Modern dünyamız yarı iletkenlere dayanıyor. Bilgisayar, cep telefonu ve dijital kameraya dek yarı iletkenler çoğu cihazın vazgeçilmez bir bileşeni. Araba, buzdolabı, fırın, kahve makinesi veya LED ışıklar gibi aydınlatmalı ekranı veya kontrol devresi olan her şey yarı iletkenlere sahip. İçinde yarı iletken devreler olmayan elektrikli modern bir cihaz bulmanız zordur. Çoğu insan silikonu ve Silikon Vadisi'ni (aslında doğru çevirisi "silisyum"dur, "silikon" bir plastiktir) duymuş olsa da bunun mevcut maddelerin yalnızca tek bir örneği olduğunu bilmez. Ancak her türlü bilgisayar ve elektronik cihazda kullanılan silisyum metalinin teknik sınırlamaları var. Özellikle mühendisler elektronik cihazları ışık üretmek veya işlemek için kullanmaya çalıştıkça bunu görüyor. Bu yüzden silisyuma alternatif yeni yarı iletken maddeler arıyorlar.
Yarı iletkeni anlamak
Adından da anlaşılacağı gibi yarı iletken herhangi bir sıcaklıkta iletken olan çoğu metalin ve genelde elektriği iletmeyen cam, plastik ve taş gibi yalıtkanların aksine elektriği yalnızca belirli sıcaklıkta ileten maddelerdir.
Ancak en önemli özellikleri bu değil. Doğru biçimde tasarlandığında bu maddeler içlerinden geçen elektriği değiştiriyor. Tıpkı aktığı yönleri sınırlaması veya gücünü artırması gibi. Bu özellikler tüm modern elektronikleri mümkün kılan diyot ve transistörün temelini oluşturur. Bu devre parçaları duvar prizinden gelen elektriği cihazlara uygun yapmak ve bilgiyi 1 ve 0 halinde iletmek gibi işlevlere sahip. Yarı iletkenler ayrıca ışığı emerek elektrik akımına ve voltaja dönüştürüyor. Bu süreç dışarı ışık yayılan ters biçimde de olabilir. Bu özellik lazer, LED ışık ve dijital kamerayı mümkün kılıyor.
Yarı iletkenin keşif öyküsü
Bunların hepsi çok modern görünse de yarı iletkenlerin ilk keşfi 1830'lara uzanıyor. 1880'lerde Alexander Graham Bell, sesi bir ışık demetiyle iletmek için selenyum kullanmayı denedi. Selenyum ayrıca 1880'lerde ilk güneş pillerinin yapımında kullanıldı.
En büyük sorun kullanılan elementlerin saflaştırılamamasıydı. Trilyonda bir veya yüzde 0,0000000001 kadar küçük kirlilikler yarı iletkenin davranış şeklini temelden değiştirir. Teknoloji daha saf malzeme üretimine olanak tanıdıkça daha gelişmiş yarı iletkenler ortaya çıktı.
İlk yarı iletken transistör 1948'de germanyumdan yapıldı ancak silisyum (dilimizde "silikon" olarak yanlış bilinir) hızla baskın yarı iletken malzeme haline geldi. Silisyum mekanik yönden güçlüdür, temizlenmesi nispeten kolaydır ve yeterli elektriksel özelliklere sahiptir.
Aynı zamanda inanılmaz derecede bollar: Yerkabuğunun yüzde 28,2'si silisyumdur. Bu da metali oldukça ucuz yapıyor. Silisyum neredeyse mükemmel bir yarı iletken oldu ve diyot ve transistör yapımında kullanılarak hala hemen her bilgisayar çipinin temelini oluşturuyor. Ancak önemli bir sorunu vardır: Silisyum ışığı elektrik sinyaline veya elektriği yeniden ışığa çevirmede yetersizdir.
Yarı iletkenlerin birincil kullanımı metal hatlarla bağlı bilgisayar işlemcisiyken bu pek sorun olmaz. Ancak güneş paneli, kamera sensörü ve ışıkla ilgili diğer uygulamalarda yarı iletken kullanımı arttıkça silisyumun bu zayıflığı engel haline geldi.
Yeni yarı iletkenler bulmak
Yeni yarı iletken arayışı bir süredir devam ediyor ve periyodik tablo iyi bir başlangıç noktası. Yandaki tabloda IV ile başlayan sütundaki her element elektronlarından dördünü komşusuyla paylaşarak bağ oluşturur. Bu grupta en güçlü bağ kuran element elmas oluşturan karbondur (C). Elmas iyi bir yalıtkandır (ve saydamdır) çünkü karbon elektronlara çok sıkı tutunur. Bu yüzden elmasa elektriği iletmesi için akım verirseniz direnir ve sonunda yanar.
Sütunun alt bölümündeki kalay (Sn) ve kurşun (Pb) elementleri ise çok daha metaliktir. Çoğu metal gibi elektron bağları o denli gevşektir ki elektronları az miktarda enerjiyle koparmak ve maddenin içinde serbestçe akmalarını (elektrik akımının kendisi) sağlamak mümkündür.
Silisyum (Si) ve germanyum (Ge) ise bu iki grubun ortasında yer alıyor yani yarı iletkendir. Ancak yapılarındaki tuhaflık nedeniyle ışığı elektriğe dönüştürmede pek iyi değiller. Işıktan daha iyi anlayan malzemeler bulmak için IV. grubun her iki yanına gitmek gerek. "Grup III" ve "Grup V" sütunlarından elementleri birleştirmek yarı iletken özelliklere sahip yeni maddeler üretmeyi sağlar. Galyum arsenit (GaAs) gibi "III-V" maddeleri lazer, LED ışık ve fotodetektör (kameralarda bulunan) gibi cihazların yapımında kullanılıyor. Yani silisyumun yapamadığını yapıyor.
Peki ışığı elektriğe dönüştürmekte bu denli kötüyse neden güneş panellerinde silisyum kullanılıyor? Yanıt maliyet. Silisyum dünya yüzeyinin her yerinden rafine edilebilirken, III-V bileşiklerini oluşturan elementler çok daha nadirler.
Silisyum güneş paneli güneş ışığını %10 ila %15 verimle elektriğe dönüştürür. III-V elementine sahip panel ise üç kat daha verimli çalışır ancak çoğu zaman üç kattan pahalıdır. III-V malzemeleri ayrıca silisyumdan kırılganlar ve geniş güneş panelleri yapmayı zorlaştırır.
Ancak III-V malzemelerinin sunduğu elektron hızları bilgisayardakinden yüzlerce kat hızlı transistör üretmeyi mümkün kılar. Bu elementler bir gün bilgisayardaki kabloların yerini ışık ışınlarının almasını ve veri akışının büyük oranda artmasını sağlayacak.
III-V malzemelerinin yanı sıra kullanımda olan II-VI malzemeleri de var. Bu malzemeler 1800'lerde araştırılan bazı sülfürleri ve oksitleri içeriyor. Çinko, kadmiyum, tellürlü cıva birleşimleri kızılötesi kameranın yanında güneş pili yapımında kullanıldı. Bu malzemeler kırılgandır ve üretimi çok zordur.
Yarı iletkenin geleceği
Yeni yarı iletken malzemeler nasıl kullanılacak? Yüksek güçlü III-V (galyum-nitrür) yarı iletkenler elektrik şebekesi sistemlerinin belkemiği olacak. Çünkü yüksek voltaj iletimi sağlıyorlar. Yeni III-V malzemeleri (antimonitler ve bizmutitler) tıbbi, askeri ve sivil kullanımlarda kızılötesini algılamanın yanında yeni telekomünikasyon olanakları sunuyor. Yüksek verimli ancak ucuz güneş pilleri için yeni yarı iletkenler yapmak için toprakta bol bulunan element birleşimleri araştırılıyor.
Peki silisyuma ne olacak? Işığı verimli kullanamaması kenara atılacağı anlamına gelmiyor. Bazı bilim insanları "silisyum fotoniği" dedikleri yolla silisyumun ışığı daha iyi kontrol etmesini sağlama arayışında. Yöntemlerden biri silisyuma grup IV'ten bir element olan kalay, silikon veya germanyum eklenmesi. Silisyumun özelliğini değiştirerek ışığı daha verimli emmesini ve yaymasını sağlar. Yöntem henüz araştırma – geliştirme aşamasında.
Referanslar:
- http://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electricity/Selenium_Cell/Selenium_Cell.html
- https://www.mdpi.com/1424-8220/13/4/5054/htm