi kullanan de i ik bobinler ve bunlara paralel ba l ? kondansatörlerden yararlan ?r. a) Ayarl ? hava nüveli bobin b) Ayarl ? demir nüveli bobin c) Ayarl ? ferrit nüveli bobin d) Sabit hava nüveli bobinler e) Demir çekirdekli bobin f) iltli ses frekans ? ok bobini g) Güç kayna ? ok bobini h) Toroid i) iltli, yüksek endüktansl ? ok bobini Konular: 1.1 Atomik Yap ? 1.2 Yar ?iletken, letken ve Yal ?tkan 1.3 Kovelant Band 1.4 Yar ?iletkenlerde iletim 1.5 N ve P tipi Madde 1.6 PN Biti imi ve Diyot Elektronik devre tasar ?m ? ve elektronik cihazlar ?n üretiminde kullan ?lan diyotlar, transistörler, geli mi entegre devreler (Ic?s) yar ? iletken materyallerden yap ?lm ? t ?r. Diyot, transistör, tümdevre (entegre) v.b adlarla tan ?mlanan elektronik devre elemanlar ?n ?n bir ço u ekil-1.1?de resimlenmi tir. Elektronik sistemlerde bu gibi cihazlar özel ekillerde birbirlerine ba land ?klar ?nda sahip olduklar ? karakteristikleri tam anlam ?yla yerine getirirler. Sonraki bölümlerde, çe itli cihazlar ?n olas ? sistem uygulamalar ?nda kullan ?l ? ?n ? ö reneceksiniz. Elektronik cihazlar ?n nas ?l çal ? t ? ?n ? anlamak için atomik teorinin temel bilgisine ve yar ? iletken materyallerinin yap ?s ? hakk ?nda bilgiye ihtiyaç duyars ?n ?z ki; iki çe it yar ? iletken materyalin birle iminden olu an PN birle imi bu birle imle ortaya ç ?kan bir çok yar ? iletken cihaz ?n çal ? mas ?na temel olu turur. 35 TEMEL ELEKTRON K Kaya 1.1 ATOM K YAPI Tüm maddeler atomlardan olu ur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. Yar ?iletken maddelerin nas ?l çal ? t ? ?n ? anlamak için atomlar hakk ?nda bilgiye ihtiyaç duyars ?n ?z. Bu bölümde; atomlar, elektron yörüngeleri ve kabuklar, saçak elektronlar ?, iyonlar ve iki büyük yar ? iletken materyal olan silisyum ve germanyum elementinin temel yap ?s ? hakk ?nda bilgi edineceksiniz. Germanyum ve silisyum elementleri oldukça önemlidir. Çünkü elektronik devre elemanlar ?n ?n üretiminde kullan ?lan temel yar ?iletken materyallerdir. Yar ?iletken materyaller elektrik ak ?m ? ve geriliminin iletilmesi ve kontrol edilmesinde oldukça etkin rol oynarlar. Yeryüzünde bilinen 109 element vard ?r. Bir elementin özelliklerini belirleyen en küçük yap ?ta ? ise atomlard ?r. Bilinen bütün elementlerin atomik yap ?lar ? birbirinden farkl ?d ?r. Atomlar ?n birle mesi elementleri meydana getirir. Klasik bohr modeline göre atom, ekil-1.2?de gösterildi i gibi 3 temel parçac ?ktan olu ur. Bunlar; elektron, proton ve nötron?dur. Atomik yap ?da; nötron ve protonlar merkezdeki çekirde i olu turur. Elektronlar ise çekirdek etraf ?nda sabit bir yörüngede dola ?rlar. ekil 1-1 : Bohr modeline göre atom. Elektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. Bilinen bütün elementleri bir birinden ay ?ran temel özellik, atomlar ?nda bulunan proton ve nötron say ?lar ?d ?r. Her bir atomun, proton ve nötron say ?lar ? fakl ?d ?r. Örne in, en basit yap ?ya sahip atom, hidrojen atomudur. Hidrojen atomu; ekil-1.2.a?da gösterildi i gibi bir proton ve bir elektrona sahiptir. ekil-1.2.b?de gösterilen helyum atomunun yörüngesinde iki elektron, çekirde inde ise iki proton ve iki nötron bulunmaktad ?r. 36 TEMEL ELEKTRON K Kaya + - 1 Protonlu çekirdek - 2 Protonlu ve 2 Nötronlu çekirdek - + + Çekirdek yörüngesinde 1 elekton Çekirdek yörüngesinde 2 elekton a) Hidrojen Atomu b) Helyum Atomu ekil- 1.2 Hidrojen ve Helyum atomlar ? Atom Numaras ? ve A ?rl ? ? Bütün elementler atom numaralar ?na uygun olarak periyodik tabloda belirli bir düzen içinde dizilmi lerdir. Proton say ?lar ? ile elektron say ?lar ? e it olan atomlar, elektriksel aç ?dan kararl ? (nötral) atomlard ?r. Elementler, atom a ?rl ? ?na göre de belirli bir düzen içindedirler. Atom a ?rl ? ? yakla ?k olarak çekirdekteki proton say ?lar ? ile nötron say ?lar ?n ?n toplam ? kadard ?r. Örne in hidrojenin atom numaras ? 1?dir ve atom a ?rl ? ? da 1?dir. Helyumun atom numaras ? 2?dir ve atom a ?rl ? ? ise 4? tür. Normal veya tarafs ?z durumda verilen her hangi bir elementin bütün atomlar ?ndaki; elektron ve proton say ?lar ? e ittir. Elektron Kabuklar ? ve Yörüngeler Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzakl ?ktad ?r. Çekirde e yak ?n olan yörüngedeki elektronlar, çekirde e uzak olan yörüngedeki elektronlardan daha az enerjiye sahiptir. Çekirde e farkl ? uzakl ?klarda bulunan yörüngelerdeki elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantlar ? eklinde grupla m ? yörüngeler ?kabuk (shell)? olarak bilinirler. Verilen her bir atom, sabit kabuk say ?s ?na sahiptir. Kabuklarda bar ?nan elektronlar ise belirli bir sistem dahilinde dizilirler. Her bir kabuk, izin verilen say ?da maksimum elektron bar ?nd ?r ?r. Bu elektronlar ?n enerji seviyeleri de i mez. Kabuk içindeki elektronlar ?n enerji seviyeleri bir birinden azda olsa küçük farkl ?l ?klar gösterir. Fakat; kabuklar aras ?ndaki enerji seviyelerinin fark ? çok daha büyüktür. Çekirdek etraf ?nda belirli bir yörüngeyi olu turan kabuklar, k-l-m-n olarak gösterilirler. Çekirde e en yak ?n olan kabuk k ?d ?r. k ve l kabuklar ? ekil-1.4 ?de gösterilmi tir. 37 TEMEL ELEKTRON K Kaya enerji seviyesi W6 W5 W4 W3 W2 W1 1. Kabuk 2. Kabuk Çekirdek W= Enerji r = Çekirdekten uzakl ?k k l Bu elektron en dü ük enerjiye sahiptir. Bu elektron en yüksek enerjiye sahiptir. ekil- 1.3 Çekirdekten uzakl ?klar ?na göre enerji seviyeleri. Valans Elektronlar ? Elektronlar çekirdekten uzaktad ?r ve çekirdekten ayr ?lma e ilimindedir. Çekirdek elektronun bu ayr ?lma e ilimini dengeleyecek güçtedir. Çünkü elektron negatif yüklü, çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha fazlad ?r. Bu durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. Bir atomun en d ? taki kabu u, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. Bu durum onu atomdan ayr ?lmaya daha e ilimli hale getirir. Valans (de er) (atomun de erini ayarlayan elektronlar) elektronlar ? kimyasal reaksiyona ve malzemenin yap ?s ?na katk ? sa lar. Bir atomun en d ? kabu undaki elektronlar, çekirdek etraf ?nda simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralar ?nda bir ba olu tururlar. Bu ba a ?kovelant ba ? denir. Atomun en d ? kabu undaki elektronlara ise ?valans elektron? ad ? verilir. Kom u atomlar ?n en d ? kabuklar ?ndaki elektronlar (valans elektronlar) kendi aralar ?nda valans çiftleri olu tururlar. 38 TEMEL ELEKTRON K Kaya yonizasyon Bir atom ?s ? kayna ?ndan veya ? ?ktan enerjilendi i zaman elektronlar ?n ?n enerji seviyeleri yükselir. Elektronlar enerji kazand ? ?nda çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerle ir. Böylece Valans elektronlar ? daha fazla enerji kazan ?r ve atomdan uzakla ma e ilimi artar. Atomun bu enerji e ilimi sonucu elektronlar daha yüksek yörüngelere atlarlar. (D ? ar ?dan enerji uyguland ? ? zaman) Bir valans elektronu yeterli miktarda bir enerji kazand ? ?nda ancak bir üst kabu a ç ?kabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir. Pozitif arj ?n a ?r ? artmas ? ile (protonlar ? elektronlardan daha fazla olmas ?) atomu bir önceki nötr de ere getirmek için valans elektronlar ? harekete geçer. Valans elektronunu kaybetme i lemi ? YON ZASYON? olarak bilinir ve atom pozitif arj ile yüklenmi olur ve pozitif iyon olarak adland ?r ?l ?r. Örne in; hidrojenin kimyasal sembolü H?d ?r. Hidrojenin Valans elektronlar ? kaybedildi inde ve pozitif iyon ad ?n ? ald ? ?nda H+ olarak gösterilir. Atomdan kaçan Valans elektronlar ? ?serbest elektron? olarak adland ?r ?l ?r. Serbest elektronlar, nötr hidrojen atomunun en d ? kabu una do ru akar. Atom negatif yük ile yüklendi inde ( arj edildi inde) (elektronlar ?n, prontonlardan fazla olmas ?) negatif iyon diye adland ?r ?l ?rlar ve H- olarak gösterilirler. 1.2 YARI LETKEN, LETKEN VE YALITKAN Büyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye ba l ? olarak ba l ?ca 3 gruba ayr ?l ?rlar. Bu guruplar; iletken, yal ?tkan ve yar ?iletken olarak tan ?mlan ?r.Bu bölümde; özellikle yar ?iletken maddelerin temel yap ?s ?n ? inceleyerek, iletken ve yal ?tkan maddelerle aralar ?ndaki farklar ? ortaya koymaya çal ? aca ?z. Tüm materyaller atomlardan olu ur. Materyallerin atomik yap ?s ?, materyalin elektrik enerjisine kar ? gösterecekleri tepkiyi belirlerler. Genel bir atomik yap ?; merkezde bir çekirdek ve çekirde i çevreleyen yörüngelerden olu maktad ?r. Materyalin iletken veya yal ?tkan olmas ?nda atomik yörüngede bulunan elektron say ?s ? çok önemlidir. letken Elektrik ak ?m ?n ?n iletilmesine kolayl ?k gösteren materyallere iletken denir. yi bir iletken özelli i gösteren materyallere örnek olarak, bak ?r, gümü , alt ?n ve aliminyumu sayabiliriz. Bu materyallerin ortak özelli i tek bir valans elektronuna sahip olmalar ?d ?r. Dolay ?s ? ile bu elektronlar ?n ? kolayl ?kla kaybedebilirler. Bu tür elementler; 1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler. 39 TEMEL ELEKTRON K Kaya Yal ?tkan Normal ko ullar alt ?nda elektrik ak ?m ?na zorluk gösterip, iletmeyen materyallere yal ?tkan denir. Yal ?tkan maddeler son yörüngelerinde 6 ile 8 aras ?nda valans elektron bar ?nd ?r ?rlar. Serbest elektron bulundurmazlar. Yar ?iletken Yar ?iletken maddeler; elektrik ak ?m ?na kar ?, ne iyi bir iletken nede iyi bir yal ?tkan özelli i gösterirler. Elektronik endüstrisinin temelini olu turan yar ?iletken maddelere örnek olarak; silisyum (si), germanyum (ge) ve karbon (ca) elementlerini verebiliriz. Bu elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar. Enerji Band ? Maddelerin iletken, yal ?tkan veya yar ?iletken olarak s ?n ?fland ?r ?lmas ?nda enerji bandlar ? oldukça etkindir. Yal ?tkan, yar ?iletken ve iletken maddelerin enerji bandlar ? ekil-1.4?de verilmi tir. Enerji band ? bir yal ?tkanda çok geni tir ve çok az say ?da serbest elektron içerir. Dolay ?s ?yla serbest elektronlar, iletkenlik band ?na atlayamazlar. Bir iletkende ise; valans band ? ile iletkenlik band ? birbirine girmi tir. Dolay ?s ?yla harici bir enerji uygulanmaks ?z ?n valans elektronlar ?n ço u iletkenlik band ?na atlayabilir. ekil-1.4 dikkatlice incelendi inde yar ?iletken bir maddenin enerji aral ? ?; yal ?tkana göre daha dar, iletkene göre daha geni tir. letim Band ? Valans Band letim Band ? Valans Band letim Band ? Valans Band Enerji Enerji Enerji Enerji Aral ? ? Enerji Aral ? ? 0 0 0 a) Yal ?tkan a) Yar ?iletken a) letken ekil-1.4 Üç farkl ? Materyal için enerji diyagram ? Silisyum ve Germanyum Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre elemanlar ?n ?n üretiminde iki tip yar ? iletken malzeme kullan ?r. Bunlar; S L SYUM ve GERMANYUM elementleridir. Bu elementlerin atomlar ?n ?n her ikisi de 4 Valans elektronuna sahiptir. Bunlar ?n birbirinden fark ?; Silisyumun çekirde inde 14 proton, germanyumun çekirde inde 32 proton vard ?r. ekil-1.5?de her iki malzemenin atomik yap ?s ? görülmektedir. Silisyum bu iki malzemenin en çok kullan ?lan ?d ?r. 40 TEMEL ELEKTRON K Kaya +14 +32 a) Silikon Atomu b) Germanyum Atomu En d ? yörüngede 4 valans elektronu bulunur. ekil-1.4 Silisyum ve germanyum atomlar ?. Kovelant Ba Kat ? materyaller, kristal bir yap ? olu tururlar. Slikon, kristallerden olu mu bir materyaldir. Kristal yap ? içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent ba denilen ba larla ba lan ?rlar. Kovelant ba , bir atomun valans elektronlar ?n ?n birbirleri ile etkile im olu turmas ? sonucu meydana gelir. Her silisyum atomu, kendisine kom u di er 4 atomun valans elektronlar ?n ? kullanarak bir yap ? olu turur. Bu yap ?da her atom, 8 valans elektronunun olu turdu u etki sayesinde kimyasal kararl ?l ? ? sa lar. Her bir silisyum atomunun valans elektronu, kom u silisyum atomunun valans elektronu ile payla ?m ? sonucunda kovalent ba olu ur. Bu durum; bir atomun di er atom taraf ?ndan tutulmas ?n ? sa lar. Böylece payla ?lan her elektron birbirine çok yak ?n elektronlar ?n bir arada bulunmas ?n ? ve birbirlerini e it miktarda çekmesini sa lar. ekil-1.5 saaf silisyum kristallerinin kovalent ba lar ?n ? göstermektedir. Germanyumun kovalent ba ?da benzerdir. Onunda sadece dört valans elektronu vard ?r. Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Kovelant Ba lar Valans Elektronlar ekil-1.5 Saf silisyum kristalin kovalent ba lar ?. 41 TEMEL ELEKTRON K Kaya 1.3 YARI LETKENLERDE LETKENL K Bu bölümde enerji bantlar ? içerisinde elektronlar ?n nas ?l yönlendi ini göreceksiniz. Çekirde in etraf ?ndaki kabuklar enerji bantlar ? ile uyumludur. Enerji bantlar ? birbirlerine çok yak ?n kabuklarla ayr ?lm ? t ?r. Aralar ?nda ise elektron bulunmaz. Bu durum ekil-1.6?da silisyum kristalinde (d ? ar ?dan ?s ? enerjisi uygulanmaks ?z ?n) gösterilmi tir. Çekirdek 0 1. Band ( k kabu u) 2. Band ( l kabu u) Valans Band letim Band ? Enerji Aral ?klar ? Enerji Aral ?klar ? Enerji Aral ?klar ? Enerji ekil-1.6 Durgun silisyum kristalinin enerji band diyagram ?. Elektronlar ve Bo luklarda iletkenlik Saf bir silisyum kristali oda s ?cakl ? ?nda baz ? tepkimelere maruz kal ?r. Örne in; baz ? valans elektronlar enerji aral ?klar ?ndan geçerek, valans band ?ndan iletkenlik band ?na atlarlar. Bunlara serbest elektron veya iletkenlik elektronlar ? denir. Bu durum ekil- 1.7.(a)?da enerji diyagram ?nda, ekil-1.7.(b)?de ise ba diyagram ?nda gösterilmi tir. Bir elektron; valans band ?ndan iletkenlik band ?na atlad ? ?nda, valans band ?nda bo luklar kalacakt ?r. Bu bo luklara ?delik=bo luk? veya ?hole? denir. Is ? veya ? ?k enerjisi yard ?m ?yla iletkenlik band ?na ç ?kan her elektron, valans band ?nda bir delik olu turur. Bu durum, elektron bo luk çifti diye adland ?r ?l ?r. letkenlik band ?ndaki elektronlar enerjilerini kaybedip, valans band ?ndaki bo lu a geri dü tüklerinde her ey yine eski haline döner. Özetle; saf silisyumunun iletkenlik band ?ndaki elektronlar ?n bir k ?sm ? oda s ?cakl ? ?nda hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine do ru rasgeledir. Böylece valans band ?ndaki bo luk say ?s ?na e it miktarda elektron, iletkenlik band ?na atlar. 42 TEMEL ELEKTRON K Kaya Valans Band letim Band ? Enerji Aral ?klar ? Enerji Delik Serbest Elektron Is ? Enerjisi a) Enerji Diyagram ? Is ? Enerjisi Serbest Elektron Delik Si Si b) Ba Diyagram ? ekil-1.7.a ve b. Hareketli bir silisyum atomunda bir elektron bo lu unun olu turulmas ?. Silisyuma kar ? Germanyum Germanyum kristallerinin durumu silisyuma benzer. Çünkü atomik yap ?lar ? da ayn ?d ?r. Saf germanyum, silisyumdan daha fazla serbest elektrona sahiptir ve daha yüksek bir iletkenli e sahiptir. Bununla birlikte silisyum daha çok kullan ?lan bir malzeme olup germanyumdan daha geni bir alanda kullan ?l ?r. Bunun bir sebebi de silisyum germanyumdan daha yüksek s ?cakl ?klarda kullan ?labilmesidir. Elektron ve Delik (hole) ak ?m ? Saf silisyumun bir k ?sm ?na gerilim uyguland ? ?nda neler oldu u ekil-1.8?de gösterilmektedir. ekilde iletkenlik band ?ndaki serbest elektronlar ?n negatif uçtan pozitif uca do ru gittikleri görülmektedir. Bu; serbest elektronlar ?n hareketinin olu tu u ak ?m ?n bir türüdür. Buna elektron ak ?m ? denir. Ak ?m ? olu turan bir di er tip ise valans devresindeki de i imlerdir. Bu ise; serbest elektronlar neticesinde bo luklar ?n olu mas ? ile meydana gelir. Valans band ?nda kalan di er elektronlar ise hala di er atomlara ba l ? olup serbest de illerdir. Kristal yap ? içerisinde rasgele hareket etmezler. Bununla birlikte bir valans elektronu kom u bo lu a ta ?nabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir de i imle). Böylece bir bo luktan di erine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yap ? içerisindeki bo luklarda bir yerden di er yere hareket edecektir. Bu durum ekil-1-9?da gösterilmi tir. Bo luklar ?n bu hareketi de ?ak ?m? diye adland ?r ?l ?r. 1.4 N-T P VE P-T P YARI LETKENLER Yar ?iletken malzemeler, ak ?m ? iyi iletmezler. Asl ?nda ne iyi bir iletken, nede iyi bir yal ?tkand ?rlar. Çünkü valans band ?ndaki bo luklar ?n ve ilettim band ?ndaki serbest elektronlar ?n say ?s ? s ?n ?rl ?d ?r. Saf silisyum veya germanyum?un mutlaka serbest elektron veya bo luk say ?s ? art ?r ?larak iletkenli i ayarlanmal ?d ?r. letkenli i ayarlanabilen silisyum veya germanyum, elektronik devre elemanlar ?n ?n yap ?m ?nda kullan ?l ?r. Germanyum veya silisyumun iletkenli i ise ancak saf malzemeye katk ? maddesi eklenmesi ile sa lan ?r. Katk ? maddesi eklenerek olu turulan iki temel yar ?iletken materyal vard ?r. Bunlara; N-tipi madde ve P-tipi madde denir. Elektronik devre elemanlar ?n ?n üretiminde bu iki madde kullan ?l ?r. 43 TEMEL ELEKTRON K Kaya Katk ? lemi (Doping) Silisyum ve germanyumun iletkenli i kontrollü olarak art ?r ?labilir. letkenli i kontrollü olarak art ?rmak için saf yar ?iletken malzemeye katk ? maddesi eklenir. Bu i leme ?doping? denir. Ak ?m ta ?y ?c ?lar ?n ?n (elektron veya bo luk) say ?s ?n ?n art ?r ?lmas ? malzemenin iletkenli ini, azalt ?lmas ? ise malzemenin direnci art ?r ?r. Her iki doping olay ?n ?n sonucunda N-tipi veya P-tipi madde olu ur. N-Tipi Yar ?iletken Saf silisyumun iletkenlik band ?ndaki deliklerinin art ?r ?lmas ? atomlara katk ? maddesi ekleyerek yap ?l ?r. Bu atomlar, 5-de erli valans elektronlar ? olan arsenik (As), fosfor (P), bizmut (Bi) veya antimon?dur. Silisyuma katk ? maddesi olarak 5 valans elektrona sahip fosfor belli bir oranda eklendi inde, di er silisyum atomlar ? ile nas ?l bir kovelent ba olu turuldu u gösterilmi tir. Fosfor atomunun dört valans elektronu, silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent ba olu turur. Fosfor?un bir valans elektronu aç ?kta kal ?r ve ayr ?l ?r ( ekil-1.10). Bu aç ?kta kalan elektron iletkenli i art ?r ?r. Çünkü herhangi bir atoma ba l ? de ildir. letkenlik elektron say ?lar ? ile kontrol edilebilir. Bu ise silisyuma eklenen atomlar ?n say ?s ? ile olur. Katk ? sonucu olu turulan bu iletkenlik elektronu, valans band ?nda bir bo luk olu turmaz. Fb atomunun serbest elektronu Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Si Si Si Si Si Fb Si Si Si Si Si Kovelant Ba - ekil-1.10 N tipi yar ?iletken maddenin olu turulmas ?. Ak ?m ta ?y ?c ?lar ?n ?n ço unlu u elektron olan, silisyum veya germanyum maddesine N-tipi yar ?iletken malzeme denir. N-tipi malzemede elektronlar, ço unluk ak ?m ta ?y ?c ?lar ? diye adland ?r ?l ?r. Böylece N-tipi malzemede ak ?m ta ?y ?c ?lar ? elektronlard ?r. Buna ra men ?s ? ile olu turulan birkaç tane elektron bo luk çiftleri de vard ?r. Bu bo luklar 5-de erli ak ?m katk ? maddesi ile olu turulmam ? lard ?r. N-tipi malzemede bo luklar az ?nl ?k ta ?y ?c ?lar ? olarak adland ?r ?l ?r. 44 TEMEL ELEKTRON K Kaya P-Tipi Yar ?iletken Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3-de erli) atomlar ?n belli bir oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yap ? olu ur. Bu yeni kristal yap ?da delik (bo luk) say ?s ? art ?r ?lm ? olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; alüminyum (Al), Bor (B) ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz. Örne in; saf silisyum içerisine belli bir oranda bor kat ?l ?rsa; bor elementinin 3 valans elektronu, silisyumun 3 valans elektronu ile ortak kovalent ba olu turur. Fakat silisyumun 1 valans elektronu ortak valans ba ? olu turamaz. Bu durumda 1 elektron noksanl ? ? meydana gelir. Buna ?bo luk? veya ?delik=hole? denir. Silisyuma eklenen katk ? miktar ? ile bo luklar ?n say ?s ? kontrol edilebilir. Bu yöntemle elde edilen yeni malzemeye P tipi yar ?iletken malzeme denir. Çünkü bo luklar pozitif yüklüdür. Çünkü bo luklar pozitif yüklüdür. Dolay ?s ? ile P-tipi malzemede ço unluk ak ?m ta ?c ?lar ? bo luklard ?r. Elektronlar ise P tipi malzemede az ?nl ?k ak ?m ta ?y ?c ?lar ?d ?r. P-tipi malzemede bir kaç adet serbest elektronda olu mu tur. Bunlar ?s ? ile olu an bo luk çifti esnas ?nda olu turulmu tur. Bu serbest elektronlar, silisyuma yap ?lan katk ? esnas ?nda olu turulamazlar. Elektronlar P-tipi malzemede az ?nl ?k ak ?m ta ?y ?c ?lar ?d ?r. B atomundan olu an delik (hole) Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Kovelant Ba ekil- 1.11 Silisyum kristaline 3 ba l ? katk ? atomu. Bohr katk ? atomu merkezde gösterilmi tir. 45 TEMEL ELEKTRON K Kaya 1.5 PN B RLE M Silisyum veya Germanyum kristaline yeterli oranda katk ? maddeleri eklenerek, P-tipi ve N-tipi maddeler olu turulmu tu. Bu maddeler yal ?n halde elektriksel i levleri yerine getiremezler. P ve N tipi malzeme bir arada kullan ?l ?rsa, bu birle ime PN birle imi denir. PN birle imi; elektronik endüstrisinde kullan ?lan diyot, transistör v.b devre elemanlar ?n ?n yap ?m ?nda kullan ?l ?r. N-Tipi Silisyum P-Tipi Silisyum PN Birle mesi Delik (hole) Elektron P T P MADDE N T P MADDE ekil-1.12 Basit bir PN yap ?s ?n ?n olu umu. Ço unluk ve az ?nl ?k ta ?y ?c ?lar ?n ?n ikisi de gösterilmi tir. ekil-1.12.(a)?da yar ?s ? P-tipi, di er yar ?s ? N tipi malzemeden olu an iki bölümlü bir silisyum parças ?n ? göstermektedir. Bu temel yap ? biçimine ?yar ? iletken diyot? denir. N bölgesinde daha çok serbest elektron bulunur. Bunlar ak ?m ta ?y ?c ?c ?s ? olarak görev yaparlar ve ?ço unluk ak ?m ta ?y ?c ?s ?? olarak adland ?r ?l ?rlar. Bu bölgede ayr ?ca ?s ? etkisi ile olu turulan birkaç bo luk (delik=hole) bulunur. Bunlara ise ?az ?nl ?k ak ?m ta ?y ?c ?lar ?? ad ? verilir. P bölgesi ise çok say ?da bo luklar (delik=hole) içerir. Bunlara ?ço unluk ak ?m ta ?y ?c ?lar ?? denir. Bu bölgede ?s ? etkisi ile olu an birkaç serbest elektronda bulunur. Bunlara ise ?az ?nl ?k ak ?m ta ?y ?c ?lar ?? denir. Bu durum ekil-1.12.(b)?de gösterilmi tir. PN birle imi elektronik endüstrisinde kullan ?lan diyotlar ?n, transistörlerin ve di er katk ? hal devrelerinin temelini olu turur. Deplasyon Katman ? ve levi P maddesinde elektron noksanl ? ? (bo luk), N maddesinde ise elektron fazlal ? ? meydana gelmi ti. Elektron ve oyuklar ?n hareket yönleri birbirine z ?tt ?r. Asl ?nda bu iki madde ba lang ?çta elektriksel olarak nötr haldedir. P ve N maddesi ekil-1.13.a?da görüldü ü gibi birle tirildi ini kabul edelim. Birle im oldu u anda N maddesindeki serbest elektronlar, P maddesinde fazla olan oyuklarla (bo luk=delik) birle irler. P maddesindeki fazla oyuklar ?n bir k ?sm ? ise N maddesine gelip elektronlarla birle irler. Bu durumda P maddesi net bir (-) yük, N maddesi ise (+) yük kazanm ? olur. Bu olay olurken P maddesi (-) yüke sahip oldu undan N maddesindeki elektronlar ? iter. Ayn ? ekilde, N maddesi de (+) yüke sahip oldu undan P maddesindeki oyuklar ? iter. Böylece P ve N maddesi aras ?nda daha fazla elektron ve oyuk akmas ?n ? engellerler. 46 TEMEL ELEKTRON K Kaya Yük da ?l ?m ?n belirtildi i ekilde olu mas ? sonucunda PN birle iminin aras ?nda ?gerilim seddi? denilen bir bölge (katman) olu ur. Bu durum ekil-1.13.b?de resmedilmi tir. letim dengesi sa land ? ?nda deplesyon kat ? P-N birle iminde iletim elektronu bulunmad ? ? noktaya kadar geni ler. - - - - - + + + + + + Gerilim Seddi P T P MADDE N T P MADDE Delik (hole) Elektron P T P MADDE N T P MADDE pn biti imi - Deplasyon Bölgesi ekil-1.13.a ve b PN birle iminin denge iletimi. Elektron bo luk çiftinin olu turdu u s ?cakl ?kla N bölgesindeki birkaç bo lu un az ?nl ?k ta ?y ?c ?lar ?n ?n meydana getirilmesi. ekil-1.13.b?de PN birle im bölgesinde pozitif ve negatif iyonlarla olu turulan gerilim seddi görülmektedir. Olu an bu gerilim seddi; 25 0 C?de silisyum için engel 0.7 volt, germanyum için 0.3 volt civar ?ndad ?r. Bu gerilime ?diyot öngerilimi? denir. Diyot öngerilimi ?s ?dan etkilenir. Örne in s ?cakl ?k miktar ?ndaki her 1 0 C?lik art ? , diyot öngeriliminin yakla ?k 2.3mV azalmas ?na neden olur. Diyot öngerilimi çok önemlidir. Çünkü PN birle imine d ? ar ?dan uygulanan gerilimin olu turaca ? ak ?m miktar ?n ?n kararl ? olmas ?n ? sa lar. lerideki bölümlerde PN birle imini ayr ?nt ?l ? olarak inceleyece iz. 47 TEMEL ELEKTRON K Kaya 1.6 PN B RLE M N N POLARMALANMASI PN biti iminin nas ?l olu turuldu unu gördük. PN biti imi elektronik devre elemanlar ?n ?n üretiminde en temel yap ?d ?r. Elektronik endüstrisinin en temel i levi ise ak ?m ve gerilimin kontrolüdür. PN birle imine elektronik biliminde ?diyot? ad ? verilmektedir. Diyot veya di er bir elektronik devre elaman ?n ?n DC gerilimler alt ?nda çal ? t ?r ?lmas ?na veya çal ? maya haz ?r hale getirilmesine elektronikte ?Polarma? veya ?bias? ad ? verilmektedir. PN birle imi veya diyot; DC gerilim alt ?nda iki türde polarmaland ?r ?l ?r. Bunlardan birisi ?ileri yönde polarma? di eri ise ?ters yönde polarma? d ?r. leri veya ters yönde polarma tamamen diyot uçlar ?na uygulanan gerilimin yönü ile ilgilidir. Bu bölümü bitirdi inizde; leri yönde polarma (forward bias) Ters yönde polarma (reverse bias) Kavramlar ?n ? ö reneceksiniz leri Yönde Polarma (Forward Bias) leri yönde polarma; yar ?iletken bir devre eleman ?n ?n uçlar ?na uygulanan DC gerilimin yönü ile ilgilidir. PN birle iminden ak ?m akmas ?n ? sa layacak ekilde yap ?lan polarmad ?r. ekil-1.14?de bir diyoda ileri yönde polarma sa layacak ba lant ? görülmektedir. p n R + - V polarma ekil-1.14 leri yönde polarma ba lant ?s ?. R, ak ?m ? s ?n ?rlamak ve diyot?u korumak için kullan ?lm ? t ?r. leri yönde polarma öyle çal ? ?r. Bataryan ?n negatif ucu N bölgesine (Katot olarak adland ?r ?l ?r), pozitif ucu ise P bölgesine (Anot olarak adland ?r ?l ?r) ba lanm ? t ?r. Bataryan ?n negatif terminali, N bölgesindeki iletkenlik elektronlar ?n ? birle im bölgesine do ru iter. Ayn ? anda pozitif terminal, P bölgesindeki oyuklar ? birle im bölgesine iter. Uygulanan polarma gerilimi yeterli seviyeye ula ?nca; N bölgesindeki elektronlar ?n ve P bölgesindeki oyuklar ?n engel bölgesini a mas ?n ? sa lar. N bölgesinden ayr ?lan elektronlara kar ?l ?k, bataryan ?n negatif ucundan çok say ?da elektron girmesini sa lar. Böylece N bölgesinde iletkenlik elektronlar ?n ?n hareketi (ço unluk ak ?m ta ?y ?c ?lar ?) eklem bölgesine do rudur. 48 TEMEL ELEKTRON K Kaya Kar ?ya geçen iletkenlik elektronlar ?, P bölgesinde bo luklar ile birle irler. Valans elektronlar ? bo luklara ta ?n ?r ve bo luklar ise pozitif anot bölgesine ta ?n ?r. Valans elektronlar ?n ?n bo luklarla birle me i lemi PN uçlar ?na voltaj uyguland ? ? sürece devam eder ve devaml ? bir ?ak ?m? meydana gelir. Bu durum ekil-1.15?de resmedilmi tir. ekilde ileri yönde bayaslanan diyodtaki elektron ak ? ? görülmektedir. R + - V polarma V D Elektron ak ?m ? bo luk ak ?m ? N T P P T P ekil-1.15: PN birle imli diyot ?ta elektron ak ? ?. leri polarmada Gerilim seddinin etkisi PN birle iminde meydana gelen gerilim seddi, Silisyumda 0.7V, germanyumda ise 0.3V civar ?ndad ?r. Polarma geriliminin potansiyeli bu de ere ula t ? ?nda, PN birle iminde iletim ba lar. PN uçlar ?na uygulanan gerilim, diyodu bir kez iletime geçirdikten sonra gerilim seddi küçülür. Ak ?m ak ? ? devam eder. Bu ak ?ma ileri yön ak ?m ? If denir. If ak ?m ? P ve N bölgesinin direncine ba l ? olarak çok az de i ir. Bu bölgenin direnci (ileri yöndeki direnç) genellikle küçüktür ve küçük bir voltaj kayb ?na sebep olur. Ters Polarma (Revrese Bias) Ters kutuplamada bataryan ?n negatif ucu P bölgesine, pozitif ucu ise N bölgesine ba lanm ? t ?r. Bu durum ekil-1.16?da gösterilmi tir. Ters polarmada PN birle iminden ak ?m akmaz. Bataryan ?n negatif ucu, PN bölgesindeki bo luklar ? kendine do ru çeker. Pozitif ucu ise PN bölgesindeki elektronlar ? kendine do ru çeker ve bu arada (deplesyon bölgesi) yal ?tkan katman geni ler. N bölgesinde daha çok pozitif iyonlar, P bölgesinde ise daha çok negatif iyonlar olu turulur. p n + - V polarma ekil-1.16 Ters Polarma ba lant ?s ?. 49 TEMEL ELEKTRON K Kaya Yal ?tkan (deplesyon) katmandaki potansiyel fark ? harici bayas voltaj ?na e it oluncaya kadar geni ler. Bu noktada bo luklar ?n ve elektronlar ?n hareketi durur. Birle imden ço unluk ak ?m ta ?y ?c ?lar ?n ?n harekete ba lamas ? (transient ) ak ?m ? diye adland ?r ?l ?r. Bu ise ters kutuplama yap ?ld ? ?nda çok k ?sa bir anda akan bir ak ?md ?r. + - V polarma Engel Katman ? N T P P T P - + - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + ekil-1.17 Ters polarmada olu an engel katman ? Diyot ters kutupland ? ?nda engel katman ?n ?n yal ?tkanl ? ? artacak ve her iki taraftaki iyonlar arj olacakt ?r. Bu durum kapasitif bir etki yarat ?r. Ters kutuplama gerilimi artt ?kça engel katman ? geni ler. Bu arada kapasitans?da artacakt ?r. Bu durum, deplesyon katman ?n ?n kapasitans ? diye bilinir ve bu durum pratik kolayl ?klar sa lar. Az ?nl ?k Ak ?m ? imdiye kadar ö rendi imize göre; diyoda ters gerilim uyguland ? ?nda ço unluk ak ?m ? çabucak s ?f ?r olur. Ancak ters kutuplama da bile çok az bir az ?nl ?k ak ?m ? mevcut olacakt ?r. Bu ters ak ?m germanyumda, silisyum?a göre daha fazlad ?r. Bu ak ?m silisyum için mikro amper veya nano amperler mertebesindedir. Dolay ?s ? ile ?s ? ile olu an elektron bo luk çifti ise minimum seviyesindedir. Harici ters gerilim; uygulan ?rken baz ? elektronlar PN birle imini geçecektir. Ters ak ?m ayn ? zamanda birle imin ?s ?s ?na ve ters kutlama geriliminin miktar ?na ba l ?d ?r dolay ?s ? ile ?s ?n ?n artmas ? ters ak ?m ? da art ?racakt ?r. Ters Yönde K ?r ?lma E er d ? ar ?dan uygulanan ters polarma gerilimi a ?r ? derecede art ?r ?l ?rsa ç ? k ?r ?lmas ? meydana gelir. imdi bu ne demektir? Az ?nl ?k ak ?m ta ?y ?c ?lar ? olan iletkenlik band ? elektronlar d ? ar ?dan uygulanan ters gerilim kayna ?n ?n etkisi ile P bölgesine itilirler. Bu esnada valans elektronlar ? iletkenlik band ?na do ru hareket ederler. Bu anda iki tane iletkenlik band ? elektronu mevcuttur. Her biri bir atomda bulunan bu elektronlar; valans band ?ndan, iletkenlik band ?na hareket eder. letkenlik band ? elektronlar ?n ?n h ?zla ço almas ? olay ?, ç ? etkisi olarak bilinir. Sonuç olarak büyük bir ters ak ?m akar. Ço u diyotlar genelde ters k ?r ?lma bölgesinde çal ? mazlar. Çünkü hasar görebilirler. Bununla birlikte baz ? diyotlar s ?rf ters yönde çal ? acak yönde yap ?lm ? lard ?r. Bunlara ?Zener Diyot? ad ? verilir.