4/26/2016 1 bölüm 7: elektriksel Özellikler • elektron hareketliliği

4/26/2016

1

1

CEVAP ARANACAK SORULAR...• Elektriksel iletkenlik ve direnç nasıl tarif edilebilir?

• İletkenlerin, yarıiletkenlerin ve yalıtkanların ortayaçıkmasında hangi fiziksel süreçler bulunmaktadır?

• Metallerin iletkenliği kusurlardan, ısıdan ve deformasyonoluşumundan nasıl etkilenmektedir?

• Yarıiletkenlerin iletkenliği kusurlardan ve ısıdannasıl etkilenmektedir?

Bölüm 7: Elektriksel Özellikler

• Elektron hareketliliği• İletkenlik• Enerji bant yapıları

2

Malzemelerin Elektriksel Özellikleri

3

Elektriksel İletkenlik• Ohm Yasası: V = I R

Potansiyel fark (volt = J/C)C = Coulomb

Direnç (Ohm)Akım (amper = C/s)

1

• iletkenlik, s

• özdirenç , r: -- malzeme boyutundan ve biçiminden bağımsız olan bir özelliktir

RAl

Akımın geçtiği yüzey alanı

Akımın aldığı yol

(özdirencin tersi, r)

4

Elektriksel Özellikler• Hangisi daha büyük dirence sahiptir?

• Borudan akan suya benzer• Direnç boyut ve biçime bağlıdır

D

2D

R1 2

D2

2 8D2

2

R2

2D2

2 D2

R1

8

4/26/2016

2

5

Tanımlar İlave tanımlar

J = s <= Ohm yasasını gösteren bir başka yol

J akım yoğunluğu

elektrik alan potansiyeli = V /

alanıyüzey

akıkAI

Elektron akışı iletkenlik voltaj farkı

J = s (V / )

akım

6

Potansiyel farkın < 1.5 V olması için en küçük çap nedir?

Örnek : iletkenlik problemi

Cu tel I = 2.5 A- +

V

Bu eşitlikten çap D > 1.87 mm olarak bulunur

< 1.5 V

2.5 A

6.07 x 107 (Ohm-m)-1

100 m

IV

AR

s

4

2D

100 m

(Cu için bilinen)

7

•Katı malzemelerin elektriği iletmelerine göre sınıflandırmanın ilk yolu üçe ayırmaktır:

1) İletkenler, 2) Yarıiletkenler, ve 3) Yalıtkanlar:

•“Metaller” iyi iletkendirler, iletkenlikleri yaklaşık 107( Ω-m)-1 (iletken) civarındadır.

•Az sayıdaki çok düşük iletkenliğe sahip malzemelerde, bu değer 10-10 ile 10-20( Ω-m)-1 arasındadır. Bunlara “Yalıtkanlar” denir.

•Orta derecede iletkenliğe sahip malzemelerin iletkenlikleri, 10-6 ile 104( Ω-m)-1 arasında değişir ve“Yarıiletkenler” olarak adlandırılırlar.

8

• Oda sıcaklığı değerleri (Ohm-m)-1 = ( - m)-1İletkenlik: karşılaştırma

Gümüş 6.8 x 10 7

Bakır 6.0 x 10 7

Demir 1.0 x 10 7

METALLER iletkenler

Silikon 4 x 10-4

Germanyum 2 x 10 0

GaAs 10-6

YARIİLETKENLER

yarıiletkenler

Polistiren <10 -14

Polietilen 10-15-10-17

Cam 10Beton 10-9

Aluminyum oksit <10-13

SERAMIKLER

POLİMERLER

yalıtkanlar

-10-10-11

4/26/2016

3

9

Oda sıcaklığındaki metal, seramik, polimer ve yarıiletken malzemelerin elektriksel iletkenlik aralıkları. Elektriksel iletim

• Elektriksel alan etkisinde elektriksel yük taşıyıcılarının uzak mesafeli hareketleri sonucu oluşur.

• Elektriksel yük farklı şekillerde taşınabilir.

10

• Metaller:

Valans elektronlar (-) kutuptan (+) kutba doğru kolayca hereket eder.

11

• Kovalan bağlı malzemeler: Yarı iletken veya yalıtkanlarda elektronun hareket edebilmesi için kovalan bağın kırılması ve elektronun kopması gereklidir.

Elektron (+) kutba doğru gittiğinden eksi yük taşıyıcı Elektron (+) kutba doğru gittiğinden eksi yük taşıyıcı Elektron deliği (-) yönden gelen bir elektronla

doldurulduğundan (+) yük taşıyıcı

12

4/26/2016

4

• İyonsal bağlı malzemeler:

İyonların yayınması (difüzyonu) gereklidir. (sıvı eriyiklerde görülür)

13

Elektron Hareketi

14

•Bir elektrik alan uygulandığında, serbest elektronlar (negatif yüklü olmaları nedeniyle) alanın ters yönünde hızlanarak harekete geçerler.

•Kuantum mekaniğine göre, kusursuz bir kristalde atomlarla hızlanan elektronlar arasında herhangi bir etkileşim söz konusu değildir.

•Bu koşullar altında tüm elektronların elektrik alan uygulandığı sürece hızlanacağı ve akımın zamana bağlı olarak sürekli artacağı söylenebilir.

15

•Ancak, belirli bir elektrik alan uygulandığında akımın sabit bir değere kadar ulaşabildiğini biliyoruz. Bu durum, “sürtünme” benzeri kuvvetlerin varlığını gösterir.

•Bu kuvvetler kristal yapıdaki:-yabancı atomlar, -boş köşeler, -arayer atomları, -dislokasyonlar, ve-atomların ısıl titreşimlerinden kaynaklanmaktadır.

Elektron Hareketi

16

•Her sapma elektron hareketinde değişime ve kinetik enerji kaybına neden olur. Neticede, elektrik alanın tersi yönündeki net elektron hareketi sonucunda taşınan yük miktarı elektrik akımı demektir.

Elektron Hareketi

4/26/2016

5

17

Elektron HareketiSürüklenme hızı (vd): “uygulanan elektrik alan etkisiyle yönlenen elektronların ortalama hızı”. Elektriksel alan ile orantılıdır:

µe : Elektron hareket yeteneği, m2/V.s : Elektrik alan potansiyeli

σ=n.q.µeÖzgül İletkenlik :

n : Birim hacimdeki aktif halde olan elektron sayısıq : Elektriksel yük(1.6x10-19 C)

Sıcaklık etkisinde kristal içindeki atomlar titreştikçe, hareket halindeki elektronlartitreşim yapan bu atomlara çarpar.

18

Sıcaklığın elektriksel dirence etkisi

19

• Elektronların hareketi için en ideal ortam ısıl titreşimlerin olmadığı (minimum enerjili) 0oK’de kusursuz kristallerdir.

o: 0oK’deki özdirenç T: T sıcaklığındaki özdirenç

To

20

4/26/2016

6

Süperiletkenler

• T = Tc olduğunda ısıl titreşimler etkisiz olur ve direnç aniden azalarak sıfıra düşer, malzeme süper iletken olur.

Sıcaklık (oK)

metalsüper iletken

Özdirenç

Tc021

Kristal içinde hareket eden elektronlar;dislokasyonlar, boşluklar, yabancı katkı atomları ve herhangi başka kafes kusurlarıyla çarpışırlar.

Elektriksel direnci etkileyen faktörler

22

Cu-Ni alaşımlarında özdirencin bileşimle değişimi

Özdirenç

Cu Ni%100%0 %50

1

5

23 24

4/26/2016

7

25

Elektronların Enerji Bant Yapıları

•Enerji bandı modeli elektriksel iletkenliği açıklamada önemlidir.•İletken, yarıiletken, ve birçok yalıtkan malzemelerde, sadece elektriksel iletkenlik bulunur (iyonsal iletkenlik bulunmaz), ve bu elektriksel iletkenliğin büyüklüğü büyük oranda iletkenlik sürecine dahil olan elektron sayısına bağlıdır:

Ancak, tüm atomların her bir elektronu elektrik alan içerisinde yönlenmez.

26

Bir malzemede elektriksel iletkenliği sağlayan elektron sayısı:

•Elektronların durumuna (bağlı/serbest) veya enerji seviyelerine, ve•Bu seviyelerin ne kadarının elektronlar tarafından doldurulduğuna bağlıdır.


Bu konu oldukça karmaşık ve “kuantum mekaniği”prensiplerini içermesi nedeniyle bu ders konusu kapsamı dışındadır; bu nedenle bazı kavramları ihmal edip kalanları basitleştirilecektir.

27


•Her bir atomun elektronlar tarafından doldurulan ayrı enerji seviyeleri mevcuttur. Bu elektronlar kabuk ve altkabuklarda dizilirler.•Kabuklar sayılarla (1, 2, 3, gibi), altkabuklar ise harflerle gösterilirler (s, p, d, ve f ). Her s, p, d, ve f altkabuğu için, sırasıyla, 1, 3, 5, ve 7 seviye vardır.•Atomların büyük çoğunluğunda elektronlar ilk olarak en düşük enerji seviyesini doldururlar. Her enerji seviyesinde birbirinin tersi istikametinde dönen en fazla 2 elektron bulunur(Pauli prensibi). •Tek atomdaki elektron dağılımı enerji seviyelerinin düzenini gösterir.

Hatırlatma:

28

•Bir katının, çok sayıda (N adet) bireysel atomun düzenli bir atomsal diziliş oluşturmak üzere bağlanarak biraraya gelmesi sonucu oluşan kristal yapılı malzeme olduğu düşünülürse;

•Her atomun birbirinden görece uzak olması, birbirinden bağımsız olduğu ve farklı atomsal enerji düzeylerine sahip olacağı elektron diziliminin “yalıtılmış” gibi olduğunu gösterir.

•Ancak, atomlar belirli bir yakınlığa geldiklerinde, elektronlarkomşu atomun elektronları ve çekirdeğini etkiler. Bu etki atomsal yapıda elektronların gruplara bölünmüş halde birbirine yaklaşmasına ve “elektron enerji bandı” oluşturmasına neden olur.

4/26/2016

8

29

Elektronların Enerji Bant Yapıları•Bölünmenin derecesi atomlar arası mesafeye bağlı olup en dıştaki elektron kabuklarından başlar (atomlar biraraya geldiklerinde ilk olarak uyarılanlar onlardır).•Her bantta enerji seviyeleri ayrık fakat aralarındaki fark sonsuz küçüklüktedir. Bundan dolayı bir bant içine çok sayıda elektron yerleşebilir.

Elektron enerjisininatomlar arası mesafe ile değişimini 12 atom içeren bir tane için gösteren şema.

30

Bant Yapısı•Denge mesafesinde, “bant oluşumu” çekirdeğe en yakın olan altkabuklarda oluşmayabilir. •Ayrıca, komşu bantlar arasında “aralıklar” meydana gelebilir.•“Bant aralıkları” içerisindeki enerji seviyelerinde elektron bulunmaz.

Katılardaki elektron yapılarının

geleneksel gösterimi

Denge mesafesi

Atomlararası mesafe

31

Bir katının elektriksel özellikleri elektron bant yapıları ile doğrudan ilişkilidir:

•En dıştaki elektron bantlarındaki diziliş ve,•Elektronlarla doldurulma şekilleri.

32

0 K sıcaklıkta 4 farklı yapıda bant oluşumu mümkündür.

•Birincisi, “en dıştaki bandın kısmen elektronla dolu olma durumu”

0 K sıcaklıkta en son dolan (en üstteki) enerji seviyesine Fermi enerjiseviyesi denir.

Bu enerji bandı oluşumu, sadece s valans elektronuna sahip olan bazı metallerde (bakır gibi) görülür. Her bakırda sadece bir adet 4s elektronu bulunur; yani kapasitesinin yarısı kadar elektron içerir.

Bakır gibi bazı metallerin elektron bant yapılarında, dolu seviyelerle aynı hatta daha üst düzeylerde boşluklar bulunabilir.

4/26/2016

9

33

İkinci tür bant yapısında, dolu bir bant ile boş bant arasında boşluk bulunur. Ve yine metallerde görülür.

•Magnezyum bu tür bant yapısına sahiptir. Her Mg atomu (izole edilmiş halde olan) “iki” adet 3s elektrona sahiptir. Ancak, katı oluştuğunda, 3s ve 3p bantları çakışır.

Magnezyum benzeri elektron bant yapılarına sahip metallerde görülen, dıştaki dolu ve boş bantların çakışma durumu.

34

Diğer iki bant yapısı benzerdir; elektronlarla dolu bir bant (valansbandı) ile boş bir iletim bandı arasında bir enerji boşluğu bulunmaktadır. •Saf malzemeler, bu boşluğa karşılık gelen enerji seviyelerinde elektron içermeyebilirler. •Bu iki tür bant yapısının arasındaki fark enerji boşluğunun büyüklüğünden kaynaklanmaktadır;

•Yalıtkanlarda, bant boşluğu büyük, •Yarıiletkenlerde dardır.

(a- yalıtkan) (b- yarıiletken)

(a) Yalıtkanlarda elektron bant yapısı; dolu valans bandı boş olan iletim bandından nispeten büyük bir bant aralığı ile ( >2eV)ayrılmıştır.

(b) Yarıiletkenlerin elektron bant yapıları da, yalıtkanlarınkiyle aynıdır, sadece bant boşluğu daha dardır (<2 eV).

(a) Metal (bakır – yarı dolu enerji bandı

(b) Metal (magnezyum – 3s ve 3p bantları çakışık)

(c) Yalıtkan (dolu valans bandı büyük bir aralıkla iletim bandından ayrılır)

(d) Yarı iletken (dolu valans bandı küçük bir aralıkla iletim bandından ayrılır)

Bant yapıları

35 36

Metaller:•Bir elektronun serbest hale gelmesi için, Ef seviyesinin üzerinde ve boş bir enerji seviyesine doğru yönlendirilmesi gerekir. •Metallerde üst düzeyleri dolduran elektronların (Ef) çok yakınında boş enerji düzeyleri bulunur. Böylece bu elektronlar çok az bir enerji ile üstteki boş banda yükseltilebilir.•Genellikle, bir elektrik alan tarafından sağlanan enerji çok sayıda elektronun iletim bandına geçmesi için yeterlidir.

(Elektron geçişinin öncesi ve sonrası)

4/26/2016

10

37

İletkenlik & Elektron Geçişi• Metaller (İletkenler):-- metallerde boş enerji seviyeleri ile dolu seviyeler birbirine çok yakındır.

-- metallerde iki tip bant yapısı mevcuttur

-- ısıl enerji elektronların üst seviyelerdeki boş bantlara doğru hareket etmesini sağlar

- kısmen dolu- dolu bant ile çakışan

boş bantdolubant

Enerji

kısmendolubant

boşbant

BOŞLUK

Dol

u se

viye

ler

Kısmen dolu bantEnerji

dolubant

dolubant

boşbant

Dol

u se

viye

ler

Çakışan bantlar

38

Enerji Bant Yapıları: Yalıtkanlar & Yarıiletkenler

• yalıtkanlar:-- geniş bant aralığı (> 2 eV)-- aralıktan atlayabilen az

sayıda elektronEnerji

dolubant

doluvalansbandı

Dol

u se

viye

ler

BOŞLUK

boş

bandıiletim

• yarıiletkenler:-- dar bant aralığı (< 2 eV)-- daha fazla sayıda atlayan

elektron

Enerji

dolubant

doluvalansbandı

Dol

u se

viye

ler

BOŞLUK?

boş

bandıiletim

39


Elektronlar serbest hale gelmek ve iletim bandına ulaşmak için bant boşluğunu aşmaları gerekir. Bu ise ancak bant boşluk enerjisi kadar enerjinin elektrona verilmesi ile mümkün olabilir, Eg.

40

•Sıcaklık (ısıl enerji) ile harekete geçirileren iletim bandına ulaşan elektron sayısı “boş bant enerji aralığı”’na olduğu kadar “sıcaklığa” da bağlıdır.

•Belirli bir sıcaklıkta, boş bant enerji aralığının Eg büyüklüğüvalans elektronun iletim bandına atlama olasılığı ile ters orantılıdır. Bu nedenle çok az sayıda elektron iletkenlik sağlar.

•Diğer bir deyişle, “büyük bant boşluğu, düşük iletkenlik anlamına gelir” (sıcaklık değişimi söz konusu olmaması durumunda).


4/26/2016

11

41

•Yani, “yarıiletkenler” ile “yalıtkanlar” arasındaki farkın nedeni bant boşluğunun genişliğinden kaynaklanır;

•Yarıiletkenlerde dar iken•Yalıtkan malzemelerde nispeten daha geniştir.

•Sıcaklık artışı bir “yarıiletkende” de veya bir “yalıtkanda” da elektronları hareketlendirecek bir ısıl enerji artışına yol açar.Böylece daha fazla elektron iletim bandına geçebilir ve iletkenlik artar.


42

Yalıtkanlarda ve Yarıiletkenlerde Yük Taşıyıcılar

İki tür elektriksel yük taşıyıcı vardır:

Serbest Elektron– negatif yük– iletim bandı içinde

Elektron Deliği– pozitif yük– valans bandı içindeki boşalan elektron seviyesi

Farklı hızlarda hareket ederler

YARIİLETKENLER

43 44

YARIİLETKENLER

HAS YARIİLETKENLER

KATKILI YARIİLETKENLER

N-Tipi P-Tipi

4/26/2016

12

45

Has Yarıiletkenler•Has yarıiletkenler elektron bant yapısı, 0 K’de, tam dolu valans bandı ile görece dar bir yasak bandın ayırdığı boş iletim bandından meydana gelir. Genellikle yasak bant genişliği 2 eV’tan küçüktür.

•En önemli yarıiletkenler periyodik cetvelin IV. grubunda bulunan silikon (Si) ve germanyum (Ge). Bunların bant boşluk enerjileri, sırasıyla, 1.1 ve 0.7 eV’tur. •Her ikisi de kovalan bağlı olup elmas kübik veya kompleks kübik kafese sahiptir.

46

•Bunlara ek olarak birçok has yarıiletken mevcuttur

•Periyodik cetvelde IIIA ve VA grupları, (Ör: galyum arsenit(GaAs) ve indiyum antimonit (InSb)) has yarıiletken oluştururlar; bunlara III–V bileşikleri adı verilir.

•IIB ve VIA grup elemanlarının oluşturduğu bileşikler de yarıiletken özellik gösterirler (Ör: kadmiyum sulfit (CdS) ve çinko tellur (ZnTe)).

Has Yarıiletkenler

47

Has Yarıiletkenler• Saf yarıiletkenler: Ör: silikon & germanyum

– Grup IVA malzemeleri

• Bileşik haldeki yarıiletkenler– III-V bileşikleri

• Ör: GaAs & InSb– II-VI bileşikleri

• Ör: CdS & ZnTe– Bileşenlerin elektronegatiflikleri arasındaki fark büyüdükçe boş bant genişliği de artar

48

Has Yarıiletkenlik: Elektron ve Elektron Deliği Hareketi

•Has yarıiletkenlerde, iletim bandına atlayan her elektron, kovalan bağlarda bir elektron kaybı demektir. (Valans banttaki eksik elektron, bant planında görülmektedir.)

4/26/2016

13

49

•Elektrik alan etkisi altında, kristal kafes içinde ortaya çıkan elektron deliği, bağlarını kopararak harekete geçen diğer valans elektronlar tarafından doldurulduğu için hareket ettiği düşünülebilir.

•Bu “delik” pozitif yük taşıyıcı durumundadır.

•Taşıdığı yükün ise elektron ile aynı mertebede fakat ters işaretli olduğu kabul edilmektedir (+1.6x10-19 Coulomb).

•Nitekim, elektrik alan etkisinde, harekete geçen “elektronlar” ve “delikler” ters yönde hareket ederler. Ayrıca, her ikisi de hareketleri sırasında, kafes içerisinde bulunan kusurlar nedeniyle yollarından saparlar.


50


• Elektriksel İletkenlik :

# elektron/m3 elektron hareket yeteneği

# delik/m3

delik hareket yeteneğihe epen s

• Elektron ve Elektron Deliği:

+-

elektron delikçifti oluşumu

+-

Elektrik alan yok Elektrik alan var

valanselektronu Si atomu elektron delik

çifti hareketi

Electrical charge (1.6x10-19 Coulomb)

Elektrik alan var

51

Yük Taşıyıcı SayısıHas İletkenlik

)s/Vm 04.085.0)(C10x6.1(m)(10

219

16

hei en

GaAs için ni = 7.0 x 1012 m-3

• Ör: GaAs (Gallium Arsenide)

he epen s

• has yarıiletkenlerde n = p = ni

s = ni|e|(e + h)

52

Has Yarıiletkenler: İletkenlik vs T

• Saf Silikon:-- T arttıkça s artar-- metallerin aksi !!!!

Adapted from Fig. 18.16, Callister & Rethwisch 8e.

malzemeSiGeGaPCdS

bant aralığı (eV)1.110.672.252.40

Selected values from Table 18.3, Callister & Rethwisch 8e.

ni eE gap /kT

ni e e h

4/26/2016

14

53

YARIİLETKENLER

HAS YARIİLETKENLER


N-TİPİ P-TİPİ

54

KATKILI Yarıiletkenler:

•Hemen hemen tüm ticari yarıiletkenler katkılıdır. Bunlarda,çok düşük konsantrasyonlarda olsa da katkı elemanı sayesinde ortaya çıkan fazladan elektronlar veya boşluklarelektriksel davranışı belirler.

•n-Tipi Katkılı Yarıiletken.•p-Tipi Katkılı Yarıiletken.

55

YARIİLETKENLER

HAS YARIİLETKENLER


N-Tipi P-Tipi

56

n-Tipi Katkılı Yarıiletkenlik:

•Bir Si atomunun herbiri komşu Si atomu ile kovalan bağlarla bağlı 4 adet elektronu bulunmaktadır.

•Valans elektron sayısı 5 olan bir katkı elemanının Si atomları ile “yer değiştirdiği” düşünülürse.

•Katkı elemanındaki “beş” valans elektronunun “dört” tanesi bağ kurmada görev almaktadır. Çünkü komşu atomlarla en fazla dört adet bağ kurabilmektedir.

•Fazlalık halde kalan bağ kurmamış elektron isezayıf elektrostatik çekim kuvvetleri ile katkı elemanı civarında gevşek olarak bağlıdır.

•Bu elektronun bağ enerjisi görece küçüktür (0.01 eVcivarında); bundan dolayı, katkı elemanından kolayca ayrılarak serbest hale geçer ve iletkenlik sağlar.

Fazlalık haldeki bağ kurmamış elektron

4/26/2016

15

57

•Gevşek olarak bağlı bulunan her bir elektronun, iletim bandının hemen altında bulunan yasak bant içerisine düşen bir enerji seviyesi bulunmaktadır.

•Bu elektronu iletim bandına atlatarak iletkenlik sağlayabilmek daha kolay olduğu için has yarıiletkenlere göre daha büyük iletkenliğe sahiptirler.

•Fazla elektronların hareketi söz konusu olduğundan elektron boşluğu bulunmaz.

•Katkı elemanı çevresindeki elektronların tümü iletim bandına atladığında oluşacak en büyük katkılı iletkenlik:

een s

58

YARIİLETKENLER

HAS YARIİLETKENLER


N-Tipi P-Tipi

59

p-Tipi Katkılı Yarıiletkenlik:

•“Silikon” veya “germanyum” atomları, üç değerlikli,“aluminyum”, “boron”, ve “galyum” gibi Grup IIIA elemanı ile yerdeğiştirdiğinde tersi bir etki görülür.

•Eksik elektron nedeniyle oluşan bağ eksikliğine elektron deliği denir.

•Elektriksel alan etkisinde (-) kutba yakın bir elektron yerinden koparak elektron deliğini doldurur.

•Sonuç olarak, elektron ve delik yerdeğiştirmiş olurlar.

60

p-Tipi Katkılı Yarıiletkenlik:•(-) kutup yönünde hareket eden elektron deliğinin davranışı n-tipi iletkenlerde hareket eden elektrona benzer.•Elektron deliğinin (-) kutba doğru hareketinden dolayı “(+) yük taşıyıcı” adını alır. Bu şekilde oluşan yarıiletkene;

4/26/2016

16

61

p-Tipi Katkılı Yarıiletkenlik:•Elektron deliğinden dolayı valans enerji bandında boş bir enerji düzeyi bulunmaktadır•Bandın içinden bir elektronu (+) kutba daha yakın olan elektron deliğine yerleştirmek için E kadar enerji (alıcı enerjisi) vermek gerekir.

62

p-Tipi Katkılı Yarıiletkenlik:•Ancak bu enerji bir elektronu serbest hale getirmek için yeterli değildir. •N-tipi kadar olmasa da P-tipi katkılı iletkenlik yanında, has iletkenlik ihmal edilebilir.•Dolan elektron deliği sayısı en fazla katkı elemanı sayısı kadar olabilir (Alıcı doyma durumu). Bu durumda en büyük katkılı iletkenlik elde edilir

hep s

63

• has:-- saf Si-- # elektron = # delik (n = p)

• katkılı:-- katkı elemanları sayesinde ortaya çıkan fazla elektronlar veya

delikler ile iletkenlik sağlanır-- n ≠ p

Has-Katkılı İletkenlik Karşılaştırması

3+

• p-tipi katkılı: (p >> n)

Elektrik alan yok

Boron atomu

4+ 4+ 4+ 4+

4+

4+4+4+4+

4+ 4+ hep s

delik

• n-tipi katkılı: (n >> p)

Elektrik alan yok

5+

4+ 4+ 4+ 4+

4+

4+4+4+4+

4+ 4+

Fosfor atomu

valanselektronu

Si atomu

iletimelektronu

een s

64

Has Yarıiletkenlerde İletkenlik ile Sıcaklık İlişkisi

•Elektron ve delik konsantrasyonu sıcaklıkla birlikte artar (artan ısıl enerji daha fazla valans elektronunun iletim bandına atlayabilmesini sağlar).

•Yarıiletkenlerde de sıcaklık arttıkça ortamın direnci artar ancak yük taşıyıcı sayısındaki büyük artış, dirençteki artışın iletkenlik üzerinde oluşturacağı olumsuz etkiyi örter.

•Ge’daki taşıyıcı konsantrasyonu Si’dan büyüktür (germanyumun boş bant genişliği daha küçüktür).

4/26/2016

17

65

Has yarı iletken Si (kesikli çizgi) ve 1021 m-3

donör empürite (P) ile katkılanmış n-tipi Si için elektron konsantrasyonu-sıcaklık ilişkisi

•Düşük sıcaklıklarda: P donör seviyesindeki elektronları, iletim bandına atlatacak ısıl enerji yeterli değildir. •Orta sıcaklıklarda: malzeme n-tipi yarı iletkendir. Ve elektron konsantrasyonu sabittir. İletim bandındaki elektronlar fosfor verici seviyesinden uyarılır. Elektron konsantrasyonu yaklaşık olarak P miktarına (1021 m-3) eşit olduğundan, neredeyse fosfor atomlarının tamamı iyonize olmuştur (yani bütün elektronları iletkenliğe katılır).•Yüksek sıcaklıklarda: Yarı iletken, has yarı iletken özellikleri kazanır. Yani, artan sıcaklıkla yasak bant aralığını geçen has yük taşıyıcı sayısı önce verici sayısına eşitlenir, daha sonra verici taşıyıcı sayısını aşar.

Katkılı Yarıiletkenlerde İletkenlik ile Sıcaklık İlişkisi

kTEg 2/0e

kTEE dg /)(0e

kTEac /0e

Elektriksel İletkenlik – Sıcaklık İlişkisi

66

kE

Egim g

2 (has yarıiletkenler için)

1/T

lnσ

kEE

Egim dg )(

kEEgim ac

(n-tipi katkılıyarıiletkenler için)

(p-tipi katkılıyarıiletkenler için)

Taşıyıcılar azalmış bölge

kTEg 2/0e

TkEg 12

-lnln 0

Elektriksel İletkenlik – Sıcaklık İlişkisi

67

• Sadece tek yönlü elektron akışına izin verir (Örn., alternatif akımı doğru akıma çevirmede kullanışlıdır).

-- Uygulanmış potansiyel yok:Net akım debisi yok

-- İleri gerilim (forward bias): Taşıyıcılar p-tipi ve n-tipi bölgelerden akarlar; boşluk ve elektronlar p-n bağlantısında yeniden biraraya gelir; akım gerçekleşir

-- Ters gerilim (reverse bias): Taşıyıcılar p-n bağlantısından uzağa akarlar; bağlantı bölgesi taşıyıcıları azalır; az akım gerçekleşir

Yarıiletken Cihazlar: p-n Doğrultucu Birleşim (Diyot-Rectifying Junction)

++

++

+- ---

-p-type n-type

+ -

++ +

++

--

--

-

p-type n-type

+++

+

+

---

--

p-type n-type- +

68

4/26/2016

18

Doğrultucu Birleşim Özellikleri

Delinme

İleri gerilim

Ters gerilim

Volta

j, V

Ger

iİle

riA

kım

, IG

eri

İleri

Zaman

Zaman

69

Birleşmeli Transistörler

İleri

geril

im v

olta

jı

Giri

ş vo

ltajı

Giriş voltajı

Çıkış voltajı

1. Birleşim 2. Birleşim

Emitter:YayıcıBase: AnaCollector:Toplayıcı

ZamanZaman

Ters

ger

ilim v

olta

jı

Yük

Çık

ış v

olta

jı

70

• Elektriksel iletkenlik ve özdirenç:-- malzeme özellikleridir-- geometriden bağımsızdır

• İletkenler, yarıiletkenler ve yalıtkanların-- iletkenlik değer sınırları farklıdır-- elektron uyarma seviyelerinin varlığı farklıdır

• Metallerde özdirenci artıran faktörler-- artan sıcaklık-- safsızlıkların eklenmesi-- plastik deformasyon

• Saf yarıiletkenlerde iletkenliği artıran faktörler-- artan sıcaklık-- katkılama [Örn., Si’ye B (p-tipi) veya Si’ye P (n-tipi)]

• Diğer elektriksel özellikler-- ferroelektriklik-- piezoelektriklik

Özet

71

4/26/2016 1 bölüm 7: elektriksel Özellikler • elektron hareketliliği

Documents