Yarı İletken Teknolojisi Nedir? Elektronik Cihazlar İçin Önemi

Elektronik endüstrisinin temelini oluşturan yarı iletken maddeler sayesinde dünya daha rahat, daha akıllı ve daha güvenli bir yer. Şuan yarı iletken maddeler olmasaydı, dünyamız 1960’ların başlarında olduğu gibi teknolojik aletlerden yoksun bir yer olacaktı. Dijital bir hesap makinemiz, mikrodalga fırınımız, cep telefonumuz, kişisel bilgisayarımız veya çamaşır makinemiz olmayacaktı. Hayatımız için o kadar onemli bir yere sahip olan yarı iletken teknolojisinin çalışma prensibine, nerelerde kullanıldığına ve yarı iletken maddelerin hangi malzemelerden yapıldıklarını oğrenmeye ne dersiniz? İlk once iletken ve yalıtkan maddeleri tanıma ile başlayalım.

İletkenler ve Yalıtkanlar

Elektrik akımı belirli yönde elektron akışı ile oluşur. Akımın akmasını sağlamak için elektronların malzeme içinde serbestçe hareket edebilmesi gerekir. Bazı malzemelerde elektronlar maddenin içinde serbestçe hareket eder. Bu malzemelerde elektronlar serbestçe ancak rastgele hareket eder. İletkene potansiyel bir fark yerleştirerek, elektronları tek yönde akması sağlanabilir. Böylece bir elektrik akımı oluşur. Birçok malzeme elektriği iletebilir, ancak iletkenlik denilince akla hemen metaller gelir.

Metallerin aksine, tüm elektronların ana moleküllerine sıkıca bağlandığı ve hareket etmekte özgür olmadıkları birçok malzeme vardır. Bu malzemelere potansiyel bir fark yerleştirildiğinde, az sayıda elektron hareket edebilecek ve akım oluşmayacaktır. Bu maddelere iletken olmayan veya yalıtkan denilir. Çoğu plastik, seramik ve ahşap gibi doğal olarak oluşan birçok madde yalıtkan madde olarak bilinir.

Yarı İletken Madde Nedir?

Elektrik iletkenliği bakımından, iletken ve yalıtkan arasında kalan maddelerdir. Normal durumda yalıtkan olan bu maddeler ısı, ışık, manyetik etki veya elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında bir miktar değerlik elektronlarını serbest hale geçirerek iletkenlik özelliği kazanırlar. Uygulanan bu dış etkiler ortadan kalkınca normal durumlarına yani yalıtkan durumuna geçerler.

Yarı iletkenler birçok elektrik cihazların imalatında kullanılır. Bu cihazlara örnek vercek olursak; diodlar, transistörler ve entegre devrelerdir. Elektroniğin temel yapı taşını oluşturan bu cihazlar güvenilirlikleri, güç verimlilikleri ve düşük maliyetleri nedeniyle geniş bir uygulama alanı bulmuşlardır.

İlginizi Çekebilir! Uluslararası Uzay İstasyonu Nedir? Astronotların Uzaydaki Evi

Temel yarı iletken maddeler tek atom türünde oluşur. Silikon (Si), Germanyum(Ge), Kalay (Sn) gibi saf yarı iletken elementler periyodik cetvelin 4. gurubunda bulunurlar. Bunun yanında, iki veya daha fazla elementten oluşan çok sayıda bileşik yarı iletken vardır. Galyum Arsenit (GaAs), İndiyum Fosfür (InP), Kurşun(IV) sülfür (PbS₂) bu yarı iletken bileşiklere verilebilecek en iyi örneklerdir.

Saf haliyle silikon, kristal kafeste serbest elektron içermeyen bir yalıtkandır. Peki silikon nasıl yarı iletken oluyor? Bu sorunu cevabı için ilk önce saf haldeki silikonun atomik yapısına bakalım.

Kristal kafesteki her molekül, elektron içeren üç yörünge halkası ile bir çekirdekten oluşur ve her elektron negatif bir yüke sahiptir. Çekirdek, nötr olan ve yükü olmayan nötronlardan ve pozitif yüklü protonlardan oluşur.

İlginizi Çekebilir! Bilgisayar ve Mobil Oyunları Nasıl Yapılır? Oyunların Dünyası

Silikondaki elektronlar, diğer elementlerde olduğu gibi, her yörüngede belirli sayıda elektron bulunan halkalar halinde düzenlenmiştir. İlk halka yalnızca iki, ikincisi sekiz, silikonun üçüncü ve en dış halkasında dört elektron vardır. Dış kabuktaki elektronlar, bir kristal kafes oluşturmak için yanındaki diğer silikon atomları ile elektronlarını paylaşır. Yani kovalent bağ oluşturur. Böylece kafeste serbest elektron bulunmaz, bu da silikonu iyi bir yalıtkan yapar. Buraya kadar silikonun atomik yapısına değindik. Peki silikon nasıl olurda yalıtkan durumdan yarı iletkenlik özelliği kazanır?

Yarı İletkenlerde Doping Nedir?

Silikon veya başka bir yarı iletkeni kısmen iletken bir malzeme haline getirmek için malzemeye, çok az miktarda saf olmayan maddeler (katkı maddesi) eklemek gerekir. Bu maddenin özelliğini önemli ölçüde değiştirir. Bu işleme Doping denir. Doping olayının sonucunda N-tipi veya P-tipi yarı iletken madde oluşur.

N-Tipi Yarı İletken Madde Nedir?

N-tipi dopingde, silikona küçük miktarlarda Arsenik veya Fosfor eklenir. Bu elementlerin her ikisinin de en dış yörüngelerinde beş elektron vardır. Silisyumun ya da yaygın olarak bilinen silikonun valans değeri (en dış yörüngedeki elektron sayısı) 4 tür. Örneğin valans değeri  5 olan Fosforun, valans değeri 4 olan silisyum atomuna eklersek, Fosfor ve Silisyumun 4 elektronları aralarında kovalent bağ oluşturur. Fosforun 5. Elektronu ise açıkta kalır. Bu açıkta kalan elektron iletkenliği arttırır. Çünkü herhangi bir atoma bağlı değildir. İletkenlik, elektron sayıları ile kontrol edilebilir. Bu ise silisyuma eklenen atomların sayısı ile olur. Katkı sonucu oluşturulan bu iletkenlik elektronu, valans bandında bir boşluk oluşturmaz.

P-Tipi Yarı İletken Madde Nedir?

Bu Yazımızı Okudunuz Mu? Küresel Bir Elektrik Kesintisi Nasıl Yaşanabilir?

Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3-değerli) atomların belli bir oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yapı oluşur. Bu yeni kristal yapıda delik (boşluk) sayısı artırılmış olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; alüminyum (Al), Bor (B) ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz. Örneğin; saf silisyum içerisine belli bir oranda bor katılırsa; bor elementinin 3 valans elektronu, silisyumun 3 valans elektronu ile ortak kovalent bağ oluşturur. Fakat silisyumun 1 valans elektronu ortak valans bağı oluşturamaz. Bu durumda 1 elektron noksanlığı meydana gelir. Buna “boşluk” veya “delik=hole” denir. Silisyuma eklenen katkı miktarı ile boşlukların sayısı kontrol edilebilir. Bu yöntemle elde edilen yeni malzemeye P tipi yarıiletken malzeme denir.

P-Tipi ile N-Tipi Yarı İletken Birleşmesi Veya PN Birleşimi

N-tipi ve P-tipi silikon tek başlarına birşey ifade etmezler. Ancak bunlar bir araya getirildiğinde, ikisi arasındaki kesişme noktasında ilginç davranışlar sergilenir. Bir diyot, hem n hem de p tipi silikon kullanan bir yarı iletken cihazın en iyi örneklerinden biridir. Elektrik akımının tek bir yönde akmasına izin verir.

N tipi silikonun fazladan elektronları vardır ve p tarafında elektronlara ihtiyaç duyan atomlar vardır, bu yüzden elektronlar p ve n tipi silikonun kesişim noktaları aracılığıyla boşluklar ile birleşmek için yer değiştirirler. Birleşme noktasının yakınında bu elektronlar ve delikler birleşerek birbirlerini tamamlarlar, elektrik yükünün akmadığı nötr bir “deplition(tükenme)” bölgesi oluşur.

P-n bağlantı noktalarına bir elektrik alanı uygulayarak (örneğin, bir pil kullanarak) diyotun bağlantısını bir yalıtıcıya veya bir iletkene dönüştürebilirsiniz.

Pilin negatif ucunu p-tarafına ve pozitif ucunu n-tarafına bağlarsanız, serbest yük taşıyıcıları kenara çekilir ve deplition(tükenme) bölgesi genişler. Bu, bağlantıyı bir yalıtıcıya dönüştürür ve elektrik akımı akışını engeller.

Bununla birlikte, pilin negatif ucunu n-tarafına ve pozitif ucunu p-tarafına bağlarsanız, şarj taşıyıcıları ortaya itilerek tükenme bölgesini dışarı atar ve p-n bağlantı noktasını bir iletkene çevirir. Bunun nedeni, p tarafındaki deliklerin pilin + ucu tarafından itilmesi ve n tarafındaki elektronların pilin – ucu tarafından itilmesidir. Bağlantı noktasındaki atomlar artık yük taşıyıcılarını birbirlerine devrederek akımın serbestçe akmasına izin verebilir.

Akıllı telefonların 20 yıl öncesinin süper bilgisayarlarında daha güçlü olmasının, arabaların yakında kendi kendine gidebileceklerinin, dünyanın öbür ucundaki insanlar ile anında iletişim kurmanın mümkün olmasını sağlayan yarı iletken maddeler hakkında konuştuk bugün. Umarım yarı iletken maddeler nedir? Hayatımız için önemi ve Arkasında yatan temel çalışma prensibi gibi konular hakkında faydalı bilgiler verebilmişimdir. Bir sonraki yazılarda görüşmek üzere… LEVTEMS

Eğer Yazımızı Beğendiyseniz, Sosyal Medya Hesaplarınızdan Yazımızı Paylaşarak, Bize Destek Olabilirsiniz

https://www.britannica.com/science/semiconductor