Yarı iletken, normal şartlarda yalıtkan olan fakat üzerine yapılan mekanik ışının etkisiyle iletkenlik özelliği kazanabilen maddelerdir. Bilgisayarlar ve diğer elektronik cihazların temelini oluşturan bu madde belirli elektriksel özelliklere sahiptir. Tipik olarak, belirli koşullar altında elektriği ileten, ancak diğerlerini iletmeyen katı bir kimyasal element veya bileşiktir. Bu, onu elektrik akımını ve günlük elektrikli aletleri kontrol etmek için ideal bir ortam haline getirir.
Yarı iletkenler, elektriği iletebilen madde yani iletkenler ile elektriği iletemeyen madde yani yalıtkanlar arasına oturan özelliklere sahiptir. Galyum arsenit, germanyum ve silikon en yaygın kullanılan yarı iletkenlerden bazılarıdır. Silikon, elektronik devre imalatında, galyum arsenit ise güneş pilleri, lazer diyotlar gibi birçok alanda kullanılır. Diyot, entegre devre (IC) ve transistörün tümü yarı iletkenlerden yapılmıştır. İletkenlik, bir kontrol elektroduna uygulanan akım veya voltaja veya kızılötesi (IR), görünür ışık, ultraviyole veya X-ışınları ile ışınlama yoğunluğuna bağlı olarak değişebilir. Bir yarı iletkenin spesifik özellikleri, ona eklenen katkı maddeleri olarak bilinen safsızlıklara bağlıdır.
Çeşitli malzemelerden yapılmış kristallerden oluşurlar. Yarı iletkenlerin nasıl çalıştığını daha iyi anlamak için atomları ve elektronların atom içinde kendilerini nasıl organize ettiklerini bilmek gerekir. Elektronlar kendilerini bir atomun içinde kabuk adı verilen katmanlar halinde düzenlerler. Atomdaki en dıştaki kabuk, değerlik kabuğu olarak bilinir.
Bu değerlik kabuğundaki elektronlar, komşu atomlarla bağ oluşturan elektronlardır. Bu tür bağlara kovalent bağlar denir. Çoğu iletkenin değerlik kabuğunda sadece bir elektronu vardır. Öte yandan yarı iletkenler, değerlik kabuklarında tipik olarak dört elektrona sahiptir.
Bununla birlikte, yakındaki atomlar aynı değerlikten yapılmışsa, elektronlar diğer atomların değerlik elektronlarına bağlanabilir. Bu gerçekleştiğinde, atomlar kendilerini kristal yapılar halinde düzenlerler. Çoğu yarı iletken, bu tür kristallerle, özellikle silikon kristallerle yapılır.
Yarı İletkenlerin Özellikleri
Yarı iletkenler, tercih edilen koşullar altında elektriği iletebilir. Bu eşsiz özellik, elektriği gerektiği gibi kontrollü bir şekilde iletmek için mükemmel bir malzeme olmasını sağlar.
İletkenlerin aksine, yarı iletkenlerdeki yük taşıyıcıları yalnızca harici enerji (termal ajitasyon) nedeniyle ortaya çıkar. Belirli sayıda değerlik elektronunun enerji boşluğunu geçmesine ve iletim bandına atlamasına neden olarak eşit miktarda boş enerji durumu, yani delikler bırakır. Elektronlar ve deliklerden kaynaklanan iletim de aynı derecede önemlidir.
- Direnç: 10-5 10 için6 Ωm
- İletkenlik: 105 10 için-6 MHO/M
- Sıcaklık direnç katsayısı: Negatif
- Akım akışı: Elektronlar ve delikler nedeniyle
Yarı iletkenlerin bazı önemli özelliklerine göz atalım.
- Yarı iletkenler sıfır Kelvin’de yalıtkan gibi davranır. Sıcaklığı arttırdıklarında iletken olarak çalışırlar.
- Olağanüstü elektriksel özellikleri nedeniyle, yarı iletkenler, cihazları, enerji dönüşümü, anahtarlar ve amplifikatörler için uygun hale getirmek için doping ile değiştirilebilir.
- Daha az güç kaybına sahiptir.
- Yarı iletkenler boyut olarak daha küçüktür ve daha az ağırlığa sahiptir.
- Dirençleri iletkenlerden daha yüksek, ancak yalıtkanlardan daha azdır.
- Malzemelerin direnci, sıcaklık arttıkça azalır ve bunun tersi de geçerlidir.
Yarı İletken Türleri
Yarı iletkenler, içsel yarı iletken ve dışsal yarı iletken olmak üzere sınıflandırılır. Dışsal yarı iletken kendi içerisinde, P-Tipi yarı iletken ve N-Tipi yarı iletken olmak üzere ikiye ayrılır.
1. İçsel Yarı İletken
İçsel bir yarı iletken malzeme türü, kimyasal olarak çok saf olacak şekilde yapılır. Sadece tek bir eleman türünden oluşur.
Germanyum (Ge) ve silikon (Si), içsel yarı iletken elementlerin en yaygın türleridir. Dört değerlik elektronuna sahiptirler. Mutlak sıfır sıcaklığında kovalent bir bağ ile atoma bağlanırlar.
Çarpışmalar nedeniyle sıcaklık yükseldiğinde, birkaç elektron sınırsızdır ve kafes boyunca hareket etmekte serbest kalır, böylece orijinal konumunda (delik) bir eksiklik yaratır. Bu serbest elektronlar ve delikler, yarı iletkende elektriğin iletilmesine katkıda bulunur. Negatif ve pozitif yük taşıyıcıları sayıca eşittir.
Termal enerji, kafes içindeki birkaç atomu iyonize edebilir ve bu nedenle iletkenlikleri daha azdır.
Farklı sıcaklıklarda saf silikon yarı iletken kafes;
- Mutlak sıfır Kelvin sıcaklığında: Bu sıcaklıkta kovalent bağlar çok güçlüdür, serbest elektron yoktur ve mükemmel bir yalıtkan gibi davranır.
- Mutlak sıcaklığın üstünde: Sıcaklıktaki bir artışla, birkaç değerlik elektronu iletim bandına atlar ve bu nedenle zayıf bir iletken gibi davranır.
2. Dışsal Yarı İletken
Yarı iletkenlerin iletkenliği, safsızlık adı verilen az sayıda uygun ikame atomun eklenmesiyle büyük ölçüde geliştirilebilir. Saf yarı iletkene safsızlık atomları ekleme işlemine doping denir. Genellikle, sadece 1 atom 107 katkılı bir katkı maddesi yarı iletken atomu ile değiştirilir. Dışsal yarı iletkenin türlerine de göz atalım.
a) N-Tipi yarı iletken
Saf bir yarı iletken (silikon veya germanyum) beş değerlikli safsızlık (P, As, Sb, Bi) ile katkılandığında, beş değerlik elektronundan dört elektron Ge veya Si’nin dört elektronu ile bağlanır.
Katkı maddesinin beşinci elektronu serbest bırakılır. Böylece, safsızlık atomu kafes içinde iletim için serbest bir elektron bağışlar ve “donar” olarak adlandırılır.
Bir safsızlık ilavesiyle serbest elektronların sayısı arttığından, negatif yük taşıyıcıları artar. Bu nedenle, n-tipi yarı iletken olarak adlandırılır.
Kristal bir bütün olarak nötrdür, ancak donör atom hareketsiz bir pozitif iyon haline gelir. İletim çok sayıda serbest elektrondan kaynaklandığından, n-tipi yarı iletkendeki elektronlar çoğunluk taşıyıcılardır ve delikler azınlık taşıyıcılarıdır.
b) P-Tipi Yarı İletken
Saf bir yarı iletken, üç değerlikli bir safsızlık (B, Al, In, Ga) ile katkılandığında, safsızlığın üç değerlik elektronu, yarı iletkenin dört değerlik elektronundan üçü ile bağlanır.
Bu, safsızlıkta elektron (delik) yokluğu bırakır. Bağlı elektronları kabul etmeye hazır olan bu safsızlık atomlarına “alıcılar” denir.
Kirlilik sayısındaki artışla birlikte, delikler (pozitif yük taşıyıcıları) artar. Bu nedenle, p-tipi yarı iletken olarak adlandırılır.
Kristal, bir bütün olarak nötrdür, ancak alıcılar hareketsiz bir negatif iyon haline gelir. İletim çok sayıda delikten kaynaklandığından, p-tipi yarı iletkendeki delikler çoğunluk taşıyıcılardır ve elektronlar azınlık taşıyıcılarıdır.
Yarı İletkenlerin Kullanım Alanları
Yarı iletkenler hemen hemen tüm elektronik cihazlarda kullanılmaktadır. Onlar olmasaydı hayatımız çok daha farklı olurdu.
Güvenilirlikleri, kompaktlıkları, düşük maliyetleri ve kontrollü elektrik iletimi, onları çok çeşitli bileşen ve cihazlarda çeşitli amaçlar için kullanım için ideal hale getirir. Transistörler, diyotlar, fotosensörler, mikrodenetleyiciler, entegre çipler ve çok daha fazlası yarı iletkenlerden oluşur.
Yarı İletkenlerin Günlük Yaşamda Kullanımları
- Sıcaklık sensörleri yarı iletkenlerle yapılır.
- 3D baskı makinelerinde kullanılırlar.
- Mikroçiplerde ve sürücüsüz arabalarda kullanılırlar.
- Hesap makinelerinde, güneş plakalarında, bilgisayarlarda ve diğer elektronik cihazlarda kullanılır.
- Elektrik devrelerinde anahtar olarak kullanılan transistörler ve MOSFET yarı iletkenler kullanılarak imal edilir.
Yarı İletkenlerin Endüstriyel Kullanımları
Yarı iletkenlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, onları mikroçipler, transistörler, LED’ler, güneş pilleri gibi teknolojik harikalar tasarlayabilmelerini sağlar.
Uzay araçlarının, trenlerin, robotların vb. çalışmasını kontrol etmek için kullanılan mikroişlemci, yarı iletken malzemelerden üretilen transistörlerden ve diğer kontrol cihazlarından oluşur.
Yarı İletkenlerin Önemi
Yarı iletkenlerin onları her yerde oldukça kullanışlı kılan bazı avantajlarını inceleyelim.
- Küçük boyutları nedeniyle oldukça taşınabilirdirler.
- Daha az giriş gücü gerektirirler.
- Yarı iletken cihazlar darbeye dayanıklıdır.
- Daha uzun ömürlüdürler.
- Çalışırken gürültüsüzdürler.