Transistör Nedir? Bilgi Çağının En Önemli İcadı

Biraz geçmişe gidip insanlık tarihinin çağ atlatan en önemli buluşunu düşünün desem; ateş, tekerlek, kağıt veya buharlı makineler aklınıza gelecektir. Peki pek bilinmeyen insanlığın gelişimde önemli rol oynayan, bilgisayarların, cep telefonlarının, uzay seyehatlerinin, uçakların, uyduların bugünkü haline gelmesine öncülük eden, 19. yüzyılın çağ atlatan pek bilinmeyen buluşu Transistör desem. Evet belki duyanlarınız vardır. Bu yazımızda detaylı bir şekilde bilgisayar çiplerinin de milyonlarca hatta milyarlarcasına sahip olduğu “Transistörler nedir, ne işe yarar? Nasıl üretilir? Çalışma prensibi nedir?” sorularını cevap arayacağız. Hadi o zaman Transistörleri detaylıca incelemeye başlayalım.

Not: Yazımızı daha iyi kavrayabilmek için yarı iletken teknolojisi ve malzemeleri hakkında yazımızı okuyabilirsiniz. Yazıya Ulaşmak için aşağıdaki linke tıklayınız.

Yarı İletken Teknolojisi Nedir? Elektronik Cihazlar İçin Önemi

Transistör Nedir?

Transistör, elektrik sinyallerini yükseltmek, kontrol etmek ve üretmek için kullanıllan yarı iletken bir elektronik devre elemanıdır. Entegre devrelerin veya mikroçiplerin yüzeylerine kazınmış milyonlarca hatta miyarlarca transistör bulunur. Neredeyse elektronik olan her şeye gömülü olan transistörler, Bilgi Çağının en önemli icadı olarak da bilinir.

İlginizi Çekebilir! Güneş Paneli Nasıl Çalışır? Enerjinin En Temiz Halinin Üretimi

Transistör dediğimiz şey aslında en basit haliyle 3 yarı iletkenin eklenmiş halidir. Yarı iletkenler her yerde karşınıza çıkıyor değil mi? Bugün üretilen bilgisayarların, akıllı telefonların vb. elektronik cihazların saniyede milyarlarca hesaplama yapmasını sağlayan yarı iletken teknolojisinin prensiblerini kullanan transistöre borçluyuz.

Transistörler Ne Yapar, Neden Bu Kadar Önemli?

Transistörler iki farklı işi yapabilen ufak bir bileşendir. Transistör devrede yükseltici(amplifikatör) veya anahtarlama görevini üstlenebilir. Yükseltici olarak çalıştığında, aldığı küçük elektrik akımını büyük bir elektrik akımına dönüştürebilir. Yani bir çeşit akım güçlendirici olarak düşünebilirsiniz.

Tarihte transistörlerin ilk kullanıldığı şey işitme cihazlarıdır. İşitme cihazlarının içerisinde çevredeki sesleri algılayan ve bu sesleri dalgalı elekrik akımlarına çeviren küçük bir mikrofon bulunur. Bu sesler, onları güçlendiren ve küçük bir hoparlöre güç veren bir transistör ile beslenir. Böylece çevrenizdeki seslerin daha yüksek versiyonunu duymuş olursunuz.

Transistörler ayrıca anahtar olarak da çalışabilir. Temelde tüm bilgisayar çipleri bu şekilde çalışır. Örneğin, bir mikroçip, her biri ayrı ayrı açılıp kapatılabilen yüz milyonlarca hatta milyarlarca transistör içerir. Her transistör iki farklı durumda olabileceğinden, 0 ve 1 olmak üzere iki farklı sayı saklayabilir. Bu sıfır ve birler bilgisayarın dilini Binary(ikili) sistemini oluştururlar. Yani özetle bilgisayarlar ile yaptığımız her işlem milyonlarca sıfır ve bire çevrilip işleniyor.

Bu Yazımızı Kaçırmış Olabilirsiniz! Sanal Gerçeklik Nedir? Geleceğin Sanal Dünyası

Bugün en gelişmiş transistörler tek bir elektronun hareketini kontrol etmesi prensibine dayanır. Elektron çok küçük bir parçacıktır. Hatta ağırlığı sadece 0.000000000000000000000000000001 kg! Elektronların hareketini kontrol edebilen transistörlerin ne kadar küçük olduklarını hayal edebildiniz mi?

Modern bir bilgisayar çipinde 500 milyon ile 2 milyar arasında transistör mevcut olduğunu biliyor muydunuz? Peki bu küçük, çağımızın en önemli cihazlarını yapı taşı olan trasistörler nasıl yapılır veya üretilir?

Transistörler Nasıl Üretilir?

Transistörler yeryüzünde oksijenden sonra en fazla bulunan element olan Silisyum ya da yaygın adıyla Silikon kullanılarak üretilir. Silikon yarı iletken özelliğe sahiptir. Yani hem iletken hem de yalıtkan özellik gösterebilir. Silikon normalde yalıtkan bir malzemedir. Fakat silikonu belli bir sıcaklığa kadar ısıtırsak iletkenlik özelliği kazandırılabilir. İletkenlik için bir başka yol ise, %99,999 saflıktaki silikona bazı saf olmayan maddeler genelde periyodik tabloda 3A ve 5A grubundaki elemenler eklenerek iletkenlik özelliği kazandırılanbilir. Bu saf silikona saf olmayan maddeler eklenmesi işlemine doping denir.

Silikona arsenik, fosfor veya antimon kimyasal elementlerini doping işlemi ile eklersek, silikon fazladan “serbest” elektron kazanır. Örneğin fosforu doping ile silikona eklersek, değerlik elektronu 5 olan fosfor ile 4 olan silikon aralarında kovalent bağ oluşturacaklar. Böylece fosforun 1 elektronu boşta kalacaktır. Elektronların negati yüklü özelliğinden ilham alınarak, bu şekilde silikona uygulanan doping işlemi sonucunda oluşan yarı iletkene N-tipi(negatif tip) denir.

Bor, galyum, aliminyum gibi elementleri doping işlemi ile silikona eklersek, bu şekilde üretilen silikona P-tipi(pozitif tip) silikon denir. Örneğin Bor elementini ile silikonu ele alırsak, değerlik elektronu 3 olan bor elementi ile değerlik elektronu 4 olan silikon kovalent bağ oluşturur. Fakat silikonun 1 elektronu bağ oluşturmaz. Bu boşta kalan elektrona boşluk denir ve bu oluşan boşluğu yakındaki elektronlar doldurmaya eğilimlidir. N-tipi ve P-tipi silikonun farkı N-tipi silikon fazladan 1 elektrona sahipken, P-tipi silikonda 1 elektron eksiktir.

N-tipi ve P-tipi silikonlar normalde tek başlarına yüklü değillerdir, yani nötr halde bulunurlar. Yani tek başlarına iletken özelliğine sahip değiller. Bu iki tip silikonu katmanlar halinde birleştirirsek, bu malzemeye iletkenlik özelliği kazandırabiliriz. Nasıl mı? Birleştirdiğimiz malzemeye bir akım gönderdiğimizde, N-tipi silikondaki elektronlar P-tipi boşlukları doldurmak isteyeceklerdir ve elektrona akışı olmaya başlar. Sonunda iletken özelliği kazandırdık. Bu N-tipi ve P-tipi silikonları birleştirdiğimizde daha önceki yazılarımda da bahsettiğim diyotu elde ederiz. Kısacası diyot, elektrik akımını tek bir yönde akmasını sağlayan elektronik bir devre elemanıdır. Çift yönlü alternatif akımı tek yönlü doğru akıma çevirmek içinde kullanılan önemli bir bileşendir. Artık neredeyse tüm elektronik cihazlarda bulunan LED kavramını duymuşsunuzdur, işte LEDler ya da ışık yayan diyotlar(light-emitting diodes- LEDs) bir çeşit diyottur. Transistörler de iki diodun yan yana birleştirilmesiyle oluşur.

Transistör Nasıl Çalışır?

Transistörler N-P-N veya P-N-P olara iki farklı yol ile elektronik devre elemanlarında kullanılabilir. Bu iki tip transistörün çalışma prensibi aynıdır, sadece devreye bağlanış şekilleri farklıdır. Transistörlerin iki diyotun yan yana gelmesiyle oluştuğundan bahsetmiştik. Mesela N-P-N yapılı transistörü ele alırsak, N-P tipi silikon ile P-N tipi silikondan oluşur ve bunlar birer diyottur. N-P-N yapılı transistörlerde iki uçta N-tipli silikonlar bulunurken, orta kısımda P-tipi silikon bulunur. İki uçta bulunan N-tipi silikonun sağ taraftakine emitter, sol taraftakine collector ve orta kısımdaki P-tipi silikona ise base kısmı denilir. Aşağıdaki fotoğrafta görüldüğü gibi orta kısımda bulunan p-tipi silikon diğer N-tipi silikon katmanlara göre genişliği daha kısadır. Elbette bunun da bir nedeni vardır. Hadi “transistörler nasıl çalışır?” sorusunun daha derinine inip, ortadaki katmamanın neden daha kısa olduğunu anlamaya başlayalım.

İlginizi Çekebilir! Uluslararası Uzay İstasyonu Nedir? Astronotların Uzaydaki Evi

Transistörlerde, n-tipi elektron fazlalığına sahipken, p-tipinde elektronların olması gereken yerde delikler olduğunu ve elektronların boşlukları doldurmaya eğilimli olduklarını biliyoruz. Transistöre bir akım sağlamadıkça, N-P-N transistöründeki base kısmı başka bir deyişle p-tipi silikondaki delikler emitter ve collector arasında bir bariyer görevi görür. Akım taşıyan elektronların emitter kısmından collector kısmına akmasını engeller.

Eğer transistöre bir akım sağlarsak, n-tipi silikondaki elektronlar ve p-tipi siilikondaki delikler hareket etmeye başlayacaktır. Base kısmına pozitif bir gerilim bağlarsak, emitter kısmındaki elektronlar base kısmına doğru ve base kısmındaki elektronlar collector kısmına doğru hareket edecektir. İşte transistör şuan çalışır durumda. Base kısmındaki p-tipi silikonun genişliğinin kısa olmasının sebebi emitterden gelen elektronların base kısmında depolanmaması ve collecetor kısmına hemen geçebilmesi içindir.

Base kısmına sağladığımız küçük akım, emitter ile collector arasında büyük bir akım akışı oluşturur. Transistör küçük bir giriş akımını büyük bir çıkış akımına dönüştürerek, bir amplifikatör veya yükseltici gibi davranır. Ama aynı zamanda bir anahtar görevi görür. Base kısmında akım olmadığında, collector ile emitter arasında çok az akım olur veya hiç akmaz. Yani Base kısmındaki akım tüm transistörü açar ve kapatır. Bilgisayar dili olarak açık olduğunda 1 kapalı olduğunda 0 olarak işlem görür. Teknik olarak, bu tür bir transistör bipolar kısaca BJT olarak adlandırılır çünkü akım akışının yapılmasında iki farklı tür (veya “polarite”) elektrik yükü (negatif elektronlar ve pozitif delikler) yer alır.

Diyot Olarak Düşünürsek

İlginizi Çekebilir! İskandinav Ülkeleri; Dünyanın En Mutlu Ülkelerine Yolculuk

Bir diyot, iki farklı şekilde kutuplanabilir. Yukarıdaki görselde de gördüğümüz şekilde diyotun anot ucuna pozitif, katot ucuna da negatif bir gerilim uygulanması durumuna ileri kutuplama ismi verilir. İleri kutuplanmış bir diyotun anot ucundan katot ucuna akım geçişi olur.  Gerilimlerin yerleri tam tersine çevrildiğinde ise diyot ters kutuplama durumundadır. Bu durumda diyot üzerinden akım geçmez. İki adet diyotu anot ucundan birleştirirsek, NPN çeşidi transistör elde ederiz.

Bu yapının iki ucuna gerilim uyguladığımızı düşünelim. Güç kaynağımızı nasıl bağlarsak bağlayalım, p-n çiftlerinden bir tane mutlaka ters kutuplu olacaktır. Şimdi ise ikinci bir güç kaynağını aşağıdaki şekilde bağladığımızı hayal edelim.

Yukarıda şekilde görüldüğü gibi alt kısımdaki p-n çifti bir ileri kutuplanmış diyot örneğidir. Yani gerilim kaynağını + ucu p-tipi yarı iletkene, eksi ucu n-tipi yarı iletkene bağanmıştır. Ortaya bağladığımız gerilim kaynağı yani pil emitter kısmındaki elektronları base kısmına, base kısmındaki elektronları da diğer n-tipi yarı iletkene yaygın adıyla collecter kısmına itilmesini sağlıyacaktır. Böylece akım kazancı olacaktır.

Bu yazımızda “Yarı İletken Teknolojisi Nedir? Elektronik Cihazlar İçin Önemi” başlıklı yazımızdan başlayarak yarı iletkenler konusunda bilgi edinmeye ve sonra güneş panelleri derken şuan ki modern bilgisayarlar çiplerinin temel yapısını oluşturan “Transistör nedir, ne işe yarar?” sorusuna cevap oluşturarak detaylı bilgiler verdik. Biraz teorik bilgiler içerdiği için umarım kafanız karışmamıştır. Bir sonraki teknolojiye, geleceğe, bilime dair yazılarımızda görüşmek dileğiyle esen ve LEVTEMS ile kalın…

Eğer Transistör Hakkında Bilgi Verdiğimiz Yazımızı Beğendiyseniz, Sosyal Medya Hesaplarınızdan Yazımızı Paylaşarak, Bize Destek Olabilirsiniz

Kaynakça:

https://www.explainthatstuff.com/howtransistorswork.html

Robotistan