Yarıiletkenlerin Öğrenme Temelleri

Bu yazıda, yarı iletken cihazların temel çalışma prensiplerini ve yarı iletkenlerin iç yapısının elektriğin etkisi altında nasıl çalıştığını kapsamlı bir şekilde öğreniyoruz.

Bu yarı iletken malzemeler arasındaki özdirenç değeri ne tam bir iletken özelliğine ne de tam bir yalıtıcıya sahip değildir, bu iki sınır arasındadır.

Bu özellik, malzemenin yarı iletken özelliğini tanımlayabilir, ancak bir yarı iletkenin bir iletken ve bir yalıtkan arasında nasıl çalıştığını bilmek ilginç olacaktır.

Dirençlilik

Ohm Yasasına göre, bir elektronik cihazın elektriksel direnci, bileşen boyunca potansiyel farkın, bileşen içinden akan akıma oranı olarak tanımlanır.

Artık direnç ölçümünü kullanmak bir sorun oluşturabilir, dirençli malzemenin fiziksel boyutu değiştikçe değeri değişir.

Örneğin dirençli bir malzemenin uzunluğu arttığında direnç değeri de orantılı olarak artar.
Aynı şekilde kalınlığı arttıkça direnç değeri de orantılı olarak azalır.

Buradaki ihtiyaç, boyutuna, şekline veya fiziksel görünümüne bakılmaksızın elektrik akımına karşı bir iletim veya karşıtlık özelliğini gösterebilecek bir malzemenin tanımlanmasıdır.

Bu özel direnç değerini ifade etmenin büyüklüğü, ρ, (Rho) sembole sahip olan Direnç olarak bilinir.

Direnç için ölçü birimi Ohm-metre (Ω.m) 'dir ve iletkenliğin tersi olan bir parametre olarak anlaşılabilir.

Çeşitli malzemelerin dirençleri arasındaki karşılaştırmaları elde etmek için bunlar 3 ana kategoriye ayrılır: İletkenler, İzolatör ve Yarı İletkenler. Aşağıdaki tablo gerekli ayrıntıları sağlar:

Yukarıdaki şekilde görebileceğiniz gibi, altın ve gümüş gibi iletkenlerin özdirençleri arasında ihmal edilebilir bir fark varken, kuvars ve cam gibi yalıtkanlar arasındaki özdirençte önemli miktarda fark olabilir.

Bunun nedeni, metalleri yalıtkanlardan çok daha verimli iletkenler haline getiren ortam sıcaklığına verdikleri tepkidir.

İletkenler

Yukarıdaki tablodan, iletkenlerin tipik olarak mikroohm / metre cinsinden olabilecek en düşük direnç miktarına sahip olduğunu anlıyoruz.

Düşük dirençleri nedeniyle, elektrik akımı, büyük miktarda elektronun mevcudiyetinden dolayı, bunlardan kolayca geçebilir.

Bununla birlikte, bu elektronlar, yalnızca iletken boyunca bir basınç olduğunda itilebilir ve bu basınç, iletken boyunca bir voltaj uygulanarak oluşturulabilir.

Bu nedenle, bir iletken pozitif / negatif potansiyel farkıyla uygulandığında, iletkenin her atomunun serbest elektronları ana atomlarından çıkmaya zorlanır ve iletken içinde sürüklenmeye başlarlar ve genellikle akım akışı olarak bilinir. .

Bu elektronların hareket edebilme derecesi, bir voltaj farkına tepki olarak atomlarından ne kadar kolay kurtulabileceklerine bağlıdır.

Metaller genellikle iyi elektrik iletkenleri olarak kabul edilir ve metaller arasında altın, gümüş, bakır ve alüminyum düzenli olarak en iyi iletkenlerdir.

Bu iletkenler, atomlarının değer bandında çok az elektrona sahip olduklarından, potansiyel bir farkla kolayca yerlerinden çıkarlar ve 'Domino Etkisi' adı verilen bir işlemle bir atomdan diğer atoma atlamaya başlarlar, bu da bir akım akışı ile sonuçlanır kondüktör.

Altın ve gümüş elektriğin en iyi iletkenleri olmasına rağmen, tel ve kablo yapımında düşük maliyeti ve bolluğu ve ayrıca fiziksel sağlamlığı nedeniyle bakır ve alüminyum tercih edilmektedir.

Bakır ve alüminyumun iyi elektrik iletkenleri olmasına rağmen, yine de bir miktar dirençleri vardır, çünkü hiçbir şey% 100 ideal olamaz.

Bu iletkenlerin sunduğu direnç küçük olmasına rağmen, daha yüksek akımların uygulanmasıyla önemli hale gelebilir. Sonunda, bu iletkenler üzerindeki daha yüksek akıma direnç, ısı olarak dağıtılır.

İzolatörler

İletkenlerin aksine, izolatör kötü elektrik iletkenleridir. Bunlar genellikle metal olmayan formdadır ve ana atomlarıyla çok az savunmasız veya serbest elektrona sahiptir.

Yani, bu metal olmayanların elektronları, ana atomları ile sıkı bir şekilde bağlandığından, voltajın uygulanmasıyla yerinden çıkmaları son derece zordur.

Bu özellik nedeniyle, elektrik voltajı uygulandığında elektronlar atomlardan uzaklaşamaz, bu da elektron akışına neden olmaz ve dolayısıyla iletkenlik olmaz.

Bu özellik, izolatöre milyonlarca Ohm mertebesinde çok yüksek direnç değerine yol açar.

Cam, mermer, PVC, plastik, kuvars, kauçuk, mika, bakalit gibi malzemeler iyi izolatör örnekleridir.

Tıpkı iletken gibi, yalıtkanlar da elektronik alanında önemli bir rol oynarlar. İzolatör olmadan, kısa devrelere yol açacak şekilde devre aşamaları arasındaki voltaj farklılıklarını izole etmek imkansız olacaktır.

Örneğin, AC gücünü kablolar boyunca güvenli bir şekilde iletmek için yüksek gerilim kulelerinde porselen ve camın kullanıldığını görüyoruz. Tellerde pozitif, negatif terminalleri yalıtmak için PVC, PCB'lerde bakır izleri birbirinden izole etmek için Bakalit kullanıyoruz.

Yarıiletkenlerin Temelleri

Silikon (Si), germanyum (Ge) ve Galyum arsenit gibi malzemeler, temel yarı iletken malzemelerin altına girer. Bunun nedeni, bu malzemelerin, ara olarak elektrik iletme özelliğine sahip olmaları, ne doğru iletkenliğe ne de uygun yalıtıma neden olmamasıdır. Bu özelliğinden dolayı bu malzemeler yarı iletkenler olarak adlandırılır.

Bu malzemeler, atomları boyunca çok az serbest elektron sergiler ve bunlar, kristal bir kafes türü formasyonda sıkıca gruplanır. Yine de, elektronlar yerinden oynayabilir ve akabilir, ancak yalnızca belirli koşullar kullanıldığında.

Bunu söyledikten sonra, bu yarı iletkendeki iletim oranını kristal düzenine bir tür 'verici' veya 'alıcı' atom ekleyerek veya değiştirerek, ekstra 'serbest elektronların' ve 'deliklerin' veya mengenenin serbest bırakılmasını sağlayarak geliştirmek mümkün hale gelir. versa.

Bu, silikon veya Germanyum gibi mevcut malzemeye belirli miktarda harici bir malzeme katılarak gerçekleştirilir.

Silikon ve Germanyum gibi malzemeler, aşırı saf kimyasal yapıları ve tam yarı iletken malzeme varlığı nedeniyle kendi başlarına içsel yarı iletkenler olarak kategorize edilir.

Bu aynı zamanda, onlara kontrollü miktarda safsızlık uygulayarak, bu içsel malzemelerdeki iletim oranını belirleyebileceğimiz anlamına gelir.

Bunları ya serbest elektronlarla ya da serbest deliklerle zenginleştirmek için bu malzemelere donör ya da alıcı olarak adlandırılan safsızlık türleri ekleyebiliriz.

Bu işlemlerde, bir iç malzemeye 10 milyon yarı iletken malzeme atomu başına 1 safsızlık atomu oranında bir safsızlık eklendiğinde, şu şekilde adlandırılır: Doping .

Yeterli safsızlığın katılmasıyla, bir yarı iletken malzeme bir N-tipi veya P-Tipi malzemeye dönüştürülebilir.

Silikon, en dıştaki kabuğu boyunca 4 değerlik elektronuna sahip olan ve ayrıca toplam 8 elektronluk bir yörünge oluşturan bitişik atomlarla çevrelenen en popüler yarı iletken malzemeler arasındadır.

İki silikon atomu arasındaki bağ, bir elektronun bitişiğindeki atomla paylaşılmasına izin verecek şekilde gelişmiştir ve bu da iyi bir kararlı bağ sağlar.

Saf haliyle bir silikon kristali, çok az serbest değerlik elektronuna sahip olabilir, bu da ona aşırı direnç değerlerine sahip iyi bir yalıtkanın özelliklerine atfedilir.

Bir silikon malzemeyi potansiyel bir farka bağlamak, içinde bir tür pozitif veya negatif kutuplar yaratılmadıkça, herhangi bir iletime yardımcı olmayacaktır.

Ve bu tür kutupluluklar oluşturmak için, Doping işlemi, önceki paragraflarda tartışıldığı gibi safsızlıklar eklenerek bu malzemelere uygulanır.

Silikon Atom Yapısını Anlamak

Yukarıdaki görüntülerde normal bir saf silikon kristal kafesin yapısının nasıl göründüğünü görüyoruz. Safsızlık için, normalde Arsenik, Antimon veya Fosfor gibi malzemeler yarı iletken kristallere dahil edilerek onları dışsal hale getirerek 'safsızlıklara sahip' anlamına gelir.

Bahsedilen safsızlıklar, bitişik atomlarıyla paylaştıkları için 'Beş Değerlikli' safsızlık olarak bilinen en dış bantlarındaki 5 elektrondan oluşur.
Bu, bir elektrik gerilimi bağlandığında serbest bırakılabilen tek bir 'serbest elektron' hariç, 5 atomdan 4'ünün bitişik silikon atomları ile birleşmesini sağlar.

Bu süreçte, saf olmayan atomlar her elektronu yakındaki atomları üzerinden 'bağışlamaya' başladıkları için, 'Beş Değerlikli' atomlar 'verici' olarak adlandırılır.

Doping için Antimon Kullanımı

Antimon (Sb) ve Fosfor (P), genellikle silikona 'Beş Değerlik' katışkı katmak için en iyi seçenek haline gelir.

Antimon'da 51 elektron, çekirdeğinin etrafındaki 5 kabuk üzerinde kurulurken, en dıştaki bandı 5 elektrondan oluşur.
Bundan dolayı, temel yarı iletken malzeme, her biri negatif bir yük ile ilişkilendirilen ek akım taşıyan elektronlar elde edebilir. Bu nedenle 'N tipi malzeme' olarak adlandırılır.

Ayrıca, elektronlar 'Çoğunluk Taşıyıcıları' olarak adlandırılır ve daha sonra gelişen delikler 'Azınlık Taşıyıcıları' olarak adlandırılır.

Antimon katkılı bir yarı iletken bir elektrik potansiyeline maruz kaldığında, devreden çıkan elektronlar anında Antimon atomlarından gelen serbest elektronlarla ikame edilir. Bununla birlikte, süreç sonunda katkılı kristal içinde serbest bir elektronun yüzmesini sağladığından, bu onun negatif yüklü bir malzeme olmasına neden olur.

Bu durumda, bir yarı iletken, alıcı yoğunluğundan daha yüksek verici yoğunluğuna sahipse, N-tipi olarak adlandırılabilir. Bu, aşağıda belirtildiği gibi, delik sayısına kıyasla daha fazla sayıda serbest elektron olduğunda, negatif bir polarizasyona neden olduğunda anlamına gelir.

P-Tipi Yarı İletkenleri Anlamak

Durumu tersine ele alırsak, bir yarı iletken kristale 3 elektronlu bir 'Üç Değerlikli' safsızlık katarsak, örneğin değerlik bağında 3 elektron içeren alüminyum, bor veya indiyum eklersek, bu nedenle dördüncü bağın oluşması imkansız hale gelir.

Bu nedenle, yarı iletkenin bol miktarda pozitif yüklü taşıyıcıya sahip olmasına izin vererek tam bir bağlantı zorlaşır. Bu taşıyıcılara, çok sayıda eksik elektron nedeniyle tüm yarı iletken kafes boyunca 'delikler' denir.

Şimdi, silikon kristalindeki deliklerin varlığı nedeniyle, yuvayı doldurmaya çalışan yakındaki bir elektron deliğe çekilir. Bununla birlikte, elektronlar bunu yapmaya çalışır çalışmaz, önceki konumunda yeni bir delik yaratarak konumunu boşaltır.

Bu da sırayla, bir sonraki deliği doldurmaya çalışırken yeni bir delik bırakan bir sonraki yakın elektronu çeker. Süreç, gerçekte deliklerin yarı iletken boyunca hareket ettiği veya aktığı izlenimini vermeye devam ediyor, bunu genellikle geleneksel akım akış modeli olarak tanıyoruz.

'Delikler hareket ediyor gibi göründükçe', katkılı kristalin tamamının pozitif bir polarite elde etmesine izin veren elektron kıtlığına yol açar.

Her safsızlık atomu bir delik oluşturmaktan sorumlu olduğu için, bu üç değerlikli safsızlıklara, işlem sırasında sürekli olarak serbest elektronları kabul etmeye devam etmeleri nedeniyle 'Kabul Edenler' denir.
Bor (B), yukarıda açıklanan doping işlemi için popüler olarak kullanılan üç değerlikli katkı maddelerinden biridir.

Bor, katkı maddesi olarak kullanıldığında, iletimin ağırlıklı olarak pozitif yüklü taşıyıcılara sahip olmasına neden olur.
Bu, serbest elektronlara 'Azınlık taşıyıcıları' olarak adlandırılırken, 'Çoğunluk taşıyıcıları' olarak adlandırılan pozitif deliklere sahip P-tipi malzemenin yaratılmasıyla sonuçlanır.

Bu, yarı iletken bir temel malzemenin, alıcı atomlarının verici atomlara kıyasla artan yoğunluğundan dolayı bir P-tipine nasıl dönüştüğünü açıklar.

Doping için Bor nasıl kullanılır?

Yarı İletkenlerin Temellerini Özetlemek

N-Tipi Yarı İletken (örneğin Antimon gibi Beş Değerlik Katkı Katkılı)

Beş değerlikli safsızlık atomları ile katkılanan bu tür yarı iletkenler, elektronların hareketi yoluyla iletim gösterdikleri ve bu nedenle N-Tipi Yarıiletkenler olarak adlandırıldıkları için Donörler olarak adlandırılır.
N-type Semiconductor'da şunları buluruz:

1. Pozitif yüklü Donörler
2. Bol sayıda serbest elektron
3. 'Serbest elektronlara' kıyasla nispeten daha az sayıda 'delik'
4. Doping sonucunda pozitif yüklü vericiler ve negatif yüklü serbest elektronlar oluşur.
5. Potansiyel bir farkın uygulanması, negatif yüklü elektronların ve pozitif yüklü deliklerin gelişmesine neden olur.

P-Tipi Yarı İletken (örneğin Bor gibi Üç Değerlikli Safsızlıkla Katkılı)

Üç değerlikli safsızlık atomları ile katkılanan bu tür yarı iletkenler, deliklerin hareketi boyunca iletkenlik gösterdikleri ve bu nedenle P-Tipi Yarı İletkenler olarak adlandırıldıkları için, Alıcı olarak adlandırılır.
N-type Semiconductor'da şunları buluruz:

1. Negatif Ücretli Kabul Edenler
2. Bol miktarda delik
3. Deliklerin varlığına kıyasla nispeten daha az sayıda serbest elektron.
4. Doping, negatif yüklü alıcıların ve pozitif yüklü deliklerin oluşmasına neden olur.
5. Bir voltajın uygulanması, pozitif yüklü deliklerin ve negatif yüklü serbest elektronların oluşmasına neden olur.

Kendi başlarına, P ve N tipi yarı iletkenler doğal olarak elektriksel olarak nötrdür.
Yaygın olarak Antimon (Sb) ve Bor (B), bol miktarda bulunmaları nedeniyle doping üyeleri olarak kullanılan iki malzemedir. Bunlar aynı zamanda 'mettaloidler' olarak da adlandırılır.

Bunu söyledikten sonra, periyodik tabloya bakarsanız, en dıştaki atomik bantlarında 3 veya 5 elektron bulunan birçok benzer malzeme bulacaksınız. Bu malzemelerin doping amacına da uygun hale gelebileceği anlamına gelir.
Periyodik tablo