Transcript Yarıiletkenler - Erciyes Üniversitesi | Elektrik Elektronik Mühendisliği

Elektrik-Elektronik Mühendisliği
için Malzeme Bilgisi
Bölüm VII: Yarıiletkenler
Bölüm VII: Yarıiletkenler

Yarıiletkenler



Yarıiletken Yapım Teknikleri




Germanyumun kimyasal yapısı
Silisyum kimyasal yapısı
n Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi
p Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi
Yarıiletkenlerde Akım Akışı
Yarıiletken Malzemelerin Üretimleri
Enerji-Band Diyagramları
Yarıiletkenler




Yarıiletkenler: Elektrik akımını bir değere kadar
akmasına izin vermeyen bu değerden sonra sonsuz küçük
direnç gösteren maddelerdir.
Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3-5. gruba girerler.
İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer
alırlar. Normal halde yalıtkandırlar.
Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya
gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest
hale geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır.
Yarıiletkenler




Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki
kalkınca elektronlar tekrar atomlarına dönerler.
Basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda
bileşik eleman halinde de elde edilir.
Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları
kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende
sıralanmıştır.
Bu tür yarı iletkenler içlerine bazı özel maddeler katılarak
da iletkenlikleri arttırılmaktadır.
Yarıiletkenler
Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri
Adı
Kullanım Yeri
Germanyum (Ge) (Basit)
Diyot, transistör, entegre devre
Silikon (Si) (Basit)
Diyot, transistör, entegre devre
Selenyum (Se) (Basit)
Diyot
Bakır oksit (kuproksit) (CuO) (Bileşik)
Diyot
Galliyum Arsenic (Ga As) (Bileşik)
Tünel diyot, laser, fotodiyot, led
Indiyum Fosfor (In P) (Bileşik)
Diyot, transistör
Kurşun Sülfür (Pb S) (Bileşik)
Güneş pili (Fotosel)
Germanyum

Yarımetalik, yani metal ile ametaller
arasında özellikler gösterir.

Periyodik cetvelde 4. gruptadır.

Atom numarası 32’dir.

YMK yapıya sahiptir.
Germanyum



Germanyum nadir
elementlerden olup, yer
kabuğunda % 0,0004-0,0007
oranında bulunur.
Yer kabuğunda yoğun olarak
bulunmadığından,
germanyumun elde edilmesi
oldukça zordur.
Hiçbir zaman serbest halde
bulunmaz.
Silisyum (Silikon)

Silisyum, yeryüzünde en çok
bulunan elementlerden biridir.

Atom numarası 14'tür.

"Si" simgesi ile gösterilmektedir.

Camın ana maddesi kum olarak
bilinir.

Silisyum kumda çok bulunmaktadır.
Silisyum Kovalent Bağ Yapısı
Silisyum ve Germanyum
Galyum ve Arsenik
GaAs Kovalent Bağ Yapısı
Elektronlar ve Oyuklar



Silisyum gibi katkısız bir yarıiletken içerisinde uyarılmış
bazı elektronlar, bant değiştirerek iletim bandına girerler
ve böylece akım oluşturabilirler.
Silisyum içerisindeki bir elektron band aralığından karşıya
geçtiğinde yörünge içerisinde bir boşluk (oyuk) bırakırlar.
Elektronlar ve Oyuklar



Harici bir voltaj etkisi altında malzeme içerisinde
elektronlar ve oyuklar hareket edebilir.
N-tipi yarıiletkende katkı maddesi ekstra elektron
sağlayarak iletkenliği artırır.
P-tipi yarıiletkende ise katkı maddesi ekstra oyuklar
oluşturarak iletkenliği artırır.
N-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi


Germanyum (Ge) (4e)
Arsenik (Ar) (5e)


Antimon (Sb) (5e)




veya
katkılanırsa,
4’er elektron kovalent bağ yapar.
1 elektron da boşta (serbest)
kalır.
Dış etki uygulanırsa bir elektron
akışı meydana gelir.
N-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi

N-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan
ve elektron vererek pozitif yüklenen
katkılama atomları “Donör İyonları”
olarak tanımlanır.

N-tipi yarıiletkende çoğunluk
taşıyıcılar elektronlardır.

N-tipi yapı içerisinde az miktarda oyuklar da mevcut olabilir.

N-tipi malzeme içerisinde oyuklara azınlık taşıyıcıları adı
verilmektedir.
N-Tipi Yarıiletken İçerisinde Elektron Akışı


Kristale bir gerilim uygulandığında
içindeki serbest hale elektronlar,
bataryanın negatif kutbu tarafından
itilirler ve pozitif kutup tarafından
çekilerek kaynağın (-) kutbundan (+)
kutbuna doğru sürekli bir elektron
akışı meydana getirirler.
Ancak akım yönünün ise (+)’dan
(-)’ye doğru olduğu kabul edilir.
P-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi


Germanyum (Ge) (4e)
Indium (ln) (3e)




katkılanırsa,
Indium atomu komşu Germanyum
atomundan 1 elektron alır ve aralarında
kovalent bağ oluşur.
1 elektron kaybeden Germanyum
atomunda bir elektron boşluğu (oyuk)
oluşur.
Bu maddeye P-tipi madde denir.
P-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi

P-tipi yarıiletken yapıda, yapıya
katılan ve elektron alan katkılama
atomları “Akseptör İyonları”
olarak tanımlanır.

P-tipi maddelerde çoğunluk
akım taşıyıcısı oyuklardır.
 Aynı zamanda bu yapı içerisinde az da olsa serbest elektron
bulunur. Bunlara da azınlık taşıyıcıları adı verilir.
P-Tipi Yarıiletken İçerisinde Elektron Akışı

Pozitif elektrik yüklü oyuklardır.

P-tipi madde içerisinde bataryanın
pozitif ucundan negatif ucuna doğru,
elektronlar ise negatif kutuptan pozitif
kutba doğru itilirler.

Aslında oyuklar hareket etmemektedir.
Oyuklarla elektronlar yer
değiştirmektedir.
Yarıiletken Malzemelerin Üretimleri

Germanyum ve Silisyum hammaddeleri tabiatta saf halde
bulunmadıkları için öncelikle saflaştırma işlemlerine
tâbi tutulurlar.

Saflaştırma işlemi için hammaddeler ilk önce bir dizi
kimyasal reaksiyon ve bölgesel arıtma işlemine tâbi
tutulurlar.

Germanyum ve silisyumun saflaştırma işlemleri farklıdır.
Germanyumun Elde Edilmesi





Germanyum gümüş grisi bir geçiş elementidir.
Germanyum yerküre kabuğunun yüzde 0.0004 ile
0.0007’sini oluşturur.
Arygyrodite Germanite ve Renierte gibi yaygın olmayan
minerallerde bulunur.
Germanyumun yarıiletken olarak kullanılabilmesi için
öncelikle içindeki yabancı madde oranının
1/100.000.000’un altına düşürülmesi gerekmektedir.
Bunun için bölgesel saflaştırma işlemi yapılır.
Germanyumun Saflaştırılması




Germanyumun saflaştırılmasında en
çok uygulanan yöntem "Bölgesel
saflaştırma”dır.
Çubuk şekline getirilmiş, yaklaşık
100 gram ağırlığındaki germanyum
görüldüğü gibi özel bir pota içerisine
konularak, saatte 5-6 cm 'lik hızla,
endüksiyon yolu ile ısıtılan bir fırının
içerisinden geçirilir.
Isıtıcı sistem, germanyumun erime
derecesi olan 936°C 'ye
ayarlanmıştır.
Isıtıcı bobinin altında eriyen katı
yavaşça soğur, saf kristal ayrışır ve
yabancı maddeleri erimiş bölgede
bırakır.
Saf olmayan
Germanyum
çubuk
Saflaştırılmış
Germanyum
çubuk
Germanyumun Saflaştırılması



Bu işlem yeniden kristalize edilen
katının saflığı istenen düzeye gelene
kadar tekrarlanabilir.
Yüzde 99.9999 oranına kadar saflık
elde etmek mümkündür.
Bu halde Germanyum henüz
polikristaldir ve yarıiletken devre
elemanı yapımında kullanılabilmesi
için monokristal yapı şeklinde
getirilmesi gerekmektedir.
Monokristal-Polikristal
Germanyumun Monokristalizasyonu

Polikristal yapılı Germanyum bir hazne
içerisine yerleştirilerek erime derecesine
kadar ısıtılır.

Erimiş Germanyum içerisine tohum
kristal halindeki Germanyum çubuk
yardımıyla daldırılıp yavaş yavaş
döndürülerek yukarı doğru çekilir.

Sonuçta monokristal yapıya sahip bir
germanyum kitlesi elde edilmiş olur.
Ge
Ge
Silisyumun Elde Edilmesi

Ödev: Silisyumun saflaştırılması ve monokristalizasyonu
konusunu inceleyiniz.