elektroteknİk malzemelerİ ve elemanlari · doğada temel elektrik yükü birimidir değeri ise...

JANETA SERVİNİ

VLADİMİR ROME Y

ANİ SERVİNİ

ELEKTROTEKNİK MALZEMELERİ VE ELEMANLARI

I (birinci) SINIF – ELEKTROTEKNİK MESLEĞİ tüm eğitim profilleri için

Üsküp, 2014 yılı.

Yazarlar:Mr. Janeta Servini, Elek. Müh. Vladimir Rome, Elek. Müh. Yani Servini

Denetleme:Prof. Dr. Stoyan Deskovski, Elek. Müh. Suza Blajevska, Elek. Müh. Eft im Peyovski

Editör:Janeta Sarvini

İlustrasyon ve grafi k düzenleme:Vladimir Rome

Kapak tasarım:Vladimir Rome

Düzeltici: Gülser Klinçe

Çeviri:Sakip Saliji

Redaksiyon:Dr. Fatima Hocin

Yayıncı:Makedonya Cumhuriyeti Eğitim ve Bilim Bakanlığı

Basimevi:Grafi cki centar dooel, Üsküp

22-4236/1 no’lu ve 28.07.2010 tarihli karar ile Makedonya Cumhuriyeti Eğitim ve Bilim Bakanlığı tarafından kitabın kullanımını onaylandı.

„Malzemesiz mühendislik yoktur.”Anonim

İÇİNDEKİLER

Önsöz ................................................................................................................................ ix

1. ELEKTROTEKNİK MALZEMELERE GİRİŞ ..................................................... 11.1. Maddenin atom yapısı .............................................................................................. 3

1.2. Elektroteknik malzemelerin madde halleri ........................................................... 5

1.3. Kimyasal bağlar ................................................................................................................................... 7

1.3.1. İyonik bağ ................................................................................................................................... 8

1.3.2. Kovalent bağ ............................................................................................................................ 9

1.3.3. Metalik bağ ............................................................................................................................ 10

1.4.Maddenin yapısal parçacıklarının dizilişine göre malzemelerin sınıfl andırılması ..................................................................................... 10

1.4.1. Monokristal yapı..................................................................................................................... 10

1.4.1.1. Kristal yapı kusurları ......................................................................................................... 12

1.4.2. Polikristal yapı ........................................................................................................................ 13

1.4.3. Kristal olmayan yapılar ........................................................................................................ 13

1.5. Yasak enerji bölgelerinin büyüklüklerine göre elektroteknik malzemelerin sınıfl andırılması ..................................................................................... 15

1.5.1. Yasak enerji bölgesinin oluşması ..................................................................................... 15

1.5.2.Yasak bölgenin genişliğ i ve özdirençlerine göre malzemelerin sınıfl andırılması...................................................................................................... 17

1.6. Elektroteknik malzemelerin manyetik özelliklerine göre sınıfl andırılması ....... 20

Tekrarlama soruları ...................................................................................................................................... 21

2. İLETKEN MALZEMELER .............................................................................. 232.1. İletken malzemelere giriş ....................................................................................... 25

2.2. İletken malzemelerin özellikleri ............................................................................................... 26

2.2.1. Elektriksel özellikleri ............................................................................................................. 26

2.2.2 İletkenlerin diğer önemli özellikleri ............................................................................... 27

2.3. İletken madde türleri .............................................................................................. 30

2.3.1. Öz iletkenliği yüksek ola metaller ................................................................................... 30

2.3.1.1. Bakır, alüminyum, gümüş ve altının özelliklerini karşılaştırma yaparak analiz etmek ....................................................................................... 30

2.3.2. Süper iletkenler ..................................................................................................................... 32

2.3.2.1. Süper iletkenlerin fiziksel özellikleri ..................................................................... 33

2.3.2.2. Süper iletken maddeler ............................................................................................. 34

2.3.2.3. Süper iletkenler ve kablolar ..................................................................................... 36

2.3.3. Düşük öz iletkenliğe sahip elektrik malzemeleri ve dirençli malzemeler ......... 37

2.3.3.1. Dirençler ve ısıtıcılar.................................................................................................... 39

2.3.4. Özel iletken malzemeler ..................................................................................................... 45

2.3.4.1. Termoelektrik algılayıcılar ......................................................................................... 45

2.3.4.2. Lehimler .......................................................................................................................... 46

2.3.4.3. Elektrik sigortaları ........................................................................................................ 48

2.3.4.4. Elektrik kontakları ........................................................................................................ 49

2.3.4.5. Galvan elemanlar ve akümülatörler ...................................................................... 50

2.3.4.6. Elektrolitler ..................................................................................................................... 51


3. YARI İLETKEN MALZEMELER ..................................................................... 533.1. Yarı iletken malzemelerde enerji bölgeleri .......................................................................... 55

3.2. Saf yarı iletkenlerde elektriksel yük taşıyıcıları oluşturma mekanizması ............. 56

3.3. Yarı iletkenlerde elektrik akımının iletilme prensibi ............................................ 58

3.4. Yarı iletken malzemelerin özelliklerinin analizi ve karşılaştırılması ................... 60

3.5. Bazı önemli yarı iletkenlerin özellikleri, içerikleri, alaşımları ve süper kristal kafesleri ................................................................................................... 63

3.6. Yoğun ve ince taba monokristallerin elde edilme yöntemleri ............................ 65

3.7. Silisyum entegre devrelerin düzlemsel teknolojileri ........................................... 68

3.8. Diyotlar, transistörler, tristörler ve entegre devreler ........................................... 69

3.8.1. Diyotlar ..................................................................................................................................... 69

3.8.2. Transistörler ............................................................................................................................ 72

3.8.3. Tristörler ................................................................................................................................... 75

3.8.4. Entegre devreler .................................................................................................................... 76

3.9. Kalın tabakalı ve ince tabakalı entegre devre teknolojileri ................................ 78

3.9.1. Kalın tabaka entegre devre teknolojisi ......................................................................... 78

3.9.2. İnce tabaka entegre devre teknolojisi ........................................................................... 79

3.10. Yarı iletken entegre devrelerin gelişim perspektifi ........................................... 80

3.11. Nano teknolojiler .................................................................................................. 82

3.12. Baskılı devre plakların (PCB) yapılması .............................................................. 82


4. DİELEKTRİK MALZEMELERE ...................................................................... 854.1. Dielektrik Malzemelere Giriş.................................................................................. 87

4.2. Dielektrik Malzemelerin Ayrılması ........................................................................ 87

4.3. Dielektrik Malzemelerinde Dielektrik Kayıpları ................................................... 90

4.4. Dielektrik Malzemelerin Dielektrik Sertliği .......................................................... 90

4.5. Dielektriklerin Elektrik Polarizasyonu .................................................................. 92

4.6. Yalıtım Malzemeleri ................................................................................................ 96

4.7. İzolasyonlu Kablolar ............................................................................................... 99

4.8. Optik Kablolar ....................................................................................................... 101

4.9. Kondansatör Malzemeleri .................................................................................... 104

4.10. Kondansatörler ................................................................................................... 105

4.11. Özel Dielektrik Malzemeleri ............................................................................... 109

4.11.1. Piezoelektrikler, Piroelektrikler ve Elektret Dönüştürücüler .............................109

4.11.2. Dielektrik Mikroelektronik ............................................................................................. 110

4.11.3. Sıvı Kristalli Ekran.............................................................................................................. 111

4.11.4. Optik Bellekler ................................................................................................................... 113

Tekrarlama Soruları ................................................................................................................................... 115

5. МАNYETİK MALZEMELER ........................................................................ 1175.1. Bazı Malzeme Grupların Manyetik Özellikleri .................................................... 119

5.2. Güçlü Mıknatıslanma Mekanizması .................................................................... 121

5.3. Маnyetostriktif ..................................................................................................... 124

5.4. Yumuşak Manyetik Malzemeler ........................................................................... 125

5.5. Bobinler, Transformatörler ve Röleler ................................................................. 127

5.5.1. Bobinler .................................................................................................................................. 127

5.5.2. Transformatörler .................................................................................................................. 129

5.5.3. Röleler ..................................................................................................................................... 129

5.6. Katı Manyetik Malzemeler.................................................................................... 130

5.7. Маnyetik Mikroelektronik ................................................................................... 133

5.7.1. Маnyetik Bellekler .............................................................................................................. 133

5.7.2. Mantık Devreleri .................................................................................................................. 134

Tekrarlama Soruları ................................................................................................................................... 136

EK А ............................................................................................................... 137

ÖNSÖZ“Elektroteknik Malzemeleri ve Elemanları” kitabı elektroteknik alanın I. (birinci) sınıfl arın

tüm bölümleri için, mevcut olan plan ve programa uyumlu olarak yazılmıştır. Demek oluyor ki her bölüm için öngörülen ders içerikleri kapsanmıştır. Bu dersi veren öğretmenler, bölümlerin ihtiyaçlarına göre gereken içeriklere daha çok vurgu yapmaları gerekecektir.

Ders kitabı beş üniteye ayrılmıştır.

Birinci ünitede „Elektroteknik Malzemelere Giriş” maddenin ve atomun yapısı hak-kından bilgi verilmektedir. Ondan sonra elektroteknik malzemelerin hal durumları ve kimyasal bağları işlenmiştir. Değişik bakış açısından malzemelerin ayrılışı onu da malze-menin yapı parçacıkların dizilişine göre, elektroteknik malzemelerin yasak bölgelerinin genişliğine göre ve manyetik özelliklerine göre ayrılışları verilmiştir.

İkinci ünitede „İletken Malzemeler” iletken malzemelerin özellikleri işlenmiş ve elekt-rik özellikleri üzerine durulmuştur. Ondan sonra yüksek öz elektrik geçirgenliği olan metaller, süper iletkenler, düşük elektrik geçirgenliği olan malzemeler ve dayanıklı mal-zemeler gibi değişik türden iletken malzemelerin analizi yapılmıştır. Ünitenin sonunda özel kullanımı olan iletken malzemelere dikkat çekilmiştir.

Üçüncü ünitede „Yarı iletken Malzemeler” öğrencilere yarı iletkenlerin enerji bölgele-ri, tam yarı iletkenlerde serbest yüklerin oluşma mekanizması ve elektrik akımı geçirme prensibi tanıtılır. Daha sonra silisyum, germanyum ve galyum arsenit yarı iletken malze-melerin karşılaştırılması yapılmıştır. Önemli yarı iletken elemanları, bileşikleri, alaşımları ve süper-kafeslerin özellikleri vurgulanmıştır. Masif ve ince katmanlı monokristallerin elde edilişi ve silisyum entegre devrelerin düzlemsel teknolojisi konuları işlenmiştir. Di-yot, transistor, tristör ve entegre devreleri gibi yarı iletken malzemelerin uygulanması konusu ayrı bir dikkatle işlenmiştir. Ondan sonra kalın katmanlı ve ince katmanlı entegre devreleri ve yarı iletken entegre devrelerin gelişimi hakkında bir yorum yapılmıştır. So-nunda gelecekte yoğun bir şekilde işlenecek olan, nano teknoloji alanındaki sorunlara değinilmiştir..

Dördüncü ünite „Dielektrik Malzemeleri” dielektriklere, onların önemi ve uygulan-masına adanmıştır. Ünite onların sınıfl andırılması, dielektrik kayıpları ve dielektrik sertli-ğin öğrenilmesiyle başlar. Sonra dielektriğin elektrik polarizasyonu, yalıtım malzemeler, izolasyonlu ve optik kablolar, kondansatör malzemeleri ve onların kondansatörlerde uygulanması konuları ele alınmıştır. Ünite sonunda bazı özel dielektrik malzemelerine odaklanılmıştır..

Beşinci ünitede „Маnyetik Malzemeler” manyetik malzemeleri, daha özel olarak bazı malzeme gruplarının manyetik özelliklerini, güçlü manyetiklenme mekanizması ve man-yetostriktif olayı işlenmiştir. İlk önce yumuşak manyetik malzemeler, bobinler, transfor-matörler ve röleler, ondan sonra katı manyetik malzemeler ve mikro elektronikte kulla-nılan malzemeler konu edilmiştir. Ders malzemesinin bütünü son zamanlarda güncel

ve çağdaş yerli ile yabancı literatürü kullanarak yazılmıştır. Müellifl er olarak öğrencilerin yaşını ve bu alandaki ön bilgilerini göz önünde bulundurarak, plan ve programa göre, elimizden geldiği kadar basit ve kapsamlı bir şekilde ders içeriklerini açıklamaya gayret ettik.

Bu doğrultuda, ifade tarzına, işlenmiş müfredatın kapsamına ve kalitesine, hem mesleki hem de metodolojik yönden dikkat ederek önemli çaba harcadık. Müfredatın işlenmiş şekli, ders veren öğretmenler, anlama ve öğrenmekle yükümlü olan öğrenciler tarafından kabul göreceğine samimiyetimizle umuyoruz. Mümkün olduğu kadar içeriklere çizimler eklemeye çalıştık ve bununla yeni konuların daha kolay anlaşılmasına katkıda bulunduğumuza inanıyo-ruz. Kitabın içinde önemli olarak seçilmiş ve metin çerçevesi içerisinde açıklanmış bazı tablo-lar verilmiştir

Birinci sınıfta okunan mesleki ders olduğunu göz önünde tutarak, öğrencilere aşina olma-yan bir matematiksel araç kullanmadan yeterli basit dil ve yazı tarzı olduğuna inanıyoruz.

Metinde, her ünite sonunda işlenmiş konulardan belirli sayıda soru yöneltilmiştir. Sorula-rı cevaplarken öğrenci, öğrendiklerini kontrol edecek ve aynı zamanda kalitenin seviyesini arttıracaktır. İletkenlerin, süper iletkenlerin, yarı iletkenlerin, dielektriklerin ve manyetiklerin uygulandıkları tekniğin bütün alanlarında önemli yer aldıklarını göz önünde bulundurarak, ileriki pratik-teorik eğitimde, bilhassa pratik dersler için büyük faydalar sağlayacağını düşü-nüyoruz...

Sonunda fırsattan yararlanarak içerik ve teknik düzenleme açısından, kalitenin artmasında yapmış oldukları yapıcı ve iyi niyetli katkılarından dolayı kitabı denetleyen prof. dr. Stoyan Deskovski’ye, yük.müh. Suza Blajevska’ya ve yük. müh. Eftim Peyovski’ye teşekkürlerimi sun-mamızı bir borç biliriz.

Manastır, Haziran 2010 yılıMüellifl er.

1.Elektro-

teknik malzemelere

giriş

1.Elektro-

teknik malzemelere

girişBu başlık altında sıradaki konular işlenecektir:

Maddenin ve atomun yapısı

Elektroteknik malzemelerin madde halleri

Kimyasal bağlar

Maddenin yapısal parçacıklarının dizilişine göre malzemelerin sınıfl andırılması

Yasak enerji bölgelerinin büyüklüklerine göre elektroteknik malzemelerin sınıfl andırılması

Elektroteknik malzemelerin manyetik özelliklerine göre sınıfl andırılması

ELEKTROTEKNİK MALZEMELERE GİRİŞ 3


1.1. MADDENİN ATOM YAPISI

Elektrik olaylarını daha kolay anlayabilmek için öncellikle madde yapısı hakkında ge-rekli olan bazı bilgileri bilmemiz gerekmektedir. Bizi çevreleyen her şey maddedir. Mad-de iki temel büyüklük ile karakterize edilir, bunlar: kütle ve enerjidir. Kütle cisimdeki maddenin miktarını belirten ölçü birimidir, enerji ise cismin belirli bir işe yapabilme ka-biliyetidir. Albert Einstein tarafından ortaya atılan kütlenin enerjiye eşit olması kanunu-na göre, kütle cismin içinde barındırdığı enerjiye eşittir ve onun için bir ölçüttür. Gerçek hayatta maddeler farklı bileşimlerde veya kombinasyonlarında olabilmektedirler. Mad-de yapısı hakkındaki modern anlayışlar onun süreksiz doğasından kaynaklanmaktadır.

Diğer tüm malzemelerde de olduğu gibi, elektroteknik malzemeler de atomlarda yapılmıştırlar, bunun için daha baştan maddenin atom yapısına bir göz atmamız ge-rekir. Elektroteknik malzemelerin özelliklerini bilmemiz için, atomların aralarında nasıl bağlandıklarını ve boşluktaki dağılımlarını incelememiz gerekmektedir.

Atom, belirli bir kimyasal reaksiyona girebilen maddenin en küçük yapı parçacığı-dır. Modern atom teorisine göre her atom yapısal parçacıklardan (protonlar, nötronlar ve elektronlar) oluşmaktadır. Bu parçacıklar aralarında elektriksel yük, kütle ve atomda bulundukları konum itibarı ile farklılık göstermektedirler. Atom, içinde proton ve nöt-ronların bulunduğu çekirdek ve etrafında elektronların döndüğü elektron sargısından oluşmaktadır. Çekirdekte bulunan proton sayısı ile elektron sargısında bulunan elekt-ronların sayısı birbirine eşittir, bundan dolayı atom elektik açısından nötr durumdadır. Protonlar, nötronlar ve elektronlar tüm elementlerde ve tüm atomlarda aynı özelliklere sahiptirler, fakat elementler farklı özelliklere sahiptirler, bu farklılık elementlerin yapıla-rındaki yapısal parçacıkların sayılarından.

Elektron, kimyasal bir elementin elektriksel özelliklerine en çok etki eden bir parçacık-tır. Bir elektronun elektriksel yük miktarı belirlenmiş bir negatif elektriksel yük miktarıdır ve doğada temel elektrik yükü birimidir değeri ise 1.6∙10-19 C dur. Elektronun çok küçük kütlesi vardır ve değeri m = 9.1∙10-31 kg dır. Elektron çekirdek etrafında belirli bir ek-sende hareket etmektedir. Proton, pozitif elektriksel yükün temel parçacığıdır. Protonun elektriksel yük değeri elektron ile aynı değerdedir sadece işaret olarak ters işaretlidir, kütle değeri ise elektronun kütlesinden 1836 defa daha büyüktür. Nötronun elektriksel yükü nötrdür. Nötron kütlesi yaklaşık olarak proton kütlesi ile aynı değere sahiptir. Çe-kirdekteki proton sayısı atom veya sıra sayısı olarak adlandırılır ve elementin periyodik tablodaki sıra numarasını ifade eder.

En basit atom hidrojen atomudur. Hidrojen atomu sadece bir proton ve bir elektron-dan ibarettir. Diğer elementlerin atomları daha fazla proton, nötron ve elektronlardan ibarettirler. Şekil 1.1’de atomun yapısı gösterilmiştir.

4 ELEKTROTEKNİK MALZEMELERE GİRİŞ


Bir atomdaki proton ve elektron sayıları eşittir, öyle ki, atomun pozitif ve negatif elektriksel yükleri aynıdır dolayısıyla atom elektriksel açıdan nötr durumdadır. Elektron-lar sargılardan bulunan belirli yollar ile çekirdek etrafında dönerler. Elektron sargısı bir top yüzeyi gibidir ve birden çok dairesel yol içermektedir, elektronlar bu yolları izleye-rek onun etrafında dönerler. Çekirdeğin birinci sargısı 2 elektron içerir, ikinci sargısı 8 vs. Son sargıda döne elektron sayısı 1 ile 8 arasında olabilir ve bunlara valans elektronları denir. Bir elektron sargısı dolu ise oraya daha fazla elektron giremez.

Elektron

Proton

Nötron

Çekirdek

Şek. 1.1 Atom yapısı

Kütle numarası çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamıdır. 2007 yılına ka-dar 117 element (94 doğal element kalanlar ise radyoaktivite sonucunda elde edilen elementlerdirler) bilinmekteydi. Bu elementler Mendeleevin periyodik elementler tab-losunda gruplandırılmışlardırlar, tablo 8 grup (7 grup ve bir sıfır grubu) içermektedir. Grup sayısı son sargıdaki valans elektron seviyesine karşılık gelmektedir. Sıfırıncı grupta karalı elektron yapısı olan değerli metaller bulunurlar (helyum, neon, argon, kripton vb.). Birinci, ikinci ve üçüncü grupta metaller yer almaktadır (bakır, altın, gümüş, çinko, alüminyum vb.), bu elementler kararlı elektron yapısı oluşturmak için elektron vererek pozitif iyonlar oluştururlar ve pozitif elektrik elementler olarak adlandırılırlar. Beşinci, al-tıncı ve yedinci grupta ametaller bulunur (fosfor, arsenik, selen, klor, vb.), bu elementler genelde elektron kabul ederek pozitif iyon oluştururlar ve negatif elektrik elementler olarak adlandırılırlar. Dördüncü gruptaki elementler (karbon, silisyum, germanyum vb.) ne kabul eder ne de koyuverirler sadece var olanları hapsederler.

Madde içindeki atomların, iyonların ve moleküllerin uzay dağılımları, daha doğrusu maddenin yapısı, bu parçacıkların aralarındaki kimyasal bağların sonucunda oluşmak-tadır.



İleriki konularda maddenin yapısı ile alakalı en son gelişmeler hakkında tekrardan bilgi verilecektir. Modern teoriye göre, standart model olarak da bilinir, madenin 12 temel (esas) parçacığının veya türünün ve onlara karşıt olarak bir o kadar anti parçacı-ğının var olduğu ifade edilir. Maddenin parçacıkları iki gruba ayrılırlar, bunlar: Kuarklar ve leptonlardır. Her grup için altı parçacık ve karşıtı olarak altı anti parçacık bulunmak-tadır. Ayrıca gluonlar, fotonlar, W ve Z bozonları kuvvet taşıyıcıları-parçacıkları vardır. Bu parçacıklar ard arda meydan gele güçlü elektromanyetik etkileşimlerden sorumlu-durlar. Belirli bir kuvvet taşıyan bu parçacıklar ayrıca temel parçacık olarak sayılırlar. Daha doğrusu standart model, bilinen alt atom parçacıklarının dinamiğini kontrol eden elektromanyetik, zayıf ve büyük nükleer kuvvetlerin etkileştiği moleküler fiziğin bir te-orisini ifade eder. Bu teori 20. yy. başlarında ve daha sonra ortalarında gelişmeye başla-dı. 1970 yılların ortalarında ilk defa deneysel olarak kuark parçacıklarının varoluşlarının kanıtının sunumu yapıldı. O zamandan beri, dib kuarkın (1977), tepe kuarkın (1995) ve tau neutrino (2000) parçacıklarının keşfedilmesi ile standart model deneysel olarak kanıtlamıştır. Deneysel sonuçları geniş bir açıdan ifade edebildiği için, standart model atomun davranışı ile alakalı meydana gelen tüm olayları açıklayabilen bir teori olarak kabul görmektedir.

Kuark (quark) esas (temel) parçacıktır ve maddenin temel yapısal bileşenidir. Kuark parçacıkları daha kompleks parçacıkları oluşturmak üzere bir araya gelerek hadronları oluştururlar, atom çekirdeğinde oluşan bu parçacıkların en stabil olanları proton ve nötron parçacıklarıdırlar. Kuark parçacıkları hiçbir zaman izole edilmez, sadece hadron-ların içerisinde bulunurlar. Bundan dolayı, şimdiye kadar kuhadronlar hakkında bildik-lerimiz hadronları gözetleyerek elde edilmişlerdir.

Farklı kütle, renk, spin ve elektriksel yük ile karakterize edilen altı farklı tipte kurak karşımıza çıkmaktadır. Kuarklar, moleküler fiziğin standart modelinde bilinen tüm te-mel kuvvetlerin (elektromanyetizma, serbest düşme, güçlü etkileşim ve zayıf etkileşim) ortaya çıktığı yegane parçacıktır. Ayrıca bu parçacıkların elektriksel yüklerinin değerleri, temel elektriksel yüklerin çarpımlarının sonucunda tam sayı olmayan yegane parçacık-lardırlar. Her bir tip kuark parçacığının karşılığı olan anti parçacık vardır, bu parçacıklar kuarklara göre belirli büyüklükler için değerleri mutlak değerlere karşılık gelir yalnız bu değer normal kuark parçacığı değeri ile ters işarette olur.

Tau neutrino, üç neutrinin sonuncusunu ifade etmektedir. Bu parçacık üçüncü nesil leptonların oluşmasında görev almaktadır. Tau neutrino parçacığı, yapılan bir çok de-neyden sonra nihayet 2000 yılının Temmuz ayında keşfedilmiştir.

1.2. ELEKTROTEKNİK MALZEMELERİN MADDE HALLERİ

Malzemelerin madde halleri o maddenin içerisindeki atomların aralarındaki çekim ve itme kuvvetlerine bağlıdır. Sadece çekim güçlerinin etki ettiği maddeler ideal katı maddelerdirler (ideal kristaller). Sadece itme güçleri etki ettiğinde o zaman ideal gaz hali söz konusu olmaktadır.



Bu iki hal arasında malzemelerin de bulunduğu maddenin geçiş halleri bulunmakta-dır ve bu haller gaz, sıvı ve katı hallerdirler.

Tüm katı cisimlerin belirli b, r şekli ve hacmi vardır. Sıvılara gelince onların belirli bir hacimleri var fakat şekilleri yoktur, sıvılar bulundukları kabın şeklini alırlar. Gazların ise belirli hacimleri ne de şekilleri vardır. Katı cisimler iki şekilde olabilirler kristal (monok-ristal ve polikristal) şeklinde ve kristal olmayan şekilde (amorf), ayrıca bu şekiller mal-zemenin spesifik olarak nasıl kullanılacağını belirlemektedir. Elektroteknik malzemeleri maddenin her halinde karşımıza çıkar (katı, sıvı, gaz, plazma), fakat elektroteknikte en çok kullanım alanı bulan ise katı haldeki malzemeler karşımıza çıkmaktadır.

Monokristaller, analiz edilen cismin hacminin tamamında düzgün şekilde dağılan atomları ile karakterize edilmektedirler. Bu yapı özellikle yarı iletken malzemelerin kul-lanıldığı mikroelektronik teknolojisinde önem arz etmektedir, çünkü düzgün kristal yapı içerisinde elektriksel yük taşıyan serbest parçacıklar çok hızlı bir şekilde hareket etmektedirler ve bu özellik mikroelektronik bileşenlerinin ve devrelerinin çok hızlı ça-lışmalarını sağlar. Ayrıca belirtmeliyiz gerekir ki mikroelektronik teknolojisinde yarı ilet-ken malzemelerin içerisine diğer elementlerin katkı atomlarının eklenmesi için değişik özel teknolojik yöntemler kullanılmaktadır, öyle ki, bu şekilde yarı iletken monokristal gövde (yonga) içerisinde değişik mikroelektronik bileşenler oluşturulmaktadır. Bu yön-tem uygulanarak, daha önce başlangıçta temiz (kimyasal yapı bakımından) olan mo-nokristal yapı yapay yollarla kusurlu yapı (düzgün olmayan) haline getirilir ki bu yol ile yarı iletken bileşenler için istenilen karakteristikler elde edilmiş olunur.

Kontrollü bir şekilde oluşturulan kusurlu yapıdaki maddelerin yanında monokristal-lerin istenmeyen kusurlu (arıza) yapıdaki maddeler de mevcuttur. Bu kusurlu yapıdaki maddelerin diğer bir şekli de madde içindeki kristal taneciklerin yönlerinin belirsiz ol-malarıdır çünkü maddenin içinde atomların düzgün dağılımı söz konusu olmaktadır. Bu kristal taneciklerin boyutları yaklaşık olarak iki atom arası mesafesinin yüz katı civa-rında olmaktadır ve bu gibi bir madde polikristal madde olarak adlandırılır, daha doğ-rusu böyle bir yapıya polikristal yapı denir. Polikristal parçacıkların şekli ve büyüklüğü maddenin mekanik özelliklerini belirler. Uygulama açısından polikristal yapı iletken ve süper iletkenler açısından çok büyük önem arz etmektedir çünkü düzgün monokris-tal yapılarda metal tellerin çok büyük mesafelerde uygulanması zordur, özellikle yapım aşamasında şekil verirken böyle bir zorlukla karşı karşıya kalınmaktadır. Bu durum aynı şekilde kondansatör, manyetik seramik ve levhalarda da karşımıza çıkmaktadır.

Uygulama açısından kristal olmayan yapıların çok büyük önemi vardır. Burada özel-likle amorf maddeleri, sıvı kristalleri ve polimerleri gösterebiliriz.

Amorf maddelerde atomlar arasındaki bağ derecesi (iki atom arası mesafenin yak-laşık 10 katı) aynen sıvılardakine benzemektedir, bundan dolayı genelde bu maddeler soğutulmuş sıvılar olarak da adlandırılırlar ve elektroteknikte amorf yarı iletken şeklin-de daha geniş alanlı (ve daha ucuz) plak şeklinde kullanılmaktadırlar, ayrıca amorf bant ve plaklar şeklinde de kullanılırlar.



Sıvı kristaller, kristal şeklinden eriyerek sıvı halini alırken oluşan ara durum sebe-binden dolayı sıvılara göre çok daha düzgün yapılara sahiptirler ve bundan dolayı bu maddenin alışılmamış elektro optik özelliklerinden dolayı sıvı kristal ekran ve gösterge-lerine ve ekranlarında kullanılmaktadırlar.

Polimerler makro moleküllerin oluşturduğu uzun zincirden meydana gelmiştir ve bu özelikten dolayı bu maddenin birden çok halde bulunmasına imkan kılar, bu haller: kristal, amorf, kauçuk şeklinde, sıvı kristal ve yüksek sıvı şeklinde; elektroteknikte en çok iletken kabloların izolasyonunda kullanılmaktadır.

Sıvılar elektroteknikte genelde akülerde elektrolit olarak veya elektrik izolasyonu için yağ şeklinde kullanılırlar; gazlar aynı şekilde elektrik izolasyon özelliklerinden dolayı enerji kablolarında ve dağıtım şebekelerinde kullanılmaktadırlar. Plazma hali, elektriksel dengenin sağlanmış olduğu elektron ve pozitif iyonların ihtiva ettiği yüksek iyonize şeklindeki gaz halinin de ayrıca geniş uygulama alanı mevcuttur. Kullanım alanı olarak, fotolüminesans (elektriksel ışıldama) ampullerini ve mikro elektronikteki teknik süreçleri gösterebiliriz.

1.3. KİMYASAL BAĞLAR

Önceden belirttiğimiz maddenin tüm yapısal halleri atom, iyon ve moleküller arasın-daki kimyasal bağların sonucunda oluşmaktadırlar. Bu bağlantılar, elektronların komşu valans atomlarının arasındaki etkileşimin sonucunda oluşmaktadırlar.

Bazı elementlerde atomlar arası etkileşim çok zayıftır, örnek olarak bazı soy gazları (Ne, Ar,...) gösterebiliriz, çünkü bu elementlerde valans seviyeleri 8 elektron içerdikle-rinden dolayı doyumdadırlar. Bu gibi durumlarda kimyasal bağlar dipol (çift kutuplu) elektriksel etkileşim sonucunda meydana gelirler ve çok düşük yoğunluktadırlar. Elekt-riksel dipol iki elektriksel yükten meydana gelen sistemdir, mutlak değerleri aynı değer-de fakat ters işaretlidirler ve aralarındaki mesafe çok küçüktür.

Bir çok element için yukarıda bahsettiğimiz elektron denge durumu söz konusu de-ğildir, öyle ki, bu gibi elementlerin son sargısında elektron denge durumu sıradaki yön-temlerle sağlanır: bir veya birden fazla valans elektronunu kabul etmek veya vermek, diğer bir yöntem ise bir veya birden fazla elektronu komşu atomlara paylaşmak. Bu gibi bağlar çok güçlüdürler ve iyon bağı ve Kovalent bağı olarak adlandırılırlar. Ayrıca önemli bir bağ da metal bağıdır.

Maddelerde, kural gereği, tek bir tip kimyasal bağ ile karşılaşılmamaktadır. Karşımıza birden çok farklı bağ içeren maddeler çıkmaktadır ki bu bağlardan bir tanesi her zaman domine eder. Bu nedenle, maddelerin özellikleri iki veya daha fazla kimyasal bağ karak-teristiğinin kombinasyonu sonucunda oluşmaktadır.



1.3.1. İYONİK BAĞ

İyonik bağ pozitif elektrik yüklü (I-valasnlı) ve negatif elektrik yüklü (VII-valanslı) atomlar arasında oluşur, pozitif elektrik yüklü atomlar negatif elektrik yüklü atomlara elektron verir ve böylelikle kristalde pozitif ve negatif iyonların kararlı elektron yapısı söz konusu olmaktadır.

Bu durum şekil 1.2’de natrium (sodyum) (Na) ve klor (Cl) atomlarının elektron konfi-gürasyonu ile açıklanmıştır ve ayrıca kristaldeki iyonların dağlımı gösterilmiştir.

Bu bağlantıların tamamının elektrostatik doğası vardır ve ters işaretli yüklerle yüklü iyonların birbirini çekmesini mümkün kılar, öyle ki her pozitif iyon negatif iyon ile ve tersi şekilde çevrelenir.

Şekil. 1.2 NaCl’de iyonik bağın oluşması (grafiksel gösterimi).

Bir valans elektronun Na’dan Cl’a geçmesi ile pozitif Na iyonu ve negatif Cl iyonu oluşmaktadır. Her iki iyon birbirini çeker, böylece 8 elektronlu kararlı elektron yapısı elde edilir. Bu şekilde oluşturulan bağlar doymamış bağ olarak adlandırılırlar sebebi ise yakın komşu iyonların etkileşimi uzak komşu iyonların etkileşimini dışlamamaktadır. Bu demektir oluyor ki, bir iyon tüm komşu iyonlarla hareket etmektedir. İyon kristallerde serbest elektronlar mevcut değildir, bu kristaller katı halde elektrik yalıtıcı özelliklere sahiptir, fakat sıvı çözeltilerde elektrolitler gibi davranırlar. İyonik bağı olan malzemeler boşluk dağılımındaki komşu iyonlar arasında elektriksel kararlılığının kaybolmasından dolayı şekil değiştirme işlemi yeteneği düşüktür. Bundan dolayı bu malzemeler meka-nik açıdan sağlamdırlar ve güçlü darbelere dayanıklıdırlar.



1.3.2. KOVALENT BAĞI

Doymamış iyonik bağlara karşın sadece yakın komşular arasında oluşan doymuş kimyasal bağlar da mevcuttur. Bu bağlar kristal atomları arası boşluk boyunca belirli yönde yöneldiklerinden dolayı yönlüdürler. Bu tür kovalent bağlarında tekli atomla-rın hiçbiri tamamen bir valans elektron bölgesi (yörüngesi) oluşturmaz, fakat aralarında ortak çift bağlar oluşturarak her bir atomda sekiz valans elektronu ile kararlı bir yapı elde edilir. Kovalent bağı içeren maddeler için tipik örnek olarak silisyum (Si), diğer dört valanslı elementler (germanyum, elmas yapıda karbon, vs) ve ayrıca üç valanslı ve beş valanslı bileşikleri sayabiliriz (Ga As,…).

Şekil 1.3’te silisyum atomunun valans yörüngesinin elektron konfigürasyonu, ortak valans elektron çiftlerinin bir silisyum atomu ve onun dört komşu atomla yaptığı ko-valent bağı ve ayrıca kristal kafes yapıda silisyum atomlarının uzaydaki yönlendirilmiş dağılımı (kovalent bağlar arası açı yaklaşık olarak 109o dir) gösterilmiştir. Elektron çiftleri en yakındaki atomlar arasında tetrahedral şeklinde açısal dağılım oluşturacak şekilde bir tetrahedral ağırlık merkezli bir yapı oluştururlar.

kovalent bağı

Si atom

Şekil. 1.3 Si atomunun kovalent bağı (grafiksel gösterimi)

Yönlü olduklarında, kovalent bağlarının doyumu ve kuvvetlerinden dolayı, kovalent bağı olan maddelerin şekil değiştirme yetenekleri düşüktür. Bundan dolayı bu malze-meler mekanik açıdan sağlamdırlar ve güçlü darbelere dayanıklıdırlar. Bu maddeler saf halde iken zayıf iletken özelliklere sahiptirler, çünkü valans elektron çiftlerinin tamamı komşu atomlar arasında sıkı bir şekilde bağlıdırlar.



1.3.3. METALİK BAĞ

Kovalent bağ ve iyonik bağ ile bağlı maddelere karşın, metal bağı ile bağlı madde-ler şekil değiştirme işlemlerine (dövülebilirlik) yatkındırlar, ayrıca metalik bağ ile bağlı maddeler iyi elektrik ve ısı iletkenliği sağlarlar.

Şekil. 1.4 Metalik bağların oluşması

Bunun durum, metal iyonlar arasında kolay hareket edebilen serbest kalmış valans elektronlarından kaynaklanır (şekil 1.4), bunun nedeni daha önce bahsi geçen kimyasal bağlardan farklı olarak kararlı elektron konfigürasyonun oluşturulamamasından kay-naklanmaktadır.

Burada pozitif iyonlar ve elektronlar arasında güçlü bir etkileşim meydana gelir ve çekim kuvveti ile pozitif iyonların birbirine bağlanması güçlü metal yapının oluşması-na neden olur, bundan dolayı iyonik bağlarda da olduğu gibi burada da metalik bağ doymamış ve yönlü değildir. Tek valanslı katı cisimler (Cu, Ag,..), iki valanslı (Zn,..) ve üç valanslı elementler bu şekilde davranırlar.

Dipol bağların elektroteknikte fazla bir önemi yoktur, dolayısıyla burada ele alınma-yacaklar.

1.4. MADDELERİN YAPISAL PARÇACIKLARININ DİZİLİŞİNE GÖRE SINIFLANDIRILMALARI

1.4.1. MONOKRİSTAL YAPI

Monokristallerdeki düzgün geometrik yapı, katı haldeki moleküllerin, iyonların ve atomların aralarındaki kimyasal bağların düzgün dağılımı sonucunda oluşmaktadır. Di-ğer taraftan bu durum kovalent kristalin kararlı enerji durumunda bulunmasını sağla-yan kimyasal bağların düzgün bir şekilde dağılımlarının bir sonucudur. İyonik ve meta-



lik kristallerde, ki bu yapılarda kimyasal bağlar yönlü değildir, kristalin kafes yapısı iyon tabakalarının daha yoğun olma çabası sonucunda oluşmaktadır.

Doğada, hepsi eşit derecede temsil edilmemekle beraber, 230 farklı monokristal yapı ile karşılaşmaktayız. Elektroteknikte küp kafes şeklinde kristalleşen malzemeler önem arz etmektedirler. En önemli iki tip kristal yapı olarak, uzay merkezli ve düzlem merkezli küp kristal kafesler ile karşılaşırız. Kristalin yapısal hücreleri (kristalin bölünebildiği en küçük hacim) şekil 1.5’te gösterilmiştir.

а) uzay-merkezli b) yüzey-merkezli

Şekil. 1.5 Yapısal hücrelerde atomların dağılımı (küp kristal kafesi)

Uzay-merkezli ve yüzey-merkezli küp kristal kafesteki metaller (Cu, Al, Fe,..) ve birinci ve yedinci sütunda buluna iyon bileşenleri (NaCl,.. gibi) kristalleşmektedirler. Buradaki kimyasal bağlar yönlü değiller, bunun için iyonları maksimum yoğunlukta olacak şekil-de paketlenir, öyle ki en yakın komşular birbirine değecek kadar yakındırlar.

Bazı elementler ve birçok bileşim çok karmaşık tipte küp kafes yapılarda kristalleşir-ler. Elektroteknikte en önemli kristal kafes yapısı elmas kafes kristalidir, burada dört va-lans elektronu olan elementler (Si, Ge, C (elmas)) ile üçüncü ve beşinci sütunda bulunan kovalent bağlı elementler (GaAs, InSb,..) karşımıza çıkmaktadır, öyle ki üçüncü ve be-şinci sütunda bulunan kovalent bağlı elementlerin oluşturdukları bileşim sonucunda oluşan kristal sfalerit olarak adlandırılır. Elmas kristal kafesi, temel hücrenin köşegenle-rinden bir bölü dört kadar mesafede yerleşmiş olan çeyrek iki yüzey merkezli küp kristal kafesin kombinasyonu gibi tanımlanabilir (şekil 1.6 a). x-y düzleminde, z koordinatı ile işaretlenmiş (temel hücrenin kenarlarının uzunlukları olarak ifade edilmişler), eşdeğer olmayan atomların konum projeksiyonu şekil 1.6 b’de gösterilmiştir. Bu şekilde, her atom (tetrahedral yapının merkezinde) kendine en yakın komşusu ile (tetrahedral ya-pının köşelerinde) tetrahedral açı (yaklaşık 109о) yapacak şekilde yönlenmiş kovalent bağları oluştururlar, bu yapı şekil 1.3’te gösterilmiştir.



а) iki yüzey-merkezli küp kafes b) projeksiyon

Şekil 1.6 Elmas küp kristal kafesin grafiksel gösterimi

1.4.1.1. KRİSTAL YAPI KUSURLARI

Bir önceki bölümde kristal malzemelerin analizi yapılırken ideal oldukları, yani kristal kafesteki atomların düzgün dağılımlı oldukları varsayılıyordu. Ancak gerçek kristaller yapılarında kusurlar (hatalar) içerirler, bu hatalar, malzemenin kimyasal yapısında oldu-ğu kadar atomların dağılımında da mevcuttur.

Eğer bu kusurlar sadece lokal seviyede yani bazı atomlarda var iseler o zaman bu kusurlara noktasal kusurlar deriz. Bunlar arasına yarı iletken teknolojisinde kullanılan katkı maddeli kusurları gösterebiliriz, burada belirli atomlar, örneğin, dört valanslı Si atomlara katkı maddesi olarak beş valanslı (genelde fosfor, P) veya üç valanslı (örnek olarak B (bor) atomlar eklenerek bu kusurlu malzemeler elde edilirler.

Beş valanslı katkı atomu komşu Si atomları ile dört kovalent bağı oluşturur, kalan beşinci atom çift oluşturamaz dolayısıyla oda sıcaklığında bulunduğu atomu kolay bir şekilde terk edebilir. Si yarı iletken kristaline serbest elektron veren beş valanslı katkı atomlara donör denir ve bu şekilde elde edilen maddelere ise n-tipi Si yarı iletkeni de-nir.

Diğer taraftan, üç valanslı katkı atomu Si atomları ile üç kovalent bağı oluşturur, ka-lan dördüncü komşu atom kovalent çifti oluşturamaz. Dördüncü çifti oluşturamayan bu atom daha uzaktaki komşu silisyum atomlardan çifti tamamlamak için kolayca bir valans elektronu çeker, elektronunu kaybeden atom ise başka komşu atomdan kova-lent çiftini tamamlamak için elektron çekmeye çalışır ve bu böyle devam eder. Bundan dolayı Si yarı iletken kristalinden elektron kabul eden üç valanslı katkı atomlarına atom-lara akseptör denir ve bu şekilde elde edilen maddelere ise p-tipi Si yarı iletkeni denir.



Noktasal kusurların yanında ayrıca dislokasyon olarak da adlandırılan çizgisel kusur-lar ile de karşılaşırız. Bu kusurlu yapı düzgün kristal boyunca yapıda çizgisel kusurların oluştuğu bir yapıyı ifade eder ve bu kusurlar kristal yüzeyinde son bulurlar. Bu çizgi kris-talin yer değiştiren kısmı ile yer değiştirmeyen kısmı arasındaki sınırı tanımlamaktadır.

Kusurların oluşma şekline göre iki farklı kusurlu yapı ile karşılaşırız, bunlar: köşelere göre dislokasyon ve açılara göre dislokasyondur.

1.4.2. POLİKRİSTAL YAPI

Polikristal malzemenin yapısı termal ve mekanik işlem süreçlerine bağlıdır. Bu işlem-ler malzemenin mekaniksel ve elektriksel özelliklerine büyük ölçüde etki etmektedir-ler. Polikristal yapılar, özellikle monokristal formda malzemeler ile geçekleştirilmesi zor olan büyük boyutlardaki iletken tel ve teknolojik bantların, iletken, süper iletken, kon-dansatör ve manyetik malzemeler yapımı için çok büyük önem arz etmektedirler.

Yarım işlenmiş metallerin (teller, şeritler, borular, çubuklar, raylar ve değişik profil-ler…) oluşturulmaları sürecinde, termal veya mekaniksel işlemlere bağlı olarak me-tallerin işlenmesinden iki farklı yapı elde edilir, bunlar: iri taneli veya küçük taneli polikristal yapılar olabilirler. Bu yapıların parçacıkları şekil 1.7’de de gösterildiği gibi kaotik veya belirli bir yöne doğru yönelmiş durumda olabilirler.

а) iri taneli yönsüz yapı b) küçük taneli yönlü yapı

Şekil. 1.7 Polikristal yapının grafiksel gösterimi

Polikristal malzemenin iri taneli kaotik yapısı onun sertlik ve gerilme mukavemeti gibi mekaniksel özelliklerinin azalmasına sebep olmaktadır, buna karşın küçük taneli polikristal yapıda ise elastik deformasyon özelliğinin arttığı görülmektedir.

Küçük taneli yönlü polikristal yapı en kolay şekilde soğuk elastik deformasyon işle-minin (haddeleme, dövme, presleme, presleme ve ekstraksiyon) mekaniksel süreci ile elde edilmektedir.

1.4.3. KRİSTAL OLMAYAN YAPILAR

Sıvı kristaller, polimerler ve amorf malzemeler kristal olmayan katı yapıya sahiptirler.

Amorf malzemeler uygun içerik ile yakın çevresi olarak monokristal yapı ile kıyasla-nabilir, fakat daha uzak çevresi şekil 1.8’de de gösterildiği gibi çok düzensizdir.



а) kristal b) amorf

Şekil.1.8 Farklı malzeme modeli

Amorf malzemeler, düzenli yapını eksik olmasından dolayı izotrop malzemelerdirler, yani her yöne doğru aynı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptirler ve bunun yanında belirli bir erime sıcaklık noktasına sahip değildirler. Özelliklerine bakılarak amorf mal-zemeler sıvı malzemeleri andırırlar, bundan dolayı genellikle “soğutulmuş” sıvılar olarak adlandırılırlar. Aslında, sıvı halden ani bir anda katılaşma ile sıvı iken atom düzeni do-nakalmış bazı katı malzemelerin amorf yapılarının oluşması olasıdır. Amorf malzemeler için tipik bir örnek olarak camı gösterebiliriz. Cam örneği dikkatte alındığında amorf yapıların daha uzun zaman diliminde kararsız olduğu görülmektedir, sebebi ise bu ya-pının zamanla polikristal yapıya dönüşmesidir. Bundan dolayı cam için zamanla “yaşla-nır” deyimi kullanılır. Bu ara bu süreç uzun yıllar sürebilir.

Sıvı kristaller aslında çoklu halli yapı olarak karşımıza çıkmaktadır, yapı düzeni sıvı (akışkan ve viskozite) ile kristal (anizotrop ve iç yapının süreklilği) arasında bulunmak-tadır. Sıvı kristaller, sıcaklığın artmasına bile yan bağları sıvı-kristal oluşturarak muhafa-za eden, moleküllerinin asimetrik şekli olan bileşenlerde karşımıza çıkmaktadırlar. Sıvı kristal için örnek şekil 1.9 a’da gösterilmiştir, şekil 1.9 b’de ve şekil 1.9 c’de sırasıyla yapı-ların kristal ve sıvı halleri gösterilmiştir.

Şekil. 1.9’da düzenlilik dereceleri gösterilmiştir:

а) kristal hali – yönlü ve periyodik,

b) sıvı-kristal hali – yönlü ve periyodik olmayan,

c) izotrop sıvı hali – yönsüz ve periyodik olmayan.



а) kristal b) sıvı kristal c) izotrop

Şekil. 1.9 Düzenlilik derecesi

Polimerler, çok sayıda küçük molekülün birleşmesi ile oluşan uzun molekül zinci-rinin polimerizasyon süreci ile sentezlenmesi sonucunda oluşmaktadırlar. Makro mo-leküllerin uzun zincirinin düzenlilik derecesine bağlı olarak polimerler, kristal, amorf (polimer örneğinde bu hal camsal olarak adlandırılmaktadır) ve daha önce de belirtti-ğimiz sıvı-kristal veya sıvı halde (polimerlerde yüksek akışkan olarak adlandırılır) olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Ancak, polimerler için çok büyük elastik ve mekanik defor-masyonlara maruz kaldığı lastik yapı denilen durumu söz konusu olmaktadır. Polimer-ler, geçtiğimiz on yılda yapılan sentez ile elektrik iletkeni olarak uygulanması için çoklu potansiyel imkanları sunsa da, onun izolasyon karakteristikleri elektroteknik malzeme-lerinde özellikle büyük önem arz etmektedir. Bunun yanında, çok gergin durumda olan bazı polimerler ayrıca mekaniksel dayanaklık özelliklere de sahip olabilirler. Bu özellik, çelik ile karşılaştırıldığında, birkaç kat daha hafif ve daha ucuz olarak polimerlerin özel-likle hafif ve dayanıklı yapı malzemeleri olarak kullanılmaları mümkün olmaktadır.

1.5. YASAK ENERJİ BÖLGELERİNİN BÜYÜKLÜKLERİNE GÖRE ELEKTROTEKNİK MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI

1.5.1. YASAK ENERJİ BÖLGESİNİN OLUŞMASI

Malzemenin katı hal teorisinin ana görevlerinden biri, kristal yapının oluşması esna-sında atomların birbirine yakınlaşması ile birbiriyle izole edilmiş atomların elektronla-rının enerji seviyelerinin ayrık spektrumunun değişiminin incelenmesidir. Bu durumda kristal, çok sayıda atomdan oluşmuş devasa bir molekül gibi analiz edilebilir duruma gelir. Pauli dışlama prensibine göre aynı atomda iki elektronun bütün kuantum sayıları aynı olamaz, en az birinin özelliği farklıdır.

Kuantum sayıları atomdaki elektronların uzaysal yönlerini belirlediklerinden dolayı birden fazla elektronun aynı anda izin verilen durumlardan birinde bulunamayacağı



sonucu çıkmaktadır. Bundan dolayı atomun elektronlarının enerji seviyelerinde bölün-meler oluşur, toplamda bu enerji seviyelerine enerji bölgeleri veya bantları denir.

Şekil 1.10’da katı maddelerde izole edilmiş atomların yakınlaşarak oluşturdukları enerji bölgelerinin farklı seviyelere bölünmesi gösterilmiştir:

а) kristal yapının oluşması sırasında yakınlaşan atomlardan dolayı oluşan enerji böl-gelerin tek bir atomun elektronlarının enerji seviyelerinin parçalara bölünmesi,

b) kristaldeki atomlar arasında normal mesafe ile enerji bölgelerinin elektronlar ile doldurulması.

Bu bölünme atomlar arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak gösterilmektedir. Tüm seviyelerin eşit şekilde bölünmediği açıktır. Dış seviyeler daha çok bölünürler, bu seviye-lerde atom çekirdeğine en hafif şekilde bağlı olan elektron enerjileri mevcuttur. Atomlar yakınlaştıkça ilk önce burada bulunan elektronlar arası etkileşim meydana gelir. Enerji se-viyeleri atom çekirdeğine en yakın olan elektronlar kolay kolay serbest kalamazlar.

а) enerji seviyelerin oluşması b) bölgelerin oluşması

İletken bölgesi

Yasak bölge

Valans bölge

serb

est a

tom

un

elek

tron

ık b

ölge

si

Şekil.1.10 Enerji seviyelerinin grafiksel gösterimi

Şekil 1.10’da gösterilen enerji seviyelerinin toplamına serbest enerji bölgeleri denil-mektedir. Bu bölgeler söz konusu olan maddenin elektronlarının bulunabileceği enerji bölgelerini ifade ederler. Malzemenin elektriksel karakteristikleri söz konusu olduğun-da, tamamen ya da kısmen elektronlarla dolu olan valans bölgesi (izole edilmiş atomun enerji seviyelerine bölünmesi ile elde edilmiş) ve birinci yüksek serbest enerji seviyesi olarak tamamen boş veya kısmen elektronlarla dolu olan iletken bölgesi önem arz et-mektedir. Valans bölgesi altında kalan bölgeler çok küçüktürler ve elektronlarla dolu-durlar, bundan dolayı katı cisimlerde atomlar arası etkileşimlerde çok az yer almaktadır-lar. İletken bölge, adını bu bölgenin elektrik akımının iletilmesindeki mekanizmada olan rolünden dolayı almaktadır. Mutlak sıfır altındaki sıcaklıklarda şekil 1.10 b’de gösterilen iletken bölge tamamen boş olacak, valans bölgesine gelince o tamamen dolu olacak-tır. Sıcaklığın artması ile elektronlar valans bölgesinden iletken bölgeye geçmeye başlar dolayısıyla iletken bölge dolmaya valans bölge ise boşalmaya başlar.

Valans bölgesinin tepesi ile iletken bölgenin dibi arasında bulunan yasak bölge genişliği enerji boşluğu Eg (yasak bölge genişliği) olarak adlandırılır ve genelde eV (1eV 1.6 . 10-19 J)



ile ifade edilir. Enerji boşluğu ismi veya yasak bölge ismi burada elektronların, bu bölgenin içerisinde sahip olabilecekleri bir enerji seviyesinin olmamasından gelmektedir.

1.5.2. YASAK BÖLGENİN GENİŞLİĞİNE VE ÖZDİRENÇLERİNE GÖRE MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI

Yasak bölgenin ya da enerji boşluğunun genişliği, malzemenin elektrik enerjisini iletme konusundaki davranışları için hayati öneme sahiptir. Bu özellik elektroteknik malzemelerinin sıradaki gibi sınıfl andırılmaları için bir kriter olarak karşımıza çıkar: ilet-kenler, yarı iletkenler, dielektrikler.

İletkenler boş olan enerji seviyelerine sahiptirler ve bu bölge dolu olan valans böl-gesinin hemen üzerinde bulunmaktadır. Uygulanan elektrik yükü altında oluşan ener-jiden dolayı valans elektronları boş olan daha yüksek enerjiye sahip komşu bölgelere doğru hareket ederler ve devreden elektrik akımının akmasına sebep olurlar. Böyle bir durumun valans bölgesi ve iletken bölge birbirlerine dokunduklarında ve birbiri üzerine çıktıklarında gerçekleşmesi mümkün olmaktadır, daha doğrusu enerji boşluğu olmadı-ğında (Еg=0, yasak bölgenin genişliği sıfıra eşit olduğunda, şekil 1.11 a) gerçekleşir.

а) iletken b) yarı iletken c) yalıtkan

İletken

bölge

İletken

bölge

İletken

bölge

Valans

bölge

Valans

bölge Valans

bölge

Yasak bölge Yasak bölge

Şekil 1.11 Enerji bölgeleri (grafiksel gösterim)

Yarı iletkenler ve dielektrikler mutlak sıfır sıcaklığında yalıtkan malzemeler gibi dav-ranırlar, çünkü valans bölgeleri tamamen doludur, buna karşın iletken bölgeleri tama-men boş durumdadır. Bu şekilde valans bölgesinde bulunan elektronlar elektrik yükü taşıyıcıları olamazlar çünkü uygulanan elektrik alanı etkisi altında hareket edememek-tedirler, yani boş olan komşu enerji bölgelerine geçmeleri mümkün değildir. Bunun-la birlikte bu malzemeler fizikte tekrardan yarı iletkenler (Eg<3,5 eV) ve dielektrikler (Eg>3,5eV) (şekil 1.11 b ve c) olarak sınıfl andırılırlar. Böyle bir sınıfl andırmanın fiziksel açıdan uygun olduğunu söylemekte yarar var. Bu arada üç valanslı akseptör katkı mad-deleri (p tipi yarı iletken) ve beş valanslı donör katkı maddeleri (n tipi yarı iletken) ekle-yerek çok düşük sıcaklıklarda bile çok az sayıda elektriksel yük taşıyıcıya sahipler, oda sıcaklığında ise bu sayı oldukça büyümektedir. Katkı maddelerinin iyonize olmaları için nispeten küçük bir dış enerjiye ihtiyaç duyulmaktadır (ΔEg≈0,05 еV).



Şekil 1.12’de grafiksel olarak donör ve akseptör seviyelerinin konumları gösterilmiş-tir. Resimde de görüldüğü gibi her iki seviye yasak bölgede bulunmaktadır, donör se-viyesi iletken bölgenin hemen altında, akseptör seviyesi ise valans bölgesinin hemen üzerinde bulunmaktadır.

Çok az bir sıcaklık enerjisi, yarı iletkende bulunan donör katkısının çift oluşturama-mış beşinci valans elektronunun Еd donör enerji seviyesinden serbest elektron olarak serbest enerji seviyesine yani iletken bölgeye geçmesine olanak sağlar. Buna benzer şekilde, akseptör katkılı maddelerde, valans bölgesindeki elektron sıcaklı enerjisi ile ko-layca Еa serbest akseptör enerji seviyesine geçerek atomda dördüncü valans çiftinin oluşmasına sebep olur. Katkı atomuna geçen elektron katkısız olan atomda bir elekt-ron boşluğun meydana gelmesine sebep olur, bu boşluk elektrik alanı etkisi ile komşu valans elektronlarından ayrılan elektronlardan biri ile dolar ve bu şekilde elektronlara ters yönde bir hareketin meydana gelmesine sebep olur. Valans bölgesinde oluşan boş elektron durumu pozitif bir yarım parçacığın oluşmasına sebep olur, bu parçacık boşluk olarak adlandırılmaktadır. Yarı iletkenlerin davranışlarını analiz ederken aynı anda ser-best elektronların iletken bölgesinde ve boşlukların valans bölgesinde nasıl davrandık-larını dikkate almamız gerekir.

а) n tipinde donör seviyesi b) p tipinde akseptör seviyesi

Elektronların iletken bölgesi

Elektron ile dolu valans

bölgesiAks

eptö

r se

viye

si

Boş bölge

Boşlukların iletken Bölgesi

Don

ör

sevi

yesi

Şekil. 1.12 Katkılı yarı iletkenlerde enerji seviyelerinin grafiksel gösterimi

Şimdiye kadar yapılan malzemelerin enerji bölgelerinin sunumları grafiksel olarak gösterildiler. Şimdiye kadar malzemelerin enerji bölgeleri şema ile gösteriliyordu, an-cak fiziksel olarak tek kural, enerjinin elektron momentuma (p) göre fonksiyonuyla eş-değer olan enerjinin elektron dalga sayısına göre fonksiyonun E(k) diyagramının göste-rilişidir. Buna ek olarak, enerji boşluğunu doğrudan ve dolaylı olarak sınıfl andırabiliriz şekil 1.13 а ve b.

Doğrudan enerji boşluğu olan malzemelerde elektronlar, valans bölgesinin tepesin-de foton (ışık parçacığı) absorbe ederek, Eg enerji ile elektron momentumunda önemli bir değişiklik olmadan iletken bölgesinin altına yerleşebilmektedirler. Bu arada, malze-me dolaylı enerji boşluğu içeriyorsa, valans bölgesinin ucundan bulunan elektronun iletken bölgeye geçiş yapması için fotonlardan absorbe edilen enerji Eg’nin yanında önemli ölçüde momentum değişikliğinin de olması gerekir. Ayrıca dolaylı geçişlerde



elektron ve fotonların yanında ayrıca fononların (kristal kafeste titreşimler üreten ku-ant-parçacık) da olması gerekmektedir.

b) dolaylı enerji boşluğundaki dolaylı geçişle

İletken

Valans Valans

İletken

Foton

bölge

bölge bölge

bölge

Foton

Fonon

а) doğrudan enerji boşluğundaki doğrudan geçişler

Şekil. 1.13 Maddelerde bölgeler arası geçişlerin grafiksel gösterimi

Dolaylı geçişlerde geçişin oluşması, üç parçacığın aynı anda iştirak etmesinin gerek-liliğinde dolayı, sadece iki parçacıkla oluşan doğrudan geçişlere göre daha az olasıdır. Aynısı ters süreçler için de geçerlidir, burada elektronların iletken bölgeden valans böl-gesine geçişi foton emisyonu (serbest kalması) ile oluşur ve burada elektron boşluk ile rekombinasyon yapar. Rekombinasyon, elektronun iletken bölgeden boşluk bölgesine geçmesi yani valans bölgesindeki boşluk ile iki parçacığın nötrleşmesi sürecidir, daha doğrusu boşluk elektron ile doldurulur.

Malzemenin enerji boşluğu türünün farklılıkları yarı iletken uygulamaları için çok büyük önem arz etmektedir. Yük taşıyıcılarını yavaş rekombinasyon yapmaları transis-törlerde ve entegre devrelerde arzu edilmektedir. Bu şekilde söz konusu olan bu ele-manlarda ve bileşenlerde elektrik akımı kazancı daha büyük olmaktadır. Bu tür bile-şenler için dolaylı enerji boşluğuna sahip malzemeler daha uygun olmaktadır. Daha hızlı süreçler ise solar hücreler, fotoemisyon eleman (laser, LED diyot) uygulamalarında kullanılan yarı iletkenler için gerekmektedir. Burada daha hızlı emisyon gerekir, daha doğrusu Еg enerjisi ile fotonun absorbsiyonu gerekir ve bu yüzden doğrudan enerji boşluklu malzemelerin kullanılması daha uygundur.

Daha önceleri elektroteknik malzemelerin sınıfl andırılmasında genelde onların öz-dirençleri (ρ) kullanılmaktaydı. Bu sınıfl andırmaya göre, oda sıcaklığında iletken mal-zemelerin özdirençleri ρ ≈10-8-10-6Ωm’dir, yarı iletken malzemelerin ρ ≈10-8-1010Ωm’dir ve dielektrik malzemelerin ise ρ ≈106-1018Ωm’dir. Yarıiletken malzemelerin ve dielektrik malzemelerin özdirençlerinin değer aralıkları üs üste geldiklerinde enerji boşluğu bü-yüklüğüne göre sınıfl andırma yapmak, özellikle katkısız (saf ) ve diğer hatalardan arın-dırılmış malzemeler için daha uygun olmaktadır. Yukarıdaki iddiayı desteklemek açısın-dan mükemmel safl ık derecesindeki yarı iletkenler ile dielektrik malzemelerin mutlak sıfır sıcaklıktaki özdirenç değerlerinin sonuz doğru eğilimleri vardır.



Buraya kadar anlatılan elektroteknik malzemelerin iki farklı sınıfl andırılması da, hem enerji boşluğunun genişliğine göre sınıfl andırılma hem de özdirençlerine göre sınıf-landırılma, süper iletken malzemelerin ve manyetik malzemelerin sınıfl andırılmasında kullanılamaz. Bunun sebebi süper iletkenliğin ve manyetizmanın iletkenlik özellikleri ile aralarındaki temel mekanizma farklılıklarından kaynaklanmaktadır, ki bu özellikler daha sonra anlatılacaktır.

1.6. ELEKTROTEKNİK MALZEMELERİN MANYETİK ÖZELLİKLERİNE GÖRE SINIFLANDIRILMASI

Daha önceden bahsettiğimiz gibi, atom pozitif çekirdekten ve onun etrafında dönen elektronlardan oluşmaktadır. Çekirdek kendi yörüngesi etrafında (çekirdek spini), elekt-ronlar ise çekirdek etrafında ve kendi yörüngeleri (elektronlar spini) etrafında dönmek-tedirler. Bu dairesel hareketler sonucunda atomda elementer manyetik moment, yani elementer manyetik dipol oluşur. Diamanyetik malzemeler manyetik malzemelerdir-ler ve enerji seviyeleri tamamen doludurlar, öyle ki manyetik momentleri sıfırdır. Dış manyetik alan etkisinde kaldıklarında manyetize olma durumları çok zayıftır, manyetik alan etkisi ile orantılıdır ve yönü de alan ile ters yöndedir (bu malzemeler manyetik alan yönü ile ters yönde manyetize olurlar).

Tamamen dolu olmayan ve belirli elektron seviyeleri olan malzemeler, daha doğrusu sürekli manyetik momentleri bulunan malzemeler, manyetik özelliklerine bağlı olarak dörde ayrılırlar: paramanyetik, ferromanyetik, antiferromanyetik ve ferrimanyetik.

Paramanyetik maddeler, atomlar arası etkileşimi çok düşük olan, dış manyetik alan yokluğunda manyetik dipolleri kaotik durumda olan ve toplamları hemen hemen sıfır olan manyetik malzemelerdirler. Dış manyetik alan etkisinde kaldıklarında manyetize olma durumları çok zayıftır, manyetik alan etkisi ile orantılıdır ve yönü de dış manyetik alanı yöndedir, dış manyetik alanı etkisi dışına çıktıklarında manyetize olma durumları kesilir.

Ferromanyetik maddeler (demir, kobalt, nikel), manyetik dipollerini birbirine paralel olacak şekilde konumlandırma eğilimindedirler, bu şekilde aynı yönlü manyetik dipolleri olan. Aynı yönlü dipoller bir etki alanı oluştururlar ve her etki alanı sürekli bir mıknatıstır. Dış manyetik alan etkisi altında dipol etki alanlar manyetik alan yönüyle aynı yöne yöne-lirler ve bu şekilde maddede yüksek mıknatıslaşma elde edilir. Oluşan mıknatıslaşma dış manyetik alnın kuvvetiyle orantılı değildir.

Antiferromanyetik ve ferrimanyetik maddelerde dipoller birbirine paralel olmaya-cak şekilde konumlanma eğilimindeler. Ferrimanyetik malzemelerin manyetize olmaları büyük olasıdır, antiferromanyetik malzemelerin manyetize olmaları sıfıra eşittir. Oluşan mıknatıslaşma dış manyetik alanın kuvvetiyle orantılı değildir. Nispi manyetik geçirgen-lik veya permeabilite, bir malzemenin manyetik alan etkisinde mıknatıslaşma yeteneği kazanmasını açıklayan bir büyüklüktür. Vakum için değer μr=1, diamanyetik malzemeler için μr<1, paramanyetik malzemeler için μr>1, ferromanyetik ve ferrimanyetik malzeme-ler için ise μr >>1 olur. Ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler daha belirgin manye-tik özelliklere sahiptirler ve manyetik malzemeler gibi tanımlanırlar.



TEKRARLAMA SORULARI

1.1. Atomu oluşturan parçalar hangileridir?

1.2. Temel elektriksel yük miktarı ne kadardır?

1.3. Malzemelerin özellikleri neye bağlıdır?

1.4. Elektroteknik malzemeleri hangi hallerde bulunabilirler?

1.5. Monokristal ve polikristal arasındaki farkı açıklayınız?

1.6. Amorf maddeleri, sıvı kristalleri ve polimerleri açıklayınız ve karşılaştırma ya-pınız.

1.7. İyonik bağ nasıldır ve hangi malzemelerde bulunmaktadır?

1.8. Kovalent bağını açıklayınız.

1.9. Kristallerde ne tür kusurlar bulunmaktadır?

1.10. Hangi enerji bölgeleri mevcuttur?

1.11. Yasak bölgenin genişliğine bağlı olarak elektroteknik malzemelerde ne gibi farkların olduğunu açıklayınız?

1.12. Farklı tür yarı iletkenlerde ne gibi rekombinasyon süreçlerine gerek vardır?

1.13. Elektroteknik malzemelerin sınıfl andırılmasında kullanılan kriterleri sayınız?

1.14. Manyetik özelliklerine göre malzemelere nasıl sınıfl andırılırlar?

2.İletken

malzemeler

2.İletken

malzemelerBu başlık altında sıradaki konular işlenecektir:

İletken malzemelerin özellikleri

Elektriksek özellikleri

İletkenlerin diğer önemli özellikleri

İletken madde türler

Öz iletkenliği yüksek olan metaller

Süper iletkenler

Düşük öz iletkenliğe sahip elektrik malzemeleri ve dirençli malzemeler

Özel iletken malzemeler

İLETKEN MALZEMELER 25


2.1. İLETKEN MALZEMELERE GİRİŞ

Daha önceki konularda, iletkenlik derecesi, elektriksel yük taşıyıcıları (iletme şekli) ve madenin halleri bakımında değişik tür ve yapıda iletkenlerin olduğunu belirtmiş-tik. Aynı şekilde iletken malzemelerin enerji boşluğunu yani yasak bölgesinin olmadı-ğı da söylenmişti. İletkenlerde valans bölgesi ve iletken bölge üs üste gelmektedirler ve özdirençleri 10-8 ile 10 -6 Ωm sınırları arasında değişmektedir. Yasak bölge olmadı-ğından dolayı iletken bölgede serbest elektronlar mevcuttur, bu serbest elektronlar mutlak sıfır sıcaklığı üzerindeki sıcaklıklarda ısıyı bir dış enerji olarak kabul ederler ve kaotik bir şekilde hareket etmeye başlarlar. Eğer bu iletken malzemeyi E kuvvetinde bir dış elektrik alanı etkisi altında bırakırsak, malzemede serbest dolaşan elektronlar E dış elektrik alanı yönüyle ters olacak şekilde hareket etmeye başlayacaklar. Elekt-ronların kristal yapının üzerinde yönlü hareket etmeleri bir elektrik akımının akma-sına neden olur, sonuç olarak böyle bir hareketin oluşması söz konusu olan iletken malzemeden elektrik akımının akması demektir. Elektrik akımının oluşmasına sebep olan elektronlara serbest elektronlar denir, bu elektronların sayısı ve karakteristikleri o iletken malzemenin elektriksel özelliklerini belirlemektedir.

Elektriksel yük taşıyıcıları bakımından iletkenleri, birini sıradan iletkenler (metal-ler ve bunların alaşımlar, burada elektriksel yük taşıyıcıları elektronlardırlar) ve ikinci sıradan iletkenler (elektrolitler, burada elektriksel yük taşıyıcıları iyonlardırlar) olarak sınıfl andırırız.

Elektrik iletkenlik derecelerine bağlı olarak metaller ve onların alaşımları dört önemli grup şeklinde sınıfl andırılırlar: yüksek elektriksel iletkenliğe sahip metaller, düşük elektriksel iletkenliğe metaller, dirençli metal alaşımlar ve özel iletken malze-meler. Yüksek elektriksel iletkenliğe sahip metaller (bakır (Cu), alüminyum (Al), gümüş (Аg), altın (Au)) özdirençleri en düşük olan malzemelerdirler (ρ~10-8 Ωm) ve bu yüz-den iletken yapımında kullanılmaktadırlar. Düşük elektriksel iletkenliğe sahip metaller (nikel (Ni), demir (Fe), kalay (Sn), kurşun (Pb), molibden (Мo), volfram (W), platin (Pt), çinko (Zn) vb.) daha yüksek özdirence ρ~10-7 Ωm) sahiptirler ve elektroteknikte spesi-fik durumlarda kullanılmaktadırlar. Dirençli alaşımlar (kanthal, manganin, konstantan vb.) tüm iletkenler arasında özdirençleri (ρ ~10-6 Ωm) en yüksek olan metal alaşımlar-dırlar ve bu yüzden ısıtma telleri ve direnç yapımında kullanılırlar. Özel iletken malze-meler, termoelektrik bağ, lehimleme, sigortalar, elektrik kontakları, galvanize eleman-lar, akümülatörler vb. elektrik elemanların ve cihazların yapımında kullanılırlar. Özel uygulamaları nedeniyle, ayrıca kullanılacak iletken malzemelerinin büyük boyutlarda olması gerekliliğinden dolayı, hemen hemen her zaman polikristal yapılı iletkenler kullanılmaktadır. Diğer yandan üretimleri sırasında uygulanan mekanik ve termik sü-reçler bu iletkenlerin özelliklerini belirlemekte en büyük etkendir.

26 İLETKEN MALZEMELER


2.2. İLETKEN MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ

2.2.1. ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLER

Yarı iletkenlerden farklı olarak, iletken maddelerde elektriksel yük taşıyıcıları sadece elektronlardırlar, bu elektronlar, metal katyonların kristal kafesine batırılmış olan elekt-ron gazı şeklinde davranırlar. Metallerde özdirenç (ρ) ifadesi sıradaki denklem ile ifade edilir:

nne ��

��

11 (2-1)

Burada σ öziletkenlik, n- iletken elektronların yoğunluğunu ve μn - elektronların mad-dedeki hareketlerini ifade etmektedir. İletken elektronların yoğunluğu sıcaklığa göre sabit (çünkü tüm valans elektronları halihazırda serbest bulunmaktadırlar, daha alt elektron seviyelerinde bulunan elektronlar düşük sıcaklıklarda çok zor iyonize olmak-tadırlar) olduklarını göz önünde bulundurursak, sıcaklık bağımlılığı katsayısı ρ(Т)’nun sadece μn(T) elektron hareketliliği katsayısına bağlı olduğu sonucuna varmaktayız. Bundan dolayı metallerde özdirencin sıcaklığa olan bağımlılığı analizi yapıldığında hareketlilik pek kullanılmaktadır (yarı iletkenlerde olduğu gibi, burada doğrudan ρ(Т) analizi yapılmaktadır).

Öziletkenlik (а) ve özdirenç (ρ) sıcaklığa, malzemenin safl ığına ve işlenme şekline göre bağımlılık göstermektedir. Sıcaklığın artması iletken malzemenin özdirencinin de-ğeri de artmaktadır. Malzemenin direncinin sıcaklığa olan bağımlılığı direnç sıcaklık katsayısı αt ile ifade edilir ve değeri 1оC’lik sıcaklık artışında meydana gelecek direnç değişikliğinin değerine eşit olmaktadır.

t

ttt R

RRtt

��

�� 1

1

1� (2-2)

Direnç, eğer αt direnç sıcaklık katsayısının değeri 20оC (α20) için biliniyor ise (bu değer tablodan okunabilir), belirli bir t sıcaklığında aşağıda verilen formül kullanılarak hesap-lanabilir.

Rt=R20[1+�20(t-20)] (2-3)

Direnç sıcaklık katsayısının αt değeri pozitif (metaller için) ve negatif (elektrolitler, grafit ve bazı alaşımlar için) olabilmektedir.

Metallerin özdirençlerinin değişiminin sıcaklığa olan bağımlılığı, şekil 2.1’de bakır için örnek olarak gösterilen ρ(Т) diyagramı ile analiz edilecektir. Diyagramda dört farklı sıcaklık aralığı ile karşılaşmaktayız. Birinci aralıkta (I), 0К ile Т1 arasındaki sıcaklığın ifade edildiği aralık, burada özdirencin sabit olduğunu görmekteyiz, çünkü çok düşük sıcak-lıklarda (<10 К) kristal kafesteki bakır iyonlarının titreşimleri ihmal edilecek derecede düşüktürler.



Ayrıca çok düşük sıcaklıklarda, sıcaklık değişimlerinin kristal kafesin kusurları bakı-mından etkisi önemsizdir. Metallerdeki minimum özdirenç değeri azaltılmış elektriksel özdirenç (ρz) olarak adlandırılır ve değeri metalin kimyasal olarak saf olmasına, türüne ve kusurlarına bağlıdır. Metal iletken içerisinde birden çok kusur barındırması duru-munda, ρz değeri o kadar daha büyük olur, bununla beraber artan herhangi bir sıcaklık-ta da özdirenç değeri daha büyük olacak.

Şekil. 2.1 Bakırın özdirencinin sıcaklıkla olan ilişkisi

II. bölgede özdirenç çok hızlı bir şekilde yükselmeye başlar, Т5 kuralına göre, daha sonra üçüncü bölgede (III) T ile orantılıdır. Lineer olan bu bölge genelde elektroteknikte metal iletkenlerin çalışma bölgesi olarak uygulanmaktadır. Bu bölge için sıradaki bağ-lantı geçerli olmaktadır:

�� ottot tt � � �� 1 (2-4)

Burada βt elektriksel özdirencin sıcaklık katsayısını ifade etmektedir. Erime sıcaklı-ğının çevresinde (T3), ρ(Т)’daki değişiklik lineer bağımlılık özelliğini kaybetmektedir. Bundan sonra metalde erime meydana gelir, metal amorf duruma geçer ve dördüncü bölgede (IV) özdirenç değerinde (sıçramalar) dalgalanma meydana gelir.

Herhangi bir metalin safl ık yüzdesi daha büyük ise ve serbest dolaşan elektron sayısı daha çok ise, metal iletkenin iletkenliği de o kadar yüksek olur ve tersi olarak, metal iletkenin safl ık yüzdesi ne kadar az ise, yani metal çok sayıda katkı maddesi içerirse o zaman iletkenliği o kadar azalacaktır. Katkı maddeleri özellikle düşük sıcaklıklarda daha çok etki etmektedirler.

2.2.2. İLETKENLERİN DİĞER ÖNEMLİ ÖZELLİKLERİ

İletken uygulamalarında, elektriksel özelliklerin yanında, sıcaklık, yapısal, mekaniksel, kimyasal özellikler de çok önemlidirler, özellikle bu özelliklerin birbiriyle olan ilişkileri.



İletken malzemenin karakteristik olan fiziksel özelliklerinden bazıları: özgül ağır-lık, öz ısı, ısıl iletkenlik, erime noktası ve lineer ısı genleşme katsayısı. Özgül ağırlık bir maddenin bir metre küp içerisindeki kütlesinin kilogram cinsinden ifade edilmesidir (bir maddenin birim hacminin ağırlığıdır). Öz ısı (özgül ısı) bir maddenin bir gram mik-tarının sıcaklığını 1oC artırmak için gerekli olan sıcaklık miktarıdır. Isıl iletkenlik, zaman biriminde 1oC sıcaklık farkında madde üzerinden aktarılan sıcaklık miktarıdır. Metalin ısıl özellikleri, iletken elektronların üzerinden sıcaklığın taşınması ile ve kristal kafesin titreşimleri (fononlar) sonucunda ortaya çıkmaktadır. Dielektrik maddelerden farklı ola-rak, iletken maddelerde elektronların ısı iletimi mekanizması daha baskındır. Lineer ısı genleşme katsayısı, sıcaklığın 1оC değişimi için maddenin kaç mm için uzayacağını ifa-de eden katsayıdır.

İletken yapı, geniş açıdan bakıldığında, genelde düzgün yönü olmayan monokris-tal taneciklerden oluşmuş polikristal bir yapıdır. Bundan dolayı metallerin makro özel-likleri monokristallerin özelliklerine göre önemli ölçüde daha az anizotropdurlar. Kristal tanelerinin ölçek ve oryantasyonlarına önemli ölçüde termik ve deformasyon işlemleri-nin koşulları etki etmektedir.

İletkenin en önemli mekanik özellikleri: orantısal sınır, esneklik sınırı, akışkanlık sı-nır, çekme mukavemeti, uzama, sertlik ve dayanıklılık. İletken maddelerin çekme mu-kavemeti davranışlarına göre iki gruba ayırabiliriz, bunlar: plastik ve elastik-plastik mal-zemeler. Şekil 2.2’de gerilim diyagramı gösterilmiştir, burada yumuşak bakır için birim uzama ve esnek-plastik yumuşak çelik için birim uzam gösterilmiştir.

а) plastik (yumuşak bakır) b) esnek-plastik (yumuşak çelik)

Şekil. 2.2 Gerilim etkisi altında malzemelerin uzaması diyagramı

Orantı sınırı (аpr), birim uzama ile gerilim arasındaki (tüpün ilk halinin kesitinin birim alan başına düşen kuvvet, yani standart boyutlarda bir malzemenin incelenmesi) birim alan başına kuvvet) lineer ilişkiyi ifade eder. Esneklik katsayısı (ае), malzemenin dış kuv-vetlerin etkisinden çıkınca üzerinde sürekli oluşacak uzama deformasyonunun değeri 0,01% ile 0,005% arasında kalmasına neden olan gerilimdir.



Akışkanlık sınırı (аv), çok küçük kuvvetlerde malzemenin önemli plastiksel deformas-yonların oluştuğu gerilimi ifade eder; plastik malzemeler için akışkanlık sınırı %0,2’lik bir uzamanın sürekli hale gelmesine sebep olan gerilim tanımlanır ve sınır olarak %0,2’lik değer belirlenir. Gerilme sertliği (аm), malzemenin ilk haline göre birim alan üzerinden maksimum gerilim kuvveti üreten bir gerilime karşılık gelmektedir. Uzama (E), malze-menin o anki birimi uzunluğunun başlangıç birim uzunluğuna oranı, yüzdesel olarak ifade edilmesidir. Setlik, belli bir şekli olan çok sert bir madde kullanarak (çelik bilyeler veya dört köşeli elmas piramit) metal yüzeyinden içeriye doğru aşındırma yapılırken gösterdiği dirençtir ve oluşan izin uygulanan basınç gücüne olan oranı temsil eder. Da-yanıklılık, metalin tek bir hamle ile kırılması birim alan kesiti başına harcanması gereken iş olarak tanımlanır.

İletken malzemelerin temel kimyasal özelliklerinden bir tanesi onun korozyona karşı dayanıklı olmasıdır. Korozyon etkisi altında metalin dayanaklığı, setliği, azalır, me-tal yorgunluğu ve aşınması artar, eskimesi hızlanır ayrıca rengini ve parlaklığını kaybe-der. Mekani k ve teknolojik özelliklerinin bu değişiklikler, malzemenin korozyona karşı direncinin bir göstergesi olarak karşımıza çıkmaktadır.

Teknolojik özellikler bakımında metalin soğuk süreci (haddeleme, dövme, ekstrak-siyon) dayanıklılığını artırmaktadır, sıcak prosesi (demir döküm) ise onun iletkenliğini arttırmaktadır.

Maddelerin optik özellikleri üzerlerine düşen ışık sonucunda kazandıkları özellikleri ifade etmektedir. Maddelerin optik özellikleri, onların ışıklandırmada (madde tarafın-dan ışığın yayılması), foto iletken, solar hücre, fiber optik ve telekomünikasyon alanın-da kullanılmalarına neden olur.

Genel olarak, katı cisimler üzerine ışık düştüğünde bir kısmı yansır, bir kısmı absorbe edilir, bir kısmı transfer edilir ve bir kısmı kırılır.

Toplam ışığın şiddeti I0 ayrı ayrı tüm ışık şiddetlerin toplamına karşılık gelmektedir.

IR = IR+ IT+ IA + IS (2-5)

Metallerde karakteristik optik özelikler ışığın emilmesi ve ışığın yansıması olarak karşımıza çıkmaktadır. Metal üzerine ışık düştüğünde fotonlar valans elektronları tara-fından emilirler, bu durumda valans elektronları daha yüksek enerji seviyesine geçerler. Lineer ışık emilmesi karakteristik bir büyüklük olarak karşımıza çıkmaktadır. Tersi olarak, yansıma süreci, karşımıza metal elektronunun foton şeklinde ışık yaması şeklinde kar-şımıza çıkar, öyle ki elektron ışık yayarak daha düşük enerji seviyesine geçer. Yansıyan ışığın frekansı daha önceki durumda foton şeklinde metal üzerine düşen fotonun fre-kansı ile aynı değerdedir. Metaller yüksek yansıma değerleri (IR/I0 yansıma değeri 0,90% ile 0,95% arasındadır, yani parlak maddelerdirler) ile karakterize edilirler. Sonuç olarak, metaller üzerine düşen ışığın hemen hemen tamamını yansıtırlar.



2.3. İLETKEN MADDE TÜRLERİ

2.3.1. ÖZİLETKENLİĞİ YÜKSEK OLAN METALLER

En önemli elektroteknik malzemeler, özellikle enerji açısında öz iletkenliği yüksek olan metaller karşımıza çıkmaktadırlar. Günümüzde, iletken tesisat kabloları, enerji ta-şıma hatları, özellikle endüstri ve insanların günlük yaşamları açısından vazgeçilmez-dirler. Ayrıca iletken teller elektronikte bağlantıların oluşturulması, katmanlar arası tabakaların yapımı ve daha çok yerlerde karşımıza çıkarlar ki bu cihazlar da mutlaka insanların günlük hayatlarını etkilemektedirler.

2.3.1.1. BAKIR, ALÜMİNİYUM, GÜMÜŞ VE ALTININ ÖZELLİKLERİNİ KARŞILAŞTIRMA YAPARAK ANALİZ ETMEK

Bakır (Cu), alüminyum (Al), gümüş (Ag) ve altının (Au) en yüksek öz iletkenliğe sahip metaller olduklarını gö z önünde bulundurarak, bu metallerin tablo 2.1 de gösterilen en önemli parametreleri baz alınarak karşılıklı olarak özelliklerinin analizini yapacağız.

Ağ karşımıza en düşük özdirence sahip metal (ρ) olarak çıkmaktadır, fakat fiyat göz önünde bulundurulduğunda tel iletkenlerin yapımında Cu ve Al daha büyük önem ta-şımaktadırlar. İletkenlik özellikleri bakımından Cu Al’ya göre daha iyi bir metaldir, özel-likle izolasyonlu tesisat kablolarında elektrik akımının iletilmesi için (ç alışma gücü 1kV ve daha düşük) yarım yumuşak ve sert bakır, elektrik makinelerinde ve elektrikli cihaz-larında ise yumuşak bakır kullanılmaktadır.

An cak, daha düşük maliyet açısından Al giderek toprakaltı enerji kablolarında (ça-lışma gücü 1kV den daha yüksek hatlarda) uygulanmaya başlanmıştır. Ayrıca düşük öz kütleye sahip olduğundan trafolardan son kullanıcılara kadar olan hava elektrik dağı-tım hatlarında (mekanik zorluklara dayanıklı o lduklarından) kullanılmaktadır.

Gerilme direnci (σm) ve sertliği (HB) bakırın Cu daha büyüktür, ancak alü minyum – alder alaşımı uzak hava enerji hatlarında iletken kablo yapımı için gerekli sertliği sağ-lamaktadır, fakat bu amaç için yinede yarım sert ve sert bakır ve bakır alaşımları da kullanılmaktadır. Bakır alaşımlarından bazıları: Mg, Sn, Cd, Zn elementlerinin belirli yüz-delerini içeren bronz (Bzl, II veya III), bakır ve çinko (Zn), messing (iletken üzerinde Ms işareti ve iki rakamlı bir sayı içerir, bu sayı bakır içeriğini ifade eder). Tüm bu alaşımlar bakıra göre daha dayanıklı ve gerilmeye karşı daha dirençlidirler, ayrıca korozyona karşı dayanıklıdırlar. Kabloların yanında bu alaşımlar bağlantı uçları, sigortalar, konektörler, terminaller ve daha bir çok eleman parçası olarak kullanılırlar.

Mikro elektronikte 25 μm çapında ince iletken tellerin yapımı ve iletim tabakaları için (Al-SiO2 birleşmesinde oluşan mekanik dayanıklık ve ayrıca AL-Si bağlantı uçlarında yönlendirilmemiş omik kontaktörlerin oluşturulabilmesinden dolayı) genelde Al tercih edilmektedir. Alüminyumun düşük erime sıcaklığı (tt), onun MOS teknolojisinin uygu-landığı silisyum entegre devrelerinde kullanılmasını belirli ölçüde sınırlandırmaktadır. Özel entegre devrelerde daha iyi karakteristiklere sahip ince bağlantı tellerin yapımın-da Au kullanılmaktadır.



Tablo. 2.1. Daha önemli iletkenlerin ve onların uygulanmaları bakımından bazı önemli parametrelerin karakteristiklerin karşılaştırma tablosu

Al Ag Au

� (�m) 1,7241·10-8 2,78·10-8 1,65·10-8 2,35·10-8

��

��

�� sV

cmn

2

� 32 12 56 30

��

��

�KmW

390 230 420 295

t1(°C) 1.083 660 961 1.063

��

��

3cmg

m� 8,92 2,70 10,49 19,32

��

��

2mmN

m� 200 - 450 70-170 - -

��

��

2mmNHB 400 - 950 170-350 250 180

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

Yüksek iletim özelliklerine sahip malzemelerin sigortaların (Al, Ag) ve termokuplar-ların (Cu, Ag) yapımında önemli yer tutmaktadırlar. Bu elemanlar için daha detaylı bilgi ileriki konularda verilecektir.

C u P a rametre

Fiyat düşük en düşük yüksek çok yüksek

Uygulama

iletkenler, kablolar, hatlar

alaşımlar: messing (kontaktörler, terminaller)

bronz (hatlar, süper iletken matrisleri), alaşım derecesi düşük alaşımlar (kontaklar, kolektör plakları, anahtarlama levhaları)

termokuplar

kablolar, hatlar

entegre devreler

iletken katmanlar

süper iletken matrisleri

alaşımlar: alder (hatlar, yapı malzemeleri)

sigortalar

kontaklar

termokuplar (alçak- sıcaklıklar)matrisler (yüksek- sıcaklık süper- iletkenler)

özel kontaklar

entegre devrelerde özel bağlantılar

termokuplar (alçak sıcaklık-lar için)



Bunun dışında, çoklu fiber süper iletken tellerin yapımında, efektif yardımcı soğut-manın (sıvı He veya sıvı N2) kullanıldığı, mekaniksel bakımdan çok sağlam bir yapı sağ-layan kompozit metal matrisler (bronz, Cu, Al, Ag) kullanılmaktadır. Kompozit yapı (kar-maşık yapılı metal) iki farklı türden malzemenin karıştırılması ile elde edilir, genelde bu malzemelerden biri daha dayanıklı diğeri ise daha sert yapıya sahiptir. Her ne kadar bu tür kompozit yapılar iletkenin mekaniksel özelliklerini iyileştirmek için kullanılsa da, ayrıca süper iletken kompozit çoklu fiber (eğilme dereceleri yüksek) iletkenlerin yapı-mında da kullanılmaktadır.

Ayrıca belirtilmelidir ki, soğutma bu tür iletkenlerin ısıl iletkenliği açısında, özellikle yüksek manyetik alanı etkisi altında süper iletken malzemelere için bu değer alümin-yumda bakıra göre daha yüksek olabilmektedir (düşük manyetik alanı için tersi bir du-rum ile karşılaşırız).

2.3.2. SÜPER İLETKENLER

Süper iletken maddelerin öziletkenliklerinin en yüksek olduğunu göz önüne bu-lundurarak, düşük öz iletkenliğe sahip maddelerin analizine geçmeden önce, elektro-teknikte her gün daha çok kullanım alanı bulan bu maddeler hakkında bazı bilgilerin paylaşılması faydalı olacaktır.

Süper iletkenlik, maddenin özdirencinin değerinin aniden sıfıra düşmesi ya da kı-sacası ortadan kaybolması olayıdır. Bazı maddelerde ise mutlak sıfıra yakın bir değere düşmesi yani kritik sıcaklık (Tc) seviyesine ulaşması olayıdır. İlk olarak deneysel an-lamda, süper iletkenlik olayını, Hollandalı bilim adamı Kamerling Ones 1911 yılında cıvanın davranışlarını inceleyerek ortaya koymuştur.

On yıllar öncesine kadar bilinen en yüksek kritik sıcaklık eşik değeri yaklaşık olarak 23,2 К’di (Nb3Ge için), öyle ki bu süper iletkenlerin soğutulması için sıvı helyumun (kaynama noktası 4,2К) kullanılması gerekmekteydi. Fakat, 1986 yılında yüksek ısıya dayanıklı oksit seramikler olarak adlandırılan yeni tür süper iletkenler keşfedilmiştir. Kısa sürede bu maddelerin kritik sıcaklık eşik seviyesi 100 K olduğu tespit edilmiştir. Bu seviye bu maddelerin sıvı azotla (kaynama noktası 77,3К) soğutulabilecekleri an-lamına gelmektedir ki sıvı azot sıvı helyumdan yaklaşık olarak 100 defa daha ucuzdur. Geçtiğimiz yıllar içerisinde yapılan bu keşifl er bu alanda yeni araştırmaların ve yeni yatırımların yapılmasına neden olmuştur. Bu araştırmaların ve yatırımların sonucunda önümüzdeki yıllarda, aynen daha önce yarı iletkenlerde olduğu gibi, elektroteknikte yeni teknolojik bir devrimin yaşanacağı tahmin öngörülmektedir. Bu yolda süper ilet-kenlerin kritik akım yoğunluğunun (Јc) artırılması gerekir, ayrıca elektronikte (entegre devrelerde) pazar paylarını artırmaları, enerjide (kablolar, jeneratör sargıları, motorlar, mıknatıslar, elektrik donatımları vb), ölçme tekniğinde (yüksek çözünürlükte kuan-tum interferometreler - Michelson girişimölçeri) daha geniş kullanım alanı elde etme-leri gerekir.



2.3.2.1. SÜPERİLETKENİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ

Özdirencinin değerinin sıfıra ani düşüşünün (şekil 2.3) yanında, ayrıca T<TC şartı al-tında dış manyetik alanı etkisi altında kalan süper iletkenin üzerinde taşıdığı manyetik akının artması ile karakterize edilmektedir.

Şekil 2.3 ρ’nun sıcaklık değişimi

Şekil 2.4 а şıkkında normal iletken, şekil 2.4 b şıkkında ise süper iletken gösterilmiştir. Bu olaya Meissner efekti denir, ismini bu olayı 1933 yıllında keşfeden bilim adamından almaktadır. Bu özellik Meissner efekti olarak bilinmekte olup, kritik sıcaklığın altında-ki süper iletken bir malzemeye yüksek olmayan bir alan uygulandığında malzemenin bu manyetik alanı dışlaması prensibidir. Eğer daha önceden soğutulmuş süper iletken, kendi kritik manyetik alanından (Hc) daha büyük olan bir H manyetik alanı etkisi altına girerse, Meissener efekti oluşmaz ve hatta süper iletken kendi süper iletkenlik özellik-lerini kaybedecektir. Analog olarak bu efekt ayrıca süper iletken üzerinde daha büyük kritik yoğunlukta (Jc) bir akımın oluşmasına neden olacak bir akımın geçirilmesi ile de elde edilebilir, öyle ki, süper iletken telin yüzeyinde kritik manyetik alan (Hc) oluşacaktır. Süper iletken üzerinden akan akımın şiddeti belli bir değere ulaştığında üzerinde kritik manyetik alanı oluşmaya başlayacaktır. Bundan sonra madde süper iletkenlik özellik-lerini kaybetmeye başlayacaktır. Bu olayın oluşması anında kritik akım yoğunluğu (Jc) dediğimiz olay meydana gelir. Şimdiye kadar elde edilen kritik akım yoğunluğunun en yüksek değeri yaklaşık olarak 2 000 А/mm2 (Ti-Nb- Zr alaşımı için).

а) iletken b) süper iletken

Şekil. 2.4 Manyetik alan etkisi altında iletken ve süper iletkenin davranışları



Tablolarda TC, HC, ve JC değerleri, kalan diğer iki değerin yeterince küçük olması du-rumunda, genelde sadece tek bir değer gösterilmektedir. Genel olarak süper iletkenler için şekil 2.5’te gösterilen bir diyagram kullanılır. Burada süper iletkenlik durumu ifade edilir.

Şekil. 2.5 J, T, H koordinat sisteminde süper iletkenlik durumu

Elektroteknikte Josephson eklemleri (bağlantıları) adlandırılan yapı uygulanmakta-dır. Josephson eklemleri 10 nm kalınlığında ince bir oksit tabakası ile ayrılan iki süper iletken yapıyı ifade eder. Her iki iletkendeki elektronlar birbiriyle uyumlu şekilde hare-ket ederler ve bundan dolayı bu yapılarda süper ileti akımı var olmaktadır. Josephson eklemleri ultra yüksek çözünürlüğün kullanıldığı ölçme tekniklerinde büyük önem arz etmektedir, ayrıca gelecekte süper iletken mikro elektronik mantık devrelerinde süper anahtarlar gibi kullanılabilecekleri varsayılmaktadır.

2.3.2.2. SÜPER İLETKEN MADDELER

Uygun kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda süper iletim durumuna geçebilen yak-laşık 20’den fazla metal element bulunmaktadır. Fakat elementer süper iletkenlerin or-tak bir özelliği, kritik sıcaklık (Тс) değerlerinin düşük olmasıdır (metallerin bir çoğunun kritik kaynama noktası sıvı helyumun (Не 4,2К) kaynama noktasından daha düşük). Ayrıca kritik manyetik alanları (Hc) ve kritik akım şiddeti yoğunlukları (Jc) da düşüktür. Bu özellikler onların mikro elektronikteki mantık devrelerinde ve ölçme tekniğinde kul-lanılmalarını sınırlandırmaktadır. Süper iletkenlik ilk olarak kritik sıcaklığı 4.15°K olan cıvada keşfedilmiştir.

Temel süper iletken metallerin en önemli temsilcileri tablo 2.2’de de gösterilen kur-şun (Pb) ve niobyum (Nb) metalleridirler.



Elementer süper iletkenlerin özellikleri onların enerji alanında kullanılmaları için ye-terli değildir çünkü bu alanda Hc ve Jc değerlerinin çok daha yüksek olmaları istenmek-tedir.

İstenen bu özelliklere bazı süper iletken bileşimlerinde ve alaşımlarında karşılaş-maktayız. Bu türden en önemli süper iletkenler olarak niyobyum, kalay alaşımını ve ti-tan, niyobyum, zirkonyum alaşımını gösterebiliriz.

Şimdiye kadar bahsedilen süper iletken malzemeler kritik sıcaklığı Tc < 20 K olan dü-şük sıcaklıklı süper iletken kategorisine aittirler, uzun yıllar bu malzemeler için pek fazla bir önem gösterilmemiştir. Fakat 1986 yılının sonlarına doğru ve ileriki yıllarda yüksek ısıya dayanıklı oksit seramikler olarak adlandırılan ve kritik sıcaklığı daha yüksek olan yeni tür süper iletkenler keşfedilmiştir.

Tablo 2.2 Daha önemli süper iletkenlerin ve onların uygulanmaları bakımından bazı önemli karakteristiklerin karşılaştırma tablosu

Pb Nb Nb3Sn TixNbyZr1-x-y Yba2Cu3O7 Bi2CaSr2Cu2O8

Tc(k) 7,2 9,3 18,1 ~ 10 94 106

��

��

mkAH C 63,9 157,6 16.000 ~8.000 ~200.000 ~100.000

��

�� 2mm

AJC 25 80 1.300 ~2.000 ~100 ~100

(77.3K)

�

�

�

�

�

Karakte- ristkler

Soğutma ajansı

Sıvı He (4.2K) Sıvı N2

Uygulama alanları

Josephson eklemi (mantık devreleri, ultra yüksek çözünürlüklü ölçme tekniği)

Bz-matrisli süper iletken teller (elektro manyetik sargılar ~20T)

Cu veya Al matrisli süper iletken teller (süper iletken jeneratörlerin rotorlarının sargıları)

Potansiyel uygulama alanları:

Ag matrisli süper iletken teller (mıknatıslar, jeneratörler)

motorlar, süper iletken donatılar vb.)

süper iletken kablolar

Josephson eklemi (mantık devreleri, ölçme tekniği)

суперпроводни врски во Si-интегрални кола



2.3.2.3. SÜPER İLETKENLER VE KABLOLAR

Süper iletkenler süper olmayan iletken matrisin (örgünün) içine yerleştirilmiş çoklu süper iletken elyafl ardan meydana gelmektedir (şekil 2.6).

Şekil. 2.6 Süper iletken teller ve kablolar

Süper iletken elyafl arın kalınlıkları yaklaşık olarak 10-100 μm civarındadır, öyle ki bir süper iletken tel içerisini yüzlercesi hatta binlercesi yerleştirilebilir. Süper iletken olma-yan metal örgü olarak bronz, alüminyum, bakır ve gümüş kullanılır.

Süper iletkenlerin en önemli ve potansiyel kullanım alanlarından biri, gelecekte elektrik enerjisi kayıplarının büyük ölçüde azalmasına neden olacak, enerji süper ile-tim hatların hayata geçirilmesidir. Burada kesinlikle uzuz olan sıvı azot ile soğutulabi-len yüksek sıcaklıkta çalışabilen süper iletkenler bahsedilmektedir. Süper iletken kablo-larda, kablonun kendisi gibi S1 ve S2 sekonder sargılar da süper iletkenden yağılmıştır ve sıvı yardımcı soğutucu (helyum veya azot) içine batırılmış olmaları zorunludur.

Bu şekilde elektrik enerjisinin iletilmesinin en büyük zorluğu, enerji hattı boyunca süper iletken kabloların kritik sıcaklık seviyesi altında tutulmasının gerekli olmasıdır, bu gereklilik nispeten pahalı bir uygulamadır. Bu gibi enerji iletim hatlarının uygulana-bilirliği her şeyden önce ekonomik açıdan hesaplı olup olmadıkları ile alakalıdır. Hali-hazırda bu ve buna benzer uygulamalar niyobyum-kalay temelli süper iletken kablolar ile deneysel uygulamalar yapılmaktadır. İçi boş bir bakır borunun kullanıldığı ve bu iç tabakanın sıvı helyum ile soğutulmaktadır, ayrıca süper iletken kablonun dış etkiler-den korumak ve ısı yalıtımı yapmak için vakum – tabaka kullanılır (şekil 2.7). Malzeme teknolojisi hala son sözünü söylemiş durumda değildir ve yüz defa daha ucuz olan sıvı azotlu yardımcı soğutucunun uygulanabilir olması, yüksek sıcaklığa dayanıklı oksit se-ramik süper iletkenlerin gelişimini daha cazip yapar ve ekonomik açıdan hesaplı duru-ma getirir, bununla beraber süper iletkenlerin bu alanda uygulanabilir olmalarını müm-kün kılar. Bunların gerçekleşmesi durumunda 10 GVA enerji gücünün, 1.000 KV gerilim altında iletilmesi açısından hiçbir engel kalmayacaktır.



2.3.3. DÜŞÜK ÖZİLETKENLİĞE SAHİP ELEKTRİK MALZEMELERİ VE DİRENÇLİ MALZEMELER

Cu, Al, Ag ve Au hariç kalan diğer metallerin tamamı düşük öziletkenliğe sahip metaller-dirler. Bu metallerin elektriksel özdirençleri Cu, Al, Ag ve Au’dan 10 kat daha büyük olabil-mektedir (ρ≈10-7 Ωm). Diğer taraftan, dirençli malzemeler metal alaşımlar ve ametallerden oluşur, bu malzemelerin özdirençleri düşük öziletkenliğe sahip malzemelerde 10 kat daha büyüktür (ρ≈10-6 Ωm). Düşük öziletkenliğe sahip metallerinin çoğunun özel uygulama alanları vardır: ısıtma camları ve bantları (W, Mo, Pt vb.), termokuplerler (W, Mo, Pt, Ir, vb.), lehim (Pb, Sn, Zn vb.), buşonlu sigortalar (Ag, Al, Pt vb.), elektrik kontakları (W, Mo, Ni vb.), galvan elemanların elektrotları ve akümülatörler (Zn, Fe, Pb, Ni, Cd, Li, Na vb.), manyetik mal-zemeler (Fe, Ni, Co vb.), süper iletken malzemeler (Nb, Sn, Ti, Pb, Ta, La vb.), iletken ve dirençli pastalar, entegre devre hibrid katmanları (Ti, Ta, Pd, Pt, Nb и т.н.). Bu malzemeler hakkında daha detaylı bilgi bu kitabın ilgili bölümlerinde bulunabilir.

Yüksek dirençli iletken malzemeler, yüksek özdirence sahip iletken malzemeler-dirler. Bu malzemeler dirençler, ısıtıcılar, karbon fiber ısıtıcılar, termokupler vb. eleman-ların yapımında kullanılırlar. Kullanım alanlarına göre bu malzemeler şu şekilde sınıfl an-dırılırlar: ayarlamalı ve normal teknik direnç malzemeleri, hassas direnç malzemeleri ve ısıtıcı malzemeler.

1. sıvı helyum

2. niyobyum tabakalı süper iletkenin parçalara ayrılmış bakır borunun içine yerleşmiş faz iletkeni

3. düzgünleştirme karışımı

4. sıvı helyumlu kağıt izolasyon bandı

5. elektrostatik ekran

6. sıvı helyum

7. niyobyum tabakalı süper iletkenin parçalara ayrılmış bakır borunun içine yerleşmiş koruma iletkeni

8. kriyojenik kabuğun iç çubuğu

9. vakumlu süper izolasyonu

10. kriyojenik kabuğun dış çubuğu

11. PVC izolasyon

Elek

trik

böl

ümü

Koru

ma

band

ı

Şekil. 2.7 1,3 GW/110kv değerleri için kullanılan süper iletken kablonun yapısı



Bu malzemelerin sağlaması istenen karakteristikler şunlardır: olabildiğince yüksek özdirence (ρ) sahip olmalıdırlar, elektrik özdirençlerinin sıcaklık katsayısının olabildiğin-ce düşük olması istenir (βt), olabildiğince yüksek erime noktasına (tt), çalışma sıcaklığına sahip ve korozyon karşı dayanıklı olmaları istenir.

Aşağıdaki tabloda (tablo 2.3) en önemli direnç alaşımların (khantal, manganin ve konstantan) ve bir direnç elemanının (volfram) karakteristikleri gösterilmiştir.

Tablo 2.3 Yüksek dirençli malzemelerin uygulamaları ve karşılaştırmalı karakteristikleri

Fe0,705Cr0,230Al0,050Co0,015Cu0,86Mn0,12Ni0,0

2Cu0,54Ni0,45Mn0,01 W

�(�m) 145 . 10-8 43 . 10-8 44 . 10-8 5,6 . 10-8

�t(0C-1) 4,9 . 10-5 ±1 . 10-5 ±3 . 10-5 4,8 . 10-3

tt (0C) 1.520 960 1.270 3.380

tr(0C) < 1.300 < 200 < 500 < 2.500

��

�

�

�

�

�

�

Karakte-ristikler Kahantal А Manganin Konstantan Volfram

İçerik

Fiyat Düşük Düşük Yüksek Yüksek

Uygulama alanları

Isıtıcı teller ve bantlar

Hassas laboratu-var dirençleri

Normal ve ayarlamalı dirençler

termokupler

ısıtıcı lifl er

fırınlar-da ısıtıcı

boru içinde katot

termo-kupler

Tabloda da görüldüğü gibi en düşük öziletkenliğe (βt) sahip malzeme manganin alaşımı olarak karşımıza çıkmaktadır, bundan dolayı laboratuarlarda kullanılan hassas dirençlerin yapımında kullanılır. Fakat düşük çalışma sıcaklığından (tr < 2000C) dolayı normal standart dirençlerin ve ayarlamalı dirençlerin yapımında kullanılmamaktadırlar, bu elemanların yapımı için βt (±3. 10-5 ºC-1) değeri olan ve çalışma sıcaklığı (tr < 2000C) çok daha yüksek olan konstantan kullanılmaktadır.

Konstantan ayrıca negatif βt katsayısına sahip olma olasılığı onun regülasyon ve ölç-me cihazlarında kullanılan dirençlerin sıcaklık kompanzasyonu için kullanılmalarını el-verişli kılar. Konstantan termokupler yapımında da kullanılmaktadır.



Yüksek dirençli iletkenlerin ısıtıcı malzemesi olarak kullanılmaları için çalışma sıcaklık-larının (tr) çok yüksek olması gereklidir, ayrıca korozyona çok yüksek dayanıklılık göster-meleri gerekmektedir. Gereken diğer bazı özellikler ise özdirençlerinin (ρ) çok yüksek ve fiyatlarını ne kadar daha düşük olmasıdır. Saydığımız bu özelliklere en yakın duran ala-şım olarak karşımıza khantal A çıkmaktadır. Ametallerden bu gereksinim silisyum-kar-bür (SiC) ve elektrografit (C) kullanılmaktadır, bu malzemeler 2.000°C kadar çalışma sı-caklıklarına erişebilmektedirler.

Volfram (W), molibden (Mo), platin (Pt) gibi temel yüksek dirençli iletkenler malzeme-lerin 0 kat daha yüksek elektriksek özdirence (ρ) ve yüzlerce kat daha büyük βt değerine sahip olmalarına rağmen yine de ısıtıcı elemanlar olarak kullanılmaktadırlar. Kullanıldık-ları yerler ampüller (W), fırınlar (Mo, W, Pt), katot vakum tüplerde (W, Mo) vb yerler ola-rak sayabiliriz. W ve Mo ile korumalı iç atmosfer şartlarında çalışmak zorunludur, bu da onların işlenmelerinin maliyetini artıran sebeplerdir, fakat bu yöntem oksidasyon olma-yan Pt için gerekmemektedir. Tüm bu elementlerin çok yüksek çalışma sıcaklıkları vardır, 1.000°C daha yüksek, özellikle W elementinin çalışma sıcaklğı çok yüksektir (tr<2.500°C)

2.3.3.1. DİRENÇLER VE ISITICILAR

Dirençler elektronikte en çok kullanıla bileşenlerdirler, temel şlkevleri ise elektrik devresinde akım ve gerilim değerlerinin ayarlanmasında yardımcı olmaktır. Direnç ölçü birimi om’dur (Yunan alfabesine ait olan Omega - Ω işareti ile belirtilir). Om’un katları olarak “K” ile kilo om ve “M” mega om olarak gösterilir. Mesela 120.000 Ω de-ğerini onun 1000 katı olan 120K olarak gösterilmiştir, bir 1.200.000 Ω değerini onun bir milyon katı olan 1.2M olarak ifade ederiz. Bazı durumlarda 8 veya 120 değerleri direnç değerini Ω olarak ifade ederler, bazen ise E harfi kullanılır. Örneğin 120E (120R) işareti 120 Ω değerini ifade eder, 1E2 1R2 değerini ifade eder vs.

Direnç değerlerinin işaretlenmesi direnç gövdesi üzerinde yapılır. Dirençlerin bir çoğunun üzerinde 4 renk bandı kullanılır. İlk iki renk bandı direnç değerini, üçüncü band direnç değerinde kaç sıfırın bulunduğunu ifade eder. Kalan dördüncü band to-lerans değerini verir, tolerans değerleri genelde %5, %2 ve %1 olarak belirlenir. Tablo 2.4’te dirençlerin renk kodları ve karşılık gelen değerleri gösterilmiştir.

Elektroteknikte dirençleri bir çok şekilde sınıfl andırabiliriz. Sınıfl andırmalardan biri şu şekilde olabilir: sabit, değişken (potansiyometre) ve lineer olmayan dirençler. Yapı-larına göre dirençler: film dirençler, tel dirençler ve entegre devre dirençler olarak sınıf-landırılabilirler. Şekil 2.9’da bazı direnç tipleri gösterilmiştir.

Sabit dirençlerin temel özellikleri: nominal direnç, tolerans değerleri çalışma gücü ve gerilimi olarak sayabiliriz.

Çalışma gücü olarak bir direncin sürekli yük altındayken erişebileceği maksimum gücü ifade eder. Dirençler genelde 0,125 W; 0,25 W; 0.5 W; 1 W gibi güç değerleri ile çalışmaktadırlar.

Çalışma gerilimi direncin çalışabileceği DC gerilim veya AC efektif gerilimin sınır de-ğerini ifade eder. Bir direnç için izin verilen çalışma gerilimler: 75 V, 100 V, 150 V, 250 V, 350 V, 500 V, 1000 V, 1500 V vb.



Şekil 2.8 Dirençlerde kodlama çeşitleri

Normal çalışma şartları altında direncin değeri ve ona izin verilen tolerans değerle-ri gövde üzerinde işaretlenmektedir. Bu tür işaretlemeler için belirli standartlar vardır: harfl er, rakamlar veya değişik renkler kullanılır.

X 0,01 � ±10%

X 0,1 � ±5%

0 x 1 �

1 x 10 � ±1% ±100·10-6/K

2 x 100 � ±2% ±50·10-6/K

3 x 1 k� ±15·10-6/K

4 x 10 k� ±25·10-6/K

5 x 100 k� ±0,5%

6 x 1 M� ±0,25% ±10·10-6/K

7 x 10 M� ±0,1% ±5·10-6/K

8 x 100 M�

9 x 1 G� ±1·10-6/K

Renk Rakam Çarpan Tolerans TC*

GümüşGümüş

SarıSarı

BeyazBeyaz

AltınAltın

SiyahSiyah

KahverengiKahverengi

KırmızıKırmızı

TuruncuTuruncuTuruncu

YeşilYeşil

MaviMavi

MorMor

GriGri

* TC – SMD elemanlar için sıcaklık katsayısı

Birinci sayıİkinci sayıÇarpanTolerans

A - Birinci sayıB - İkinci sayıC - Üçüncü sayıD - ÇarpanE - ToleransF - Sıcaklık katsayısı

A - Birinci sayıB - İkinci sayıC - sıfır sayıları

Birinci sayıİkinci sayıÜçüncü sayıÇarpanTolerans

Seri E 12 ve E 24 Seri E 48 ve E 96



Şekil 2.9 Değişik direnç çeşitleri

Ölçme tekniğinde, bilgisayarlarda ve otomatikte kullanılan dirençlerin oldukça has-sas olmaları ve tolerans değerlerinin ((0.01 0.5)%). İstene bu karakteristikler gereken güç dağılımı (disipasyon) değerlerini nispeten küçük olmalarından dolayı sağlanabil-mektedir.

İnce film dirençler, porselen veya seramik taşıyıcı çubuk üzerine, karbon (C), bor karbürü (BC) veya metaller (Ni-Cr, Cr-Si, gibi alaşımlar) eklenerek elde edilirler. Fil taba-kanın kalınlığı yaklaşık olarak 0,005 μm ile 1 μm arasındadır.

Kalın film dirençler, seramik ve metal tozları karıştırılarak yapılır. Seramik ve metal tozu karışımı bir yapıştırıcı ile hamur haline getirildikten sonra, seramik bir gövdeye şerit halinde yapıştırılır fırında yüksek sıcaklıkta pişirilir.

Telli dirençler, bir yalıtkan çember üzerine sarılan teller ile bağlantı kuran fırça dü-zeninden oluşmaktadır. Hassas laboratuar dirençleri (Cu-Mn-Ni, Cu- Mn-Al, alaşımları) veya yüksek çalışma sıcaklılığın gerektiği yerlerde (Cu-Ni-Mn, konstantan ve nikelin, Cr-Ni, krom-nikel, Cr-Al, krom-alüminyum vb. alaşımlar) direnç olarak kullanılmakta-dırlar. Sargının yüksek parazitli kapasitans ve endüktans özelliklerinden dolayı yüksek frekanslarda kullanılmaları uygun değildir.

Direncin değeri frekans ile değişmektedir. Yüksek frekanslarda direncin aktif değeri büyük ölçüde azalabilmektedir. Buna sebep olarak parazit kapasitans ve endüktansın reaktif bileşeninin artması sebep olmaktadır.

Entegre-dirençler minyatür elektronik cihazlarda (video kameralar, ölçüm aletleri vb), yüksek hassasiyeti gerekli olduğu devrelerde kullanılırlar. Bu dirençler yüzeye mon-te edilmiş ayrık bileşenler şeklinde, kısa bacaklı veya tamamen bacaksız (bileşenlerin kendilerine metal tabakalar ekleyerek onların doğrudan elektronik iletken tabakanın üzerine lehimlenerek uygulanmaktadırlar) olacak şekilde uygulanmaktadırlar. Enteg-re-dirençlerin aktif tabakası ince film (Ni-Cr veya Ta2N ince film şeklinde) veya kalın film (Bi2Ru2O6 ve Pb2Ru2O6 kalın pasta şeklinde) şeklinde üretilmektedir. Dış bağlantı bacak-ları kalın veya ince iletken film şeklindedir (Ni veya Au, katmanlar arasında PdAg kulla-nılır).



Gerilim ve güce bağlı olarak entegre-dirençlerin boyutları çok büyük değişiklikler göstermektedirler (örnek olarak MSI şirketi 50 V ve 100 mW değerleri 0,9 x 0,9 x 0,25 mm3

boyutlarında, 1100 V ve 6 W değerleri için 17 x 8 x 0.6 mm3 entegre-dirençler üretmek-tedir) öyle ki direnç değerleri ~0,1 Ω и ~100МΩ arasında değişmektedir.

Potansiyometreler değerleri ayarlanabilen dirençlerdirler. Sargı tellerinden veya tabaka şeklinde üretilmektedirler. Şekil 2.10’da karbon tabakasından üretilmiş potan-siyometre gösterilmiştir. Direnç tabakasın üzerinde (1) kontak kayarak dönmektedir, kontak mil (3) yardımı ile dönmektedir. Potansiyometre metal veya plastik bir kapakla (4) korunmaktadır.

Her devre için tam olarak istenilen değer ayarlanabilen özel dirençler (trimer) de mevcuttur. Bu tip dirençler bir anlamda yarı değişkenli potansiyometrelerdirler ve bo-yutları önemli ölçüde daha küçüktür, yaklaşık olarak birkaç mm’dir (şekil 2.10).

Şekil. 2.10 Potansiyometrenin yapsı

Lineer olmayan dirençler birden çok elektronik cihazda kullanılmaktadır. Bu tür di-rençlerin değerleri lineer olmayan bir şekilde, sıcaklığa (termistörler), elektrik alanına (varistörler), ışığa (foto dirençler) vb. bağlı olarak değişmektedir. Bu özelliklerinden do-layı bu dirençlere lineer olmayan dirençler denir.

Termistörler, sıcaklığın artması ile değerleri ya azalır (NTC termistörler) ya da artar (PTC termistörler). NTC Termistörler metal oksitlerde (titan, TiO2, kobalt, Co2O3, alümin-yum Al2O3 vb.) yapılırlar. PTC termistörler baryum-titandan yapılmaktadır. Baryum-tita-na %0,1-0,3 oranında lantan ve itriyum eklenerek özdirencinin büyük ölçüde azalma-sında yola açılır (109 dan 10-1Ωm değerine düşer).



Hem NTC hem de PTC termistörler, sözü edilen metal tozlar bir yapıştırıcı ile hamur haline getirilir daha sonra yüksek basınç altında birleştirilirler ve özel fırınlarda yüksek sıcaklık altında (~1.400°C) sinterlemeye (ısıl proses) tabi tutulurlar. NTC termistörler normal dirençlerin sıcaklık stabilizasyonu için, PTC termistörler ise motor, telefon hatla-rı, televizyonlarda korum amacıyla akım sınırlayıcı olarak kullanılırlar. Şekil 2.11’de deği-şik tipte termistörler gösterilmiştir.

а) NTC b) NTC c) PTC

Şekil 2.11 Bazı termistör çeşitleri

Varistörler, uygulanan elektrik alanın değişmesi ile direnç değerleri önemli ölçüde değişiklik gösteren elemanlardırlar. Çinko oksit (ZnO) tozlarının yapıştırıcılar ile sinter-lenmesi sonucunda elde edilirler, daha önceleri silisyum karbür kullanılmaktaydı (SiC). Şekil 2.12’de ZnO vr SiC varistörlerin karşılaştırmalı Е-Ј karakteristikleri gösterilmiştir. Sabit elektrik alanı sebebi ile (Е), daha doğrusu gerilimi ile, akım şiddeti yoğunluğunun (Ј) geniş bir aralıkta gösterdiği değişiklikten yararlanarak varistörler, değişik elektrik ci-hazlarında gerilim sınırlayıcı olarak kullanılmaktadırlar.

Şekil 2.12 ZnO ve SiC varistörlerin karakteristikleri



Foto dirençler yarı iletken malzemeler kullanılarak elde edilirler. Foto dirençlerin özdi-rençleri, elektron-boşluk oluşması sonucunda, yarı iletkenin enerji boşluğu enerjisinden (yasak bölgenin genişliği) daha yüksek enerjiye sahip olan fotonların ışık enerjisi etkisi altında azalmaktadır. Foto dirençlerin oluşturulmaları prensibi şu şekildedir: polikristal yarı iletken (CdS, CdSe, PbS, InSb vb.) seramik veya cam gövdeye uygulanır, yarı iletkenin üstte kalan yüzeyine tarak şeklinde (ters yönde kutuplanmış elektrotların oluşan elektron ve boşluklarının daha iyi gözükmeleri etkilerinin artırılması için) metal elektrotlar yerleş-tirilir. Uygulanan yarı iletken türüne bağlı olarak, foto dirençlerin farklı dalga boylarında (görünen ışık ve kızılötesi dalga boylarında) maksimum duyarlılığa erişebilmektedirler.

Şekil 2.13 Foto dirençlere ait karakteristik yapılar

Isıtıcılar, yüksek dirence sahip iletken alaşımlar: kantal (Fe-Cr-Al-Co), cekas (Ni-Cr- Fe), ekstra cekas (Fe-Cr-Al) ve hromel (Ni-Cr) yardımı ile üretilirler. Yüksek fiyatlarından dolayı Nikel içeren alaşımlardan kaçınılmaktadır.

Şekil 2.14 aşağıda değişik tipte metal ısıtıcılar gösterilmiştir.

Şekil 2.14 Farklı tiplerde metal ısıtıcılar

Ametallerden ise silisyum-karbür (SiC), molibden-karbür (MoC) ve grafit (C) kullanıl-maktadır. Bu tür ısıtıcılar çok yüksek sıcaklıklarda çalışmaktadırlar (2.500° C kadar).



2.3.4. ÖZEL İLETKEN MALZEMELER

Bu gruba termoelektrik algılayıcılar (termokupllar), lehimler, buşonlu sigortalar, kon-taklar, galvan elemanlar, akümülatörler düşmektedir. Onlar kitabın diğer bölümlerinde incelenecekledir.

2.3.4.1. TERMOELEKTRİK ALGILAYICILAR

Termoelektrik algılayıcılar veya termokupllar (ısıl çift), sıcaklığın ölçülmesinde kullanılırlar. İki farklı malzemeden yapılmış üzerinden elektrik akımı akan bir devreyi ifade eder. Mu malzemelerin uçları farklı sıcaklıklar gösterirler (referans ucu buzlu su-nun - 0°C hassas ölçümünü yapmak için kullanılır). Termokuplların çalışması termoe-lektrik veya Zabekov etkisi prensibine göre çalışır. Termokuplların termoelektromotor kuvvetini (TEMK) ölçerek, termokuplların karakteristiğ belli ise ölçüm yapılan ucun sı-caklığı (t) belirlenebilir. Şekil 2.15’te 100°C üzerindeki sıcaklık değerlerini ölçen birkaç önemli termokuplların karakteristiği gösterilmiştir.

Diğer yandan, termokupllar yardımı ile (farklı sıcaklık aralıklarında çalışabilen birkaç farklı termokuplların kombinasyonu ile) -250°C ile 3.000°C arasında sıcaklık değerleri ölçülebilir. Termoelektromotor kuvveti ile termokuplarlar arasında tüm ölçüm aralıklar için lineer bir ilişki söz konusudur.

Şekil 2.15 Termokupllar karakteristikleri

Yapıldıkları malzemelere göre termokupllarları üç gruba ayırabiliriz.

Değerli olmayan metallerden yapılan termokupllarlar. Bu gruba: Cu/konstan-tan (ölçüm yapabildiği aralık -250°C ile 400°C arasındadır), Fe/konstantan (- 200°C ile 900°C), kromel-konstantan (-200°C ile 1.000°C) ve kromel-alumel (0 ile 1.200°C).

Kromel / Konsta

ntan

Fe / Konstantan

Cu / Konstantan

Kromel / Alumel



Değerli metallerden yapılan termokupllarlar. En çok kullanılanlar: Pt/Ptx Rh1-x, Pt/PtxRe1-x, Pt/PtxReyRh1-x-y ve Ir/IrxRh1-x. Ölçüm yapabildikleri değer aralığı 0°C ile 1600°C ve üzerindedir (şekil 2.14). Sıvı helyum (4,2K) gibi çok düşük değerlede seyrede sıcaklıkları ölçmek için, AuxCo1-x/Cu ve AuxCo1-x/AgyAu1-y termokupllarları kullanılır.

Özel termokupllar. Bu tür termokupllar 2.000°C ve üerindeki sıcaklıkları ölçmek için kullanılırlar. En çok bilinen temsilcileri: C/SiC (0 ile 2.000°C), W/MoxFe1-x (0 ile 2.000°C) ve W/WxMo1-x (0 ile 3.000°C).

2.3.4.2. LEHİMLER

Lehimler, iki aynı veya farklı metalin yapıştırılması için kullanılan metal veya alaşım-lardırlar. Lehimleme yapıldığında lehimler erirler ve kısa süre sonra soğurlar öyle ki ya-pıştırma işlemi gerçekleşir. Yani lehimleme işlemi, metal veya alaşımlara lehim katarak yapıştırma işlemidir. Lehimin erime sıcaklığı yapıştırılan metallerin veya alaşımların erime sıcaklığından daha düşüktür.

Yumuşak ve sert lehimleme vardır. Yumuşak lehimleme 350°C altındaki sıcaklıklarda uygulanır, sert veya katı lehimleme ise 600°C veya genelde olduğu gibi 800°C ve üzeri sıcaklıklarda uygulanır.

En çok uygulanan yumuşak lehimler kurşun kalay karışımıdır ve işareti JUS S.Sn50 ve S.Sn60 şeklindedir, burada verilen rakam kalayın yüzdesini ifade eder. S.Sn50 işaretli lehimin genel kullanımı vardır, S.Sn60 ise Cu-iletkenlerde kullanılır.

Al-iletkenleri lehimlemek için S.Sn35 lehimi kullanılır, fakat lehim yapılacak yüzeye daha öncede L-SnZn40 ön lehim maddesi uygulanır (Alman DIN standartlarına göre). Bu uygulamanın yapılma nedeni ise Al malzemelerinin hava ile temas ettiklerinde oluşan ok-sit tabakayı temizlemek içindir. Düşük sıcaklıklarda lehimleme yapmak için %50 bizmut (Bi), 25% kurşun (Pb) ve 12,5% kalay (Sn) ile kadmiyumdan (Cd) oluşan karışım kullanılır.

Şekil. 2-17’de lehimlemenin doğru şekilde nasıl yapıldığı gösterilmiştir. Burada baskılı plak üzerinde lehimlenecek üç, bakır folyo ve lehim tabancasının nasıl doğru şekilde ko-numlandıkları gösterilmiştir.

Şekil 2.17 Doğru şekilde yapılan lehimleme

Kalay

İletkenLehimleme

LehimBakırFolyo

Lehimleme ucu

Baskılı plak

Eleman



Şekil 2.17’de anlatıldığı gibi doğru bir lehimleme kontakların mükemmel olmasını sağlar. Doğru şekilde lehimleme yapmak için, lehimleme aletinin ucunun hem iletkene hem de bakır folyoya eşit şekilde değmesi gerekir, öyle ki yapıştırılacak olan her iki mal-zeme ve kalay beraber eşit şekilde ısınırlar ve böylece doğru şekilde lehimleme yapmış oluruz, şekil (2.18’de olduğu gibi). Şekil 2.18 b) ve c) şıklarında soğuk lehim olarak ad-landırılan lehimler gösterilmiştir. Bu lehimlemelerde yüzeyler yeterince ısınmamış ve lehin yüzeye eşit şekilde dağılmamış, bu yüzden kontak bağlantılar çok kötü olmuştur. Bu tür kontaklar zamanla, darbelerde, sarsıntılarda, uygulanan her hangi bir basınç al-tında kesinti yaparak kopabilirler.

Şekil. 2.18 Doğru lehim yapılmış bir kesit ve diğer hatalı kesitler

Elektronikte genelde güçleri 20 W ile 40 W arasında değişen lehimleme aletleri kulla-nılmaktadır. Bu lehimlerin uçları aşağıdaki şekil 2.19’da gösterildiği gibi farklı şekillerde olabilirler.

Şekil 2.19 20 W, 30 W ve 40 W lehimler

Çalışma esnasında çalışıla kısımlar yüksek sıcaklığa maruz kalırsa o zaman messing bazlı sert lehim kullanılır, bu lehim S.CuxZn ile işaretlenir, x işareti bakır yüzdesini ifade eder (%40 ilr %80 arasında değişir). Eğer lehim uygulanan bölgenin yeterince sert, ger-gin ve iyi iletken olması için S.CuxZnAgy işaretli gümüş lehimler kullanılır, burada x bakır yüzdesini y ise gümüş yüzdesini ifade eder. Alüminyumu kati lehim yapmak L-AlSi12 (aman DIN standartlarına göre) için alüminyum ve silisyumdan oluşan alaşımlar kulla-



nılır. Lehim yapmadan önce uygulanacak bölge Al2O3 oksidinden temizlenir, böylelikle o bölge hızlı bir şekilde koruma altına alınır. Fakat genelde katı messing lehimi (bakır ve çinko alaşımı) ve gümüş lehimi (bakır, çinko ve gümüş alaşımı) kullanılır.

2.3.4.3. ELEKTRİK SİGORTALARI

Elektrik sigortaları, izin verilen değerden daha yüksek bir değer ulaşan aşırı akımın, cihazlarda, aparatlarda ve elektrik tesisatlarında aşırı ısınmalara ve bozulmalara engel olmak için kullanılırlar.

Sigortalar, buşonlu sigortalar ve otomatik sigortalar olarak ikiye ayrılırlar. Buşonlu sigortalar çok basittirler, ayrıca ucuz ve değişmeleri de çok kolaydır. Aşırı akıma verdik-leri tepkinin hızı bakımından hızlı ve yavaş sigortalar vardır.

Hızlı sigortalar, nominal değerden beş katı daha büyük değerlerdeki akımlara 0,1 saniye süreyle dayanmaları ve daha sonra yanmaları gerekir. Hızlı sigortalar kısa dev-relerde aniden tepki verirler. Gümüş, erime noktası değerine ulaşınca çok hızlı eridiği dolayı hızlı sigortalar için en uygun metaldir. Gümüş her büyüklükteki akımlar için kul-lanılır, fakat maliyetlerinden dolayı genelde 5 A değerine kadar (çok pahalı sistemlerde, örnek olarak uydu sistemlerinde 300 A ve 500 V’a kadar olan değerlerin korunması için kullanılır) olan alçak akımlar için kullanılır. Daha yüksek akımlar için Ag0,5Cu0,5 yapıda gümüş bakır alaşımları kullanılır.

Yavaş sigortalar, nominal değerden on katı daha büyük değerlerdeki akımlara 1 saniye süreyle dayanmaları ve daha sonra yanmaları gerekir. Alüminyum yavaş sigorta-ların yapımı için en uygun metaldir. Çünkü şebekede oluşan kısa süreli aşırı akımlarda yavaş tepki verirler, böylelikle cihazların ve tesisatları kesintisiz çalışmaları sağlanmış olur.

Çalışma gerilimlerine göre alçak gerilim ve yüksek gerilim sigortaları ile karşılaşırız.

Alçak gerilimler için Al-plaklar; 5 ile 30 A arası akımlar için PbxSn1-x (genelde %67 Pb) alaşımı, düşük akımlar için ise Ag ve Pt (platin haberleşmede 20 mA değerinde akımlar için kullanılır).

Yüksek gerimler sigortaları, özellikle düşük güçteki transformatörlerin korunması için, gümüşten yapılan sigortalar kullanılır.

Şekil 2.20’de değişi tipte sigortalar gösterilmiştir: cam içerisine yerleşmiş en küçük si-gortalar elektronikte (50 mA ile 500 mA akımlar için) kullanılırlar, porselen ve otomatik olanlar ise evlerdeki tesisatlar için kullanılırlar.

Ayrıca resimde özel amaçlar için kullanılan, Japon firması Kyosan (300 a akımlar ve maksimum 500 V gerilimler için) tarafından üretilen ve uydu istasyonunda kullanılan sigorta gösterilmiştir. Bu sigorta gümüşten yapılmıştır ve çok hızlı tepki verir.



Şekil 2.20 Farklı tipte buşonlu ve otomatik sigortalar

2.3.4.4. ELEKTRİK KONTAKLARI

Elektrik kontakları, ihtiyaçlara bağlı olarak, elektrik devrelerinde bağlantı oluştur-mak veya bağlantıyı kesmek için kullanılırlar. Kontaklar elektrik cihazları ve makineleri için çok önemli elemanlardır.

Akım aktığında tüm kontaklarda, temasın olduğu yerde oluşan dirençten dolayı ısın-ma meydana gelir. Isınma derecesi, her şeyden önce kontakların yapıldığı malzemeye (sıcaklığa ve korozyona dayanıklı olması gerekir) daha sonra, düz olması gereken kon-tak yüzeylerine bağlıdır.

Kontaklar çalıştıkları gerilimler bakımında, düşük yüklerde, orta yüklerde ve yüksek yüklerde çalışan kontaklar ile karşılaşırız.

Düşük yüklerde çalışan kontaklar, 12 ile 22 V arası gerilimlerde çalışırlar. Elektrik devresinde meydana kesinti geldiğinde bu kontaklarda ark meydana gelmiyor. Bu kon-taklar için uygun malzemeler, altın (Au), platin (Pt), rodyum (Rh), ayrıca uçlarında olu-şan sıcaklığın düşürülmesi için çok daha ucuz malzeme olan Au, Pt veya Rh ile kaplan-mış bakır (Cu) veya gümüş (Ag) kullanılır. Şekil 2.21’de birçok tür mekanik anahtarlama kontakları gösterilmiştir.

Orta yüklerde çalışan kontaklar, 0,5 N’luk basınç altında, 20A ve 660 V gerilimlere kadar çalışabilirler. Bu tür kontaklar kapandıklarında ark oluşur, bu da kontaklar yüze-yinde erozyona ve hatta kontakların kaynak olmalarına sebep olabilir.

Elektriksel cila oluşumunun negatif etkilerini elimine etmek için erime noktası daha yüksek olan malzemeler kullanılır. Bu amaçla kullanılan malzemeler genelde gümüş (Ag) ve volframdan (W), molibden (Мо), nikel (Ni), paladyum (Pd) veya altın (Аu) ala-şımları olmaktadır.



Şekil. 2.21 Farkı tiplerde anahtarlama kontakları

Yüksek yüklerde çalışan kontaklar, 100 N’luk basınçlarda, 550 V gerilimlerde ve 20 ile 300 А arasında değişen akımlarda çalışırlar. Bu tür kontaklar kapandıklarında da elektriksel ark oluşur. Elektriksel ark etkisini ortadan kaldırmak için Cu tabanında 5 mm kalınlığında Ag tabaka oluşturulur, ayrıca Ag ile W, Ni, C, kadmiyum oksit veya kalay oksit alaşımlar kullanılır.

Yüksek güçlerde çalışıldığında anahtarları açmak ve kapamak için pratikte iki tip kontak kullanılır: ana kontaklar ve elektriksek ark kontakları. Ana kontaklar saf Ag veya Mo, Ni gibi elementler ile oluşturulan alaşımlar kullanılır. Elektriksek cila kontakları W ile Ag veya CU alaşımları kullanılarak yapılırlar.

Ayrıca kayan kontaklar da mevcuttur, bu tür kontakların kullanıldığı devrelerde akım kesintisi olmuyor. Bu kontakların yapımında kullanılan malzemelerin dirençleri daha düşük ve sabit olmalı ve ayrıca aşınmalara dayanıklı olması gerekir. Bu şartları kadmiyum ve berilyum bronzları sağlamaktadır.

Bu tür kontaklar elektrik makinelerin kolektörlerinde (kömür fırça olarak adlandırılır-lar) kullanılırlar. Bakır üzerinde sürekli kayan bu kontakların yapımı için, karbon, grafit veya elektrografit kullanılır.

2.3.4.5. GALVAN ELEMANLAR VE AKÜMÜLATÖRLER

Galvan veya primar elemanlar (ya da piller), kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren jeneratörlerdirler. Bu elemanlar kuru ve ıslak olmak üzere ikiye ayrılırlar.



Galvan elemanlar, farklı malzemelerden oluşmuş, elektrolit sıvı içine batırılmış ve bir birine değmeyen iki elektrottan oluşmaktadırlar. Pozitif elektrot – anotta oksidasyon, negatif elektrot – katotta ise redüksiyon meydana gelir. Şapernov, Pogendorfov, Buze-nov ve Danielov sıvı galvan elemanları mevcuttur, fakat en çok kullanılan olarak Lekla-neşov kuru galvan elemanı olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu elamanın anodu karbon katodu ise çinkodan oluşur, depolarizatörü ise az grafit eklenmiş mangan dioksitten oluşur.

Akümülatörler veya sekonder elemanlar, doldurulduklarında elektrik enerjisini kim-yasal enerjiye, boşaltıldıklarında ise kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren elemanlardırlar. Akümülatörler elektrolit özelliklerine göre asitli ve alkalik olarak ikiye ayrılırlar. Kurşun, çelik ve gümüş akümülatörler kullanılır fakat en tanınmışı cam elekt-rolitlerden yapılmış Na/S akümülatörüdür. Ayrıca iletken polimer ve grafit karışım bazlı akümülatörlerle de karşılaşırız, gözenekli ve yenlik elektrotlara sahip olduklarında öz enerjileri yüksektir.

2.2.4.6. ELEKTROLİTLER

Elektrolitler, suda veya diğer sıvılardaki çözeltileri iyonlar yardımı ile elektrik akımı-nı ileten maddelerdirler. Ayrıca elektrolitler diğer türden iletken olarak da adlandırılır-lar. Elektrolitler, iyon molekülleri pozitif yüklü olan iyonlara (katyonlar) ve negatif yüklü olan iyonlara (anyonlar) ayrışan basit tuz, asit veya bazlardırlar. İyonların ayrışmaları sı-vının ne kadar çözeldiğine bağlıdır. Sıcaklığın artmasıyla çözelme derecesi de artmak-tadır, dolayısıyla iyonların hareketi de artar. Bu durum metallerdekini aksine elektrolit-lerde elektriksek direncin negatif sıcaklık katsayısı söz konusu olmaktadır. Güçlü asitler (H2SO4) çok iyi iletkenlerdirler, güçlü baz (KOH) ve tuzlar (CuSO4) ise iyi iletkenlerdirler.



TEKRARLAMA SORULARI

2.1. Elektriksel yüklerine göre iletken malzemeler nasıl sınıfl andırılırlar?

2.2. İletme derecelerine göre iletken malzemeler nasıl sınıfl andırılırlar?

2.3. İletken maddelerin özellikleri neye bağlıdır?

2.4. İletken maddelerde özdirencimi açıklayınız.

2.5. p’nin n (serbest elektrikse yük yoğunluğu -elektron) ile olan ilişkisini açıklayınız? İletkenlerde p neye bağlıdır?

2.6. αt nedir? αt ‘yi fizik açısından yorumla.

2.7. βt nedir?

2.8. Metallerdeki sıcaklık karakteristikleri açıkla.

2.9. Yüksek öz iletkenliğe sahip metalleri sayınız.

2.10. Yüksek öz iletkenliğe sahip metallerin pratikte sundukları imkanları kısaca açıklayınız.

2.11. Gümüş en çok ne için kullanılır?

2.12. Süper iletkenlik nedir?

2.13. Yeni bir sınıf olan süper oksit seramik iletkenlerin avantajları ne olduğunu açıklayınız?

2.14. Süper iletkenler için hangi büyüklükler önemlidir?

2.15. Düşük öz iletkenliğe sahip metaller için karakteristik olan nedir?

2.16. Süper iletkenler nerede kullanılırlar?

2.17. En önemli dirençli iletken alaşımları karşılaştırınız

2.18. Negatif βt değerlerinden dolayı, manganin nerede, konstantanın nerede kullanıldığını açıklayınız.

2.19. Bir elektrik devresinde direncin rolü nedir?

2.20. Dirençlerin nasıl kodlandıklarını açıklayınız.

2.21. Yapılarına göre dirençler nasıl sınıfl andırılırlar?

2.22. Termistör, varistör ve foto dirençleri açıklayınız.

2.23. Hangi malzemeler özel iletken malzemeler olarak adlandırılırlar?

2.24. Hangi tür lehimler vardır? Açıklayınız!

2.25. Sigortaları tanımla!

2.26. Yavaş sigortalar için hangi malzemeler kullanılır?

2.27. Kontaklar nasıl sınıfl andırılırlar ve yapımında ne tür malzemeler kullanılır?

2.28. Galvan elemanların ne gibi fonksiyonları vardır?

2.29. Elektrolitler üzerinden akımın nasıl iletildiğini açıklayınız.

3.Yarı iletken

malzemeler

3.Yarı iletken


Yari iletken malzemelerde enerji bölgeleri

Saf yarı iletkenlerde elektriksel yük taşıyıcıları oluşturma mekanizması

Yarı iletkenlerde elektrik akımının iletilme prensibi

Bazı yarı iletken malzemelerin özelliklerinin analizi ve karşılaştırması: silisyum, germanyum ve galyum-arsenik

Bazı önemli yarı iletkenlerin özellikleri, içerikleri, alaşımları ve süper kristal kafesleri

Yoğun ve ince taba monokristallerin elde edilme yöntemleri

Silisyum entegre devrelerin düzlemsel teknolojileri

Diyotlar, Transistörler, tristörler ve entegre devreler

Kalın tabaka entegre devre teknolojisi

Yarı iletken entegre devrelerin gelişim perspektifi

Nano teknolojiler

YARI İLETKEN MALZEMELER 55


3.1. YARI İLETKEN MALZEMELERDE ENERJİ BÖLGELERİ

Yarı iletkenler, iletken ve dielektrik malzemeler arasında kalan çok büyük bir grup malzemeyi kapsamaktadır. Bu malzemeler, oda sıcaklığında, kimyasal saf hal-de iken, hatasız ve kusursuz olarak normal şartlarda elektrik akımını iletmezler. Fa-kat, bu malzemelerin yasak bölgelerinin genişliği-enerji boşluğu (Eg ≤ 3.5eV) küçük olduğundan, dış şartların etkisinden ve katkı maddelerin eklenmesi ile iletken hale gelebilirler. Önceden de belirttiğimiz gibi yarı iletkenlerde enerji boşluğu – yasak bölgenin genişliği nispeten dardır (Eg<3.5eV) ve öz direnci ρ≈10-6 ÷1010Ωm değerle-ri arasındadır, bu bize yarı iletken malzemelerin oda sıcaklığı şartlarında iletkenlik ve yalıtkanlık arasında kaldığını gösterir. Ayrıca belirtmemiz gerekir ki ideal yarı iletken malzemeler (kristal yapının saf ve kusursuz halinde) mutlak sıfır sıcaklığına yaklaş-tıkça özdirençlerinin değeri sonsuza doğru gitmektedir. Fakat, yarı iletken malzeme-lerde baskın özellik onların özdirençlerinin önemli ölçüde malzemeye katılan katkı atomların konsantrasyonuna bağlı olmasıdır.

Yarı iletken uygulamalarında diğer önemli özelliklerden bir tanesi de sıcaklığın (hemen hemen tüm sıcaklıklar için geçerlidir) artmasıyla özdirencin değerinin azal-masıdır. Sıcaklığın artması ile elektriksel yük taşıyıcıları (elektron ve boşluklar) yo-ğunluğu artmaktadır, uygulanan elektrik alanı etkisi ile elektronlar boş iletken böl-geye, boşluklar ise dolu olan valans bölgesine geçmeye başlarlar. Bunun anlamı yarı iletkenlerin negatif sıcaklık katsayısına α (α<0) sahip olmaları demektir. Elektriksel yük yoğunluğu diğer dış faktörlerin etkisi ile de artırılabilmektedir, özellikle her şeyden önce olarak elektromanyetik veya radyasyon (görünen veya kızılötesi spektrum) et-kisi altında, ki bu özellik radyasyon detektörlerin yapımında önemli yer tutmaktadır. Işık radyasyonu formunda enerji emisyonu olarak taşıyıcı elektronların ve boşlukların ters rekombinasyon süreci ise, yarı iletkenlerin radyasyon yayan kaynakların yapı-mında kullanılmalarına imkan vermektedir.

Fakat, günümüzde yarı iletken malzemelerin en çok uygulandıkları alan, p-n ba-ğın farklı kombinasyonlarını oluşturarak, entegre devre ve ayrık yarı iletken bileşen-lerdirler (diyotlar, transistörler, tristörler).

Yarı iletkenlerin sundukları imkanları göz önünde bulundurarak, onlardan tanım-lanmış özellikler istenmektedir, her şeyden önce enerji boşluğunun – yasak bölgenin türü ve büyüklüğü istenmektedir. Bu özelliğin teknik açıdan gerçekleştirilmesi ancak çok bileşenli alaşımlardan ve süper kristal kafeslerden oluşan yarı iletkenlerin üretil-mesi ile mümkün olur. Bu konu daha sonraki bölümlerde tekrar ele alınacaktır.

56 YARI İLETKEN MALZEMELER


Bunun dışında, yarı iletkenlerden istenen diğer özellikler olan hızlı çalışma ve küçük boyutlar sebebi ile yarı iletkenleri nerede ise tamamı monokristal şeklinde üretilmek-tedirler.

3.2. SAF YARI İLETKENLERDE ELEKTRİKSEL YÜK TAŞIYICILARI OLUŞTURMA MEKANİZMASI

En tanınmış saf yarı iletkenler olarak karşımıza: saf silisyum (Si) ve saf germanyum (Ge) çıkmaktadır. Silisyumun atom numarası 14’tur ve son sargısında 4 valans elektro-nu vardır. Germanyumun atom numarası 32’dir ve son sargısında aynı şekilde 4 valans elektronu vardır. Her iki element 4 valanslıdır ve komşu atomlarla kovalent bağları oluş-tururlar. Si ve Ge atomları kristal yapıya sahiptirler, bu atomların ortak valans elektron çiftleri vardır ve bağlantıları çok güçlüdür. Düşük sıcaklıklarda Dielektrik özelliklere gibi davranırlar çünkü kristal kafeslerinde serbest dolaşan elektronları yoktur. Fakat, Si ve Ge maddelerine ışık veya sıcaklık şeklinde bir enerji uygulanırsa, kovalent bağlarında gevşeme meydana gelir ve elektronların bir bölümü koparak serbest elektron haline gelir. Serbest kalan bu elektronlar kafes içerisinde kaotik bir şekilde hareket ederler. Ko-pan elektron yerinde boşluk oluşur, bu boşluk başka atomdan kopan elektronlar doldu-rulur, o atomda ise yeni boşluk meydana gelir. Bu şekilde bir boşluk hareketinin de oluş-tuğu izlenimi oluşur fakat hareket yönleri elektronların tersidir. Bu kristaller dış elektrik alan etkisi altında bırakılırsalar, elektrik alanına ters olacak şekilde bir akımın oluşacağı görülmektedir. Elektron – boşluk çiftlerinin oluşmasına rekombinasyon denir.

Silisyum

Şekil. 3.1. Saf silisyum

Yarı iletkenin saf kristalinde serbest elektron ve boşlukların yoğunluğu eşittir (n=p) ve bu tür yarı iletkenlere saf yarı iletkenler denir. Şekil 3.1’de saf silisyum atomunun kristal kafesi gösterilmiştir.



Saf yarı iletkenin kafesine (örnek olarak silisyum) herhangi bir Si atomunu başka bir elementin (örnek olarak beş valanslı arsenik (As), fosfor (P) vb.) veya üç valanslı katkı atomu (genelde bor (B)) eklenirse o zaman şekil 3.2 a ve b şıklarında gösterilen katkılı yarı iletkenler söz konusu olmaktadır.

Silisyum

Antimon

Elektron bağlantıyı oluşturmaz

a)Şekil. 3.2 N-tipi katkılı silisyum

Beş valanslı katkı atomu Si komşu atomları ile dört adet kovalent bağlantı oluşturur, kalan beşinci elektron bir çift oluşturamaz ve oda sıcaklığında bile kolaycı bulunduğu atomu terk edebilir. Bundan dolayı beş valanslı katkı atomları, serbest elektron “verdik-leri” için donör olarak adlandırılırlar ve bu tür yar iletken maddeler n-tipi Si yarı iletken-ler olarak adlandırılırlar (şekil. 3.2. а).

b)

Silisyum

Bor

Boşluk

Şekil. 3.2 P-tipi katkılı silisyum



Diğer taraftan, üç valanslı katkı atomu komşu Si atomları ile üç kovalent bağı oluştu-rur, komşu Si atomunun dört elektronunda bir tanesi kovalent çifti oluşturamaz. Bu çifti oluşturmak için Si atomu uzak komşu atomlardan bir tanesinden kolayca valans elekt-ronu kabul edebilir, kabul edilen bu elektronun yerinde tekrar boşluk oluşur, boşluk oluşan atom diğer komşu atomlardan orayı doldurmaya çalışacak ve bu şekilde hareket oluşur. Üç valans elektronu olan atomlar elektron “kabul” ettikleri için akseptörler olarak adlandırılırlar ve bu tür yarı iletkenlere p-tipi Si yarı iletkenleri denir (şekil 3.2. b).

3.3. YARI İLETKENLERDE ELEKTRİK AKIMININ İLETİLME PRENSİBİ

Yarı iletkenlerde elektrik akımını ileten mekanizma aynen metallerde olduğu gi-bidir. Burada farklı olan yalnızca dış elektrik alanı (akım kaynağı) etkisi altında hem elektronlar hem de boşluklar hareketi söz konusu olmaktadır. Boşluklar elektrik alanı ile aynı yönde, elektronlar ise ters yönde hareket ederler. Bu şekilde yarı iletkenlerde elektrik iletiminin iki bileşeni oluşmaktadır, bunlar elektron ve boşluk bileşenleridir. Bu bileşenlerden ilki yani elektronlar n-tipi (σn) yarı iletkenlerde (oda sıcaklığında) ço-ğunluk taşıyıcılar olarak, boşluklar ise p-tipi yarı iletkenlerde (σp) çoğunluk taşıyıcıları olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Yarı iletkenlerin öz iletkenlik ifadese aşağıdaki eşitlik ile gösterilmiştir:

� = �n + �p = en�n + ep�p (3-1)

burada n ve p serbest elektron ve boşlukların yoğunluğunu, μn, μp – onların hareketle-rini ifade ederler. Hareket, sürüklenme hızı (uygulanan elektrik alanı etkisi ile oluşan ek hareketlenme – şekil 3.3) ile uygulanan dış elektrik alanı arasındaki ilişkiyi tanımlayan katsayıyı ifade eder. Serbest yük taşıyıcıların ile atomlar arasında oluşan iki çarpışmanın bir sonraki çarpışmaya kadar geçen ortalama süre ne kadar büyük ise bu katsayı da o kadar büyük olur. Elektronların sürüklenme hızları (Δvid), sıcaklıktan kaynaklanan kaotik hareket (vi ) yönlerinden farklı olarak elektrik alanı yönü ile aynı yöndedir.

Şekil 3.3 Elektronları sürüklenme ve sıcaklık kaynaklı hareket hızları



Öz iletkenliğin (σ) sıcaklığa olan bağımlılığını gözlemlemek için n-tipi katkı atomları içeren yarı iletken malzemeyi inceleyeceğiz (p-tipi katkı atomları olan yarı iletken için aynısı geçerlidir):

� = �n = en�n (3-2)

Bu ifadede sıcaklığa bağlı olan büyüklükler serbest elektron yoğunluğu (n) ve onla-rın hareketini (μn) ifade eden büyüklüklerdir. Bu büyüklükler şekil 3.4 а) ve b) şıklarında gösterilmiştir.

Şekil 3.4. а’da üç farklı karakteristik olan bölge ile karşılaşırız. I. bölge katkı bölge-si olarak adlandırılır, çünkü bu sıcaklık aralığında (0–20К) serbest elektron yoğunluğu donör katkı atomların iyonizasyonundan dolayı artmaktadır. Тp ≈ 20K sıcaklığında bile kristal kafes içerisinde bulunan atomların sıcaklıktan kaynaklanan titreşimleri, aktifl eş-me enerjileri çok düşük olan (0,01 ile 0,05 еV) donör atomların uyanmalarına sebep olur. Bu durumda serbest elektronların sayısı katkı atomlarına eşit olmaktadır (n=Nd). Bundan sonra meydana gelecek olan sıcaklık artışında serbest elektronların sayısında bir artış olmayacaktır ve bu yeni bölge (II) doyum bölgesi olarak adlandırılır.

Şekil. 3.4 N-tipi katkı atomlu yarı iletkenin а) yoğunluğunun b) hareketliliğinin ve c) öz iletkenliğinin sıcaklıkla olan ilişkisi



Oda sıcaklığından daha yüksek sıcaklıklarda bile kristal kafes içerisinde bulunan atomların sıcaklıktan kaynaklanan titreşimleri, valans bölgesinin ucunda bulunan elektronların iletkenlik bölgensin alt kısmına geçmelerini sağlamaktadır. Burada elekt-ron-boşluk iletken çifti oluşur. Kendi valans elektronlarının doğrudan valans bölgesin-de iletkenlik bölgesine yoğun bir şekilde gelişen harekete sebep olan Ts sıcaklığı veri-len yarı iletkenin enerji boşluğunun (Eg) genişliğine bağlı olmasından dolayı, bu bölge öz iletkenlik bölgesi (III) olarak adlandırılır.

Şekil 3.4 а) şıkkında kesik çizgiler ile yarı iletkende katkı atomları olmadığında serbest yük taşıyıcıların (elektron ve boşluklar) yoğunluklarındaki değişim gösterilmiştir. Bura-da Т<Ts sıcaklıkları için doğrudan elektron-boşluk çiftlerinin (rekombinasyon) oluşma süreci meydana geldiğini görebiliriz, fakat bu süreç T>Ts sıcaklıklarında tamamen aktif hale gelmektedir.

Serbest elektronların hareketinin sıcaklıkla olan ilişkisi şekil 3.4 b şıkkında gösteril-miştir. Т<Tf katkılı yarı iletkendeki yük taşıyıcı elektronların hareketi üzerinde en büyük etkiyi malzemede iyonize olmuş katkı atomların elektrostatik kuvvetleri göstermekte-dir. Sıcaklığın artması ile serbest harekete eden elektronların hareket hızı artar, bu da iyonize olmuş katkı atomlar üzerindeki kulomb kuvvetlerinin azalmasına neden olur ve dolayısı ile hız ve hareketlilik artar. Bu arada Т>Tf (yaklaşık 60К) değeri için, kristal kafesteki atom titreşimleri (fononlar) o kadar artmaya başlar ki bir zamana sonra elekt-ronlarla çarpışırlar ve onların hareketlerinin yavaşlamasına neden olurlar.

Aynı resimde katkı atomları bulunmayan saf yarı iletkenin sıcaklığa olan ilişkisi kesik çizgilerle gösterilmiştir.

Öz iletkenliğin yük taşıyıcı elektronların hem yoğunluğundan hem de hareketlerin-den doğrudan bağımlı olduğu için, a ve b diyagramlarından öz iletkenliğin sıcaklığa olan bağımlılığı kolayca (grafiksel çarpma ile) hesaplanabilir (Şekil 3.4 c).

Görüldüğü gibi öz iletkenlik sıcaklığın artması ile artış göstermektedir, burada sade-ce Тf ile Тs sıcaklık değerleri aralığını istisna olarak gösterebiliriz. Genel olarak öz direnç değeri (ρ≈1/σ) sıcaklığın artması ile azalmaktadır, bunun anlamı iletkenlerin negatif sı-caklık katsayıları olduğu anlamına gelir.

3.4. YARI İLETKEN MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİNİN ANALİZİ VE KARŞILAŞTIRILMASI

Karakteristik yarı iletkenler:

1. Elementlerin periyodik tablosunda IV. Gruptaki elementler germanyum (Ge) ve silisyum (Si),

2. III. ve V. gruptaki galyum ve arsenik gibi elementlerin kullanılması ile elde edi-len katkılı yarı iletken malzemeler

3. Yarı iletken elemanların ve diğer bileşiklerin beraber kullanılması ile oluşturu-lan yarı iletken alaşımlar.



Entegre devrelerin gelişmesine kadar önceden yarı iletken aktif bileşenlerin (tran-sistör ve diyotlar) yapımında genelde germanyum (Ge) kullanılmıştır. Fakat 60’lı yılların başında mikroelektronik entegre devrelerin gelişmesi ile beraber yarı iletken teknoloji-sinde silisyum (Si) kullanım bakımından üstünlüğü ele geçirmiştir. Son yıllarda git gide daha çok selenyum arsenik (GaAs) kullanılmaya başlanmıştır, özellikle hızlı çalışmanın önemli olduğu yerlerde. Tablo 3.1’de yarı iletken olarak kullanılan Si, Ge, GaAs element-lerin karakteristikleri karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir, bu yarı iletkenler mikroelekt-roniğin gelişme dinamiğini belirlemektedirler.

Germanyumdan elde edilen yarı iletkenin enerji boşluğunun (Eg=0,67 eV) en bü-yük olduğunu dikkate aldığımızda, elde edilen bileşenlerin çalışabilecekleri en yüksek sıcaklık yaklaşık olarak 100оC olmaktadır. Burada germanyumun kendi bölgesi başlar (şekil 3.4 b) ve bu sıcaklıkta uygulamada serbest elektronların ve boşlukların yoğun-luğu eşitlenir öyle ki, p-n temelinde oluşturulmuş yarı iletken bileşenler artık çalışmaz duruma gelirler. Enerji boşluğu daha büyük olan Si (Eg=1,11eV), çalışma sıcaklığı sınır değeri yaklaşık olarak 200оС’dir, GaAs ise yaklaşık olarak 300оС’dir çünkü onun enerji boşluğu daha da büyüktür.

GaAs’in Ge ve Si’a göre avantajı elektron hareketliliğinin önemli ölçüde daha büyük olmasıdır (μn=9500cm2/Vs, bu değer germanyumdakinden 2 defa ve silisyumdakinde yaklaşık 7 defa daha büyük bir değerdir). Bunun dışında, GaAs doyuma ulaşma hızının ortalama değeri (Llvds) Ge ve Si’den çok daha büyüktür.

Ayrıca, GaAs lazer teknolojisinde kullanımı doğrudan enerji boşluğuna sahip oldu-ğu için çok uygundur. Lazer teknolojisinde gerekli olan akım yoğunluğunun doğrudan enerji boşluğuna sahip olan yarı iletkenlerde 10 kat daha fazla olduğu bilinmektedir.

Eğer GaAs yarı iletkenine katkı olarak krom eklenirse o zaman yarım izolasyon malze-mesi elde edilir çünkü özdirenç değeri 10-1Ωm den 106Ωm’ye yükselir. Bunun gibi GaAs yarım izolasyon malzemesi yarı iletken bileşenleri için gövde olarak kullanıldığında o zaman istenmeyen parazitler ve zaman sabitesi (tRC) önemli ölçüde azalacaklar, öyle ki с GaAs’ın üst çalışma frekans sınırı (fg) 100 GHz’e kadar çıkacaktır. Bu değer silisyum yarı iletkenin kullanıldığı bileşenlere göre yaklaşık olarak 2 kat daha büyüktür.

GaAs çift kutuplu (bipolar) transistörlerde genelde kullanılmaz, sebebi ise elektron ve boşlukların hareketinin oranının (μn/μp≈21) yüksek olmasından dolayıdır. Si ve Ge yarı iletkenlerinde bu oran çok daha uygundur, bundan dolayı en kaliteli çift kutuplu transistörler ve entegre devreler bu yarı iletkenlerden yapılır.

Si yüzeyine çok kaliteli izolasyon (SiO2 yapılmış) eklenebilir, oksidasyonun kullanıldı-ğı bu yöntem çok sağlam ve ucuzdur. Bu yöntem GaAs (veya Ge) plak üzerine uygulan-ması mümkün değildir, bu gibi yarı iletken malzemelerde en çok Si3N4 (silisyum nitrat) kullanılır ve uygulanması pahalı bir teknolojidir.



Tablo. 3.1 Si, Ge и GaAs bazı önemli parametrelerinin karakteristikleri

Si Ge GaAs

Eg(eV)

tr(oC) < 200 < 100 < 300

�n ��

��

�Vs

cm2

1.350 3.900 9.500

�p ��

��

�Vs

cm2

480 1.900 450

�vds ��

��

scm 7108,0 � 7105,1 � 7102 �

�vd max ��

��

scm 7102 � - 7108 �

�r (ps) 0.1 0.1 1

�RC

fg (GHz) < 50 < 100

��

��

mKW

145 60 44

��

�m ��

��

3cmg

2,33 5,32 5,36

�

��

��

�

�

�

��

��

Büyüklük

Termal gürültü büyük

büyük

orta

orta

küçük

küçük

Oksit

1,11 (doğ. olm.) 0,67 (doğ. ol.) 1,44 (doğ.)

Kararlı ve kaliteli(SiO2) Kararsız Kararsız

Monokristal elde edilmesi

Fiyat

Uygulama

p-tip (Çohralski)n-tip (yüzen bölge)

tabakalar (VPE epitaksiyel)

p-tip (Çohralski)

p- tip (Çohralski basınç altında, LEC)

tabakalar (VPE ve MBE epitaksiyel)

Düşük Orta Yüksek

entegre devreler (bipolar, unipolar MOS)

fotodetektörlertristörlergüneş hücreleri

balistik devreler

fotodetektörlernükleer detektörlerkızılötesi pencereler

entegre devreler (unipolar JFET)opto elektronik entegre devrelerlazerler

fotodetektörlermikrodalga kaynaklarıgüneş hücreleri

balistik ve heteroskop devreler



Bu üç yarı iletken malzemeden öz ısıl iletkenliği en düşük olan malzeme GaAs’dır, bu onun için büyük bir dezavantajdır. Fakat günümüzde bu problem Japonya’daki labora-tuarlarda GaAs plaklara elmas eklenmesi ile çözülmüştür. Bilindiği gibi elmas doğada en iyi sıcaklık iletkenidir ve yarı iletkenin yüzeyindeki sıcaklığın alınmasını büyük ölçü-de arttırmaktadır.

En düşük özgül ağırlığa (ρm) sahip yarı iletken element silisyumdur (Si), bu sebeple bu malzeme kullanılarak en hafif devreler yapılmaktadır.

Si kullanılarak üretilen entegre devreler ve bileşenler maliyet açısından en uygun-durlar, çünkü silisyum kullanılarak yapılan üretim daha basit ve daha teknolojik ola-rak gelişmiştir. Burada iletim katmanları oluşturma bakımından fiyat olarak daha ucuz, mikro kristal elde etmek daha kolay ve oksidasyon açısında daha avantajlı durum söz konusudur. Tüm bunları göz önünde bulundurursak Si entegre devre yapımında do-mine etmektedir, GaAs ise daha çok hız ve yüksek frekanslar söz konusu olduğunda kullanılmaktadır.

Ge entegre devre yapımında kullanılmamasına rağmen enerji boşluğunun küçük ol-masından dolayı radyasyon algılayıcıları ve hatta nükleer emisyon için kullanılır, çünkü yüksek enerjiye sahip bir parçacıktan birçok iletken çift olan elektron-boşluk üretmek mümkün olmaktadır. Bu özelliğinin dışında ayrıca görünen spektrumda sadece düşük enerjili kızıl ötesi ışığın geçmesine izin verdiği için ayrıca kızıl ötesi algılayıcıların üreti-minde de kullanılmaktadır. Üretilen bu algılayıcılarda elektron-boşluk çiftinin ışığı em-diği için gürültü önemli ölçüde giderilmektedir. Termal kameraların askeri amaçlar için yaygın olarak kullanılmalarından dolayı geçtiğimiz on yıl içerisinde söz konusu olan algılayıcıların üretimi için Ge tekrar aranan bir malzeme haline geldi.

3.5. BAZI ÖNEMLİ YARI İLETKENLERİN ÖZELLİKLERİ, İÇERİKLERİ, ALAŞIMLARI VE KRİSTAL KAFES YAPILARI

Temel yarı iletkenler olan Si ve Ge dışında yine temel amaçlı olarak ayrıca selen (Se) ve karbon (C) da kullanılmaktadır, karbon iki şekilde karşımıza çıkmaktadır: elmas ve grafit.

Selen doğrultucular, foto hücreler, kopyalama cihazları, televizyon kameraları vb ci-hazların yapımında kullanılır.

Elmas çok büyük enerji boşluğuna (5,4 eV) sahiptir, bu dielektrikler için geçerli bir özelliktir. Fakat, elmasın küp kristal kafes yapısında dolayı (Si ve Ge benzer şekilde) do-nör ve akseptörlere kolayca tepki vermekte ve p-n tabakaları oluşturabilmektedir. Bü-yük enerji boşluğundan dolayı elmas temelli yarı iletken bileşenlerin çalışma sıcaklığı bayağı yüksektir (1000°C daha yüksek), ayrıca Si ile yapılan devrelere nazaran boyut-ların küçültülmesi bakımından elmasın öz ısıl iletkenliği (550 W/mK) büyüklüğünden yararlanılır. Boyutların küçülmesi ile soğutma da avantajlı hale gelir. Şimdiye dek yarı iletken plakanın alt kısmında bulunan ince elmas tabakaların daha iyi soğumaları için buhar uygulanmaktadır.



Grafit yarım metal olarak kabul edilir ve özdirenci (~10-6Ωm) metal ile yarı iletkenler arasındadır. Grafit, katmanlar şeklinde altıgen formunda (aynen arıların bal peteği gibi) bir düzlem üzerinde atomları paketlenmiştir, bu yapı ona yarı boyutlu bir karakteristik katmaktadır (Düzlem üzerindeki iletim, düzlem içindeki iletimden yaklaşık olarak yüz kat daha fazladır). Günümüzde yarım - tek boyutlu grafit sentezi ve üretimi için çok büyük çaba harcanmaktadır, burada elektrik akımı baskın bir şekilde tek yönde iletilir ve grafite göre daha iyi mekanik özellikler ile karşılaşırız. Bu tür bir malzeme temelinde yapılmış akümülatörlerde birim ağırlık bakımından daha şimdiden en büyük kapasite-ye sahip oldukları gözlemlenmiştir. Ayrıca grafit, elektrik ısıtıcıları ve diğer yarı iletken-lerin eritildiği kaplar olarak kullanıldığını bilmekteyiz, özellikle çok büyük erime sıcaklı-ğından (3845оC) dolayı kullanılmaktadır.

Yarı iletken bileşiklerden, en tanınmışları olan III-V grubu bileşiği olan GaAs dı-şında, en çok kullananlar InP, InSb, GaP dur, daha sonra II-VI grubu bileşiği olan CdTe, HgTe ve ZnSe, IV-VI grubu bileşiği olan PbTe, SnTe, PbS ve IV-IV grubu bileşiği olan SiC gelmektedir.

İndiyum-antimon (InSb) manyetik alanı ölçen özel ölçü aletlerin yapımında kullanı-lır, ayrıca termo kameralar yapımı ve kızıl ötesi algılayıcıların yapımı için kullanılırlar. Yük taşıyıcı elektonların en büyük hareketliliği (80 000 cm2/Vs kadar) ile tanınırlar.

İndiyum-fosfat (InP) günümüzde en çok incelenen yarı iletkenlerde bir tanesidir ve daha şimdiden ~250 GHz civarında çalışan transistörlerin laboratuar ortamında üretimi yapılmıştır.

Galyum-fosfat (GaP) ışık algılayıcısı ve ışık yayan (LED) diyotların yapımında kulla-nılmaktadır. Buradaki LED diyotlar için verimlilik katsayısının %1 olduğunu belirtmemiz gerekmektedir, fakat azotun katılması ile çok büyük parlaklık elde edilir çünkü gözün algıladığı görünen spektrumda yeşil renk en çok parlaklık vermektedir.

Çinko-selenid (ZnSe) ayrıca LED yapımında geniş kullanımı vardır ve özellikle mavi renk spektrumu açısından önem taşımaktadır.

Kadmiyum-telürid (CdTe) en çok Hg1- xCdxTe alaşımı ve CdTe-HgTe süper-kafes te-melinde kızıl ötesi algılayıcıların gövdesinin yapımında kullanılır, ayrıca son dönemde cıva-telürid (HgTe) tabakaları kombinasyonu temelinde bu yapıları elde etmek için kul-lanılmaktadır. Kızıl ötesi algılayıcıların yapımı için daha önceleri kurşun-telürid (PbTe) yaygın olarak kullanılmaktaymış.

Silisyum karbit (SiC) çok enteresan bir malzemedir, çalışma sıcaklığı çok yüksektir, bu yüzden geçtiğimiz yıllarda bu özellik sayesinde 1000оC ve üzerinde çalışan entegre devreler üretilmeye başlanmıştır.

Yarı iletken alaşımlarda en çok kullanılanlar: Al1-xGaxAs, In1-xGaxAs, (InAs)1-x(GaP)x, Hg1-xCdxTe, Sn1-xPbxTe,…, ayrıca bu sınıfa iletken polimer malzemeleri de katabiliriz: Pol-yacetylene, polypyrrole, polyaniline..). En önemli alaşımlardan bir tanesi Al1-xGaxAs ala-şımıdır, bu alaşım görünen spektrumda ve optik lazer (0,9 μm) nesli haberleşme sistem-lerinde kullanılmaktadır. Bunun dışında, Al1-xGaxAs I GaAs katmanları kombinasyonu,



günümüzde 200GHz ve üzerinde çalışabilen ultra hızlı çok katmanlı balistik transistör-lerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır. In1-xGaxAs ve (InAs)1-x(GaP)x alaşımları ikinci nesil lazer ve algılayıcıların yapımında kullanılır bu bileşenler optik haberleşmede (1,3 μm и 1,55 μm) kullanılmaktadırlar. Hg1-xCdxTe alaşımı (cıva fazlası var) en çok kızıl çtesi algıla-yıcıların yapımında kullanılır (8+13 μm bölgesinde), burada bir zamanlar Sn1-xPbxTe alaşı-mı da çok kullanılmaktaydı. İletken polimerler: Polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, en çok hafif ve güçlü akümülatörlerin yapımında kullanılırlar, ayrıca başka alanlarda da kullanılırlar özellikler moleküler mikroelektronik alanı, ki bu alan yeni yeni gelişmeye başlamıştır.

Süper-kafes yarı iletkenler olarak en çok kullanılan görünen spektrum lazer yapı-mında kullanılan GaAs – Al1- xGaxAs alaşımını gösterebiliriz, ayrıca CdTeHgTe alaşımı kızıl ötesi algılayıcı (8+13 μm bölgesinde) yapımında kullanılır.

3.6. YOĞUN VE İNCE TABAKA MONOKRİSTALLERİN ELDE EDİLME YÖNTEMLERİ

Yarı iletken entegre devre ve bileşenlerin üretimi için yoğun ve ince tabaka şeklinde-ki yarı iletken monokristallerin kullanılması gerekmektedir. Yoğun monokristal malze-me elde etme sürecini silisyum (Si) örneği ile açıklayacağız. Si Polikristali kuvars kumun-dan (SiO2) elde edilmektedir. Yüksek sıcaklıktaki fırınlarda karbonun indirgenmesi ile %99 oranında saf silisyum ele edilmektedir. Elde edilen bu safl ık derecesi bu malzeme-nin elektronikte kullanılması için uygun olmamaktadır, bu yüzden ek olarak kimyasal temizleme yapılır ve bir milyar Si atoma karşılık bir katkı atomu oranında bir safl ık elde edilir. P tipinde monokristal Si genelde çekme dediğimiz (Czhochralski süreci denilen) süreç ile elde edilir, bu sürecin grafiksel gösterimi şekil 3.5’te verilmiştir.

Polikristal Si, yüksek frekansta çalışan ısıtıcı kullanılarak kuvars bir kapta eritilir ve eriyen bu malzemenin sıcaklılığı Si erime sıcaklığından (1415°C), argon gazı (Ar) kul-lanılarak, 5°C daha yüksek bir sıcaklıkta ısıtılır. Daha sonra erimiş malzemenin içine monokristal tohum (parçacık), kristal yönü belli olan Si monokristal parçacığı eritilir. Eklenen tohum ki bu tohum dönerek yüzey tabakanın soğumasına neden olur, burada Si atomları bu tohum etrafında yoğunlaşmaya başlarlar ve bu şekilde tohumun monok-ristal atom yapısı takip edilmeye başlanır. Daha sonra bu tohum yavaşça erimiş kütle-den çıkarılmaya başlanır (3mm/dk hızı ile), aynı anada tohum (dakikada 15-150 devir) kap (dakikada 2-15 devir) ile döndürülür fakat ters yönde. Bu şekilde tüm kütlenin eşit derecede soğutulması sağlanır. Bu yöntem kullanılarak silisyumun 30 cm çapında ve 50 kg ağırlığında monokristal örnekleri (külçeleri) yapılmaktadır. Kuvarstan yapılan kap içinde üç valanslı bor (B) atomunun var olduğunu dikkate aldığımızda ve bu atomların erimiş silisyum malzemeye kolayca karışabilmesi nedeni ile bu süreç ile bor (B) katkılı p tipi yarı iletken malzeme elde etmiş oluruz. Czhochralski yöntemi kullanarak n tipi yarı iletken elde etmek için beş valanslı fosfor (P) atomları kullanılır, fakat bu atomların yoğunluğu bor atomlarından daha yüksek olmak zorundadır. Bu şekilde elde edilmiş yarı iletken katkı malzeme yoğunluğu yüksek olur ve kristal kafeste deformasyonlar meydana gelir ki bu durum elektron hareketini etkiler.



Çekme

Rotasyon

Yoğunluğu

Parçacık

Monokristal

Termokup

VF Isıtıcı

DereceAyarınaDoğru

Kab

Eriyen

Şekil. 3.5 Czhochralski süreci kullanılarak monokristal elde etme yönteminde kullanılan cihaz

Bundan dolayı n tipinde silisyum monokristal elde etmek için “yüzen bölge” yön-temi” kullanılır. Burada her hangi bir kap kullanılmamaktadır. Şekil 3.6’da böyle bir cihazın çizimi gösterilmiştir. Silisyumdan yapılmış polikristal çubuk koçan içine sokulur. Yüksek frekanslarda çalışan ısıtıcı kullanılarak koçanın bir kısmı ve yakında bulunan si-lisyum külçesi eritilir ve burada erimiş bir bölge oluşur, bu bölge yüzey gerilimine ma-ruz kalmaz. Çubuğun hafifçe halka şeklindeki ısıtıcıdan yukarıya doğru çekersek (yakla-şık olarak 3mm/dk hızla) monokristal külçede büyüme meydana gelir. Bu şekilde n tipi silisyum elde etmiş oluruz.

Yukarıda açıklanan her iki yöntem sadece yarı iletken monokristaller elde etmek için kullanılmaz ayrıca metal ve izolatörlerin monokristallerin elde edilmesinde de kullanı-lır. Czhochralski yöntemine göre: GaAs, GaP, InP yarı iletken monokristaleri elde edilir. GaAs ve GaP kolay buharlaşan bileşenleri olduğundan (As ve P gibi), bu buharlaşma koruma gazının yüksek basınç altında (atmosfer basıncında 20-50 kat daha yüksek) kal-masını engeller böylelikle herhangi bir patlamanın olması engellenir.



Kristal Tutucu

Isıtıcı

Kuvars Boru

Şekil. 3.6 Yüzen bölge yöntemi ile monokristal elde etme

İnce tabaka monokristaller, aynı malzemeden veya farklı malzeme kristal kafesin-den oluşan bir gövde üzerinde yapılmaktadırlar. Uygun gövde üzerinde monokristal ta-bakalar elde etmek için en uygun yöntem vakum buharlaşma olarak karşımıza çıkmak-tadır, bu yöntemin şematik gösterimi şekil 3.37’de gösterilmiştir. Sistem ilk önce 10-4Pa altındaki bir basınçla vakum hale getirilir. Daha sonra malzeme Al2O3 yapılmış kap içeri-sine bırakılır ve burada ısıtıcı yardımı ile ısıtılır. Buharlaşan malzeme, atomların daha iyi hareket etmeleri ve monokristal tabakaya daha iyi tutunmaları için 300-600 oC’de ısıtılır ve taban üzerinde yoğunlaşırlar. Elde edilen film tabaka buharlaşma hızına bağlıdır ve en kaliteli film tabakalar olarak katmanların büyüme hızı 1mm/h olduğunda elde edilir.

Isıtıcı

KaynakTabaka

Vakum pompaya doğru

Şekil 3.7 Vakum altında buharlaşma yöntemi ile monkristal elde etmek için kullanılan cihaz



Buharlaşma yöntemi son yıllarda çok büyük gelişme gösterdi ve kesinlikle sadece kaliteli film tabakaların elde edilmesini sağlamaktadır, ayrıca kalınlık da hassas bir şekil-de kontrol altına alınmaktadır. Bu yöntem kullanılarak istenen kalınlıkta yarı iletken film tabakaları yapılabilmektedir. Bu sistem bilgisayar yardımı ile kontrol edilir ve sadece birkaç atom kalınlığında tabakalar oluşturulabilir (yaklaşık olarak 1 nm). Bu gibi tabaka-ların artış hızı çok yavaştır (yaklaşık olarak 1μm/h).

3.7. SİLİSYUM ENTEGRE DVRELERİN DÜZLEM TEKNOLOJİSİ YÖNTEMİ

Monokristal Si külçeleri (parçacıklar, genelde p tipi ve yoğunluğu ρ~1015cm-3 dir, çünkü p tip Si n tipi Si’den çok daha ucuzdur) yardımı ile birçok düzlem tekniği yöntemi kullanılarak entegre devre yapılabilir. Düzlem teknolojisi yöntemi deyimi, tüm teknolo-jik işlemlerin Si plakanın sadece bir yüzeyine uygulandığından dolayı kullanılmaktadır ve “düzlem yönteminden” sıradaki işlemler anlaşılmaktadır: oksidasyon, litografi, difüz-yon, epitaksiyel büyütme ve elektrik bağlantıların (bacakların) yapımı anlaşılmaktadır.

Si entegre devrelerinde uygulanan düzlem teknoloji yöntemin içi örnek olarak şekil 3.8’de gösterilen MOS devresinin içerdiği C kondansatör, T n-p-n transistörü ve R di-renci ile açıklamaya çalışacağız. Entegre devrenin boyutlarının anlaşılması bakımından belirmemiz gerekir ki 10 cm çapında bir Si plakası üzerine 1,25x1.25 mm2 alanda 5000 yonga (entegre devre) yerleştirilebilir. Yongalar genelde daha büyük boyutlarda olmak-tadırlar (5x8mm2 kadar), ki böyle bir yonganın için bir milyon kadar bileşen (transistör, diyot, direnç ve kondansatör) yerleştirilebilir.

Entegre devre yapımında genelde n-p-n transistörlerin üretilmesinde en basit ve en hesaplı olan yöntemler kullanılmaktadır. Bunun dışında kalan bileşenler (direnç, kon-dansatör ve diyotlar) önceden üretilmiş olan n-p-n transistörün bazı bölümlerinde özel olarak eklenmeleri gerekmektedir. Bu arada en çok dikkat edilmesi gereken, litografi ve difüzyon süreçlerinin mümkün olduğunca azaltmaktır, bu süreçler çok pahalı ve karma-şık süreçlerdirler. Si plakaların ısıtıldığı süreç özellikle önem taşımaktadır ve bu sürecin tekrarlama sayısı ne kadar daha az olursa o kadar daha iyidir, bu süreçler oksidasyon ve difüzyon süreçleridir.

Burada teknolojik işlemlerin sırası ve prensipleri hakkında fazla değinmeyeceğiz. Kısaca belirmeliyiz ki süreç başında ilk önce Si plakası hazırlanır, burada p tipi Si kül-çesini kesme işlemi uygulanır. Daha sonra plakalar yağlanır ve temizlenir (de iyonize su kullanılır), bu işlemler sonucunda plakanın bir yüzeyi ayna parlaklığında elde edilir. Parlak olarak elde edilen bu yüzey üzerine düzlem teknolojisinin süreçleri uygulanma-ya başlanır ve sonunda entegre devre elde edilir. Sıradaki adımlarda yukarıda bahset-tiğimiz süreçler uygulanır. Daha sonra test amaçlı bir dizi işlem uygulanır, yongalar tek tek kontrol edilir ve hatalı olanlar işaretlenir, işaretleme bilgisayar veya boya ile yapılır. Hatalı olan kısımlar kesilerek plakadan uzaklaştırılır. Yongalar seramik taşıyıcılara yer-leştirilir, bağlantı bacakları oluşturulur ve koruma gövdesi içinde koruma altına alınırlar.



Daha sonra bilgisayar kullanılarak test işlemi gerçekleştirilir ve hatalı olanlar uzak-laştırılır. Entegre devrelerin test aşaması çok karmaşıktır ve hassas bir süreçtir onun için çok iyi uygulama proğramları gerekmektedir. Bu uygulama proğramları kullanılarak uy-gun akımlarda entegre devrenin tüm bileşenleri test edilmektedir.

b) kesit

1 2

5

4

3

C

R

a) Elektrik sembolü

Şekil. 3.8 Silisyum entegre devresi

Hatalı olan yongalar işaretlenir, elmas iğne ile kesildikten sonra oradan uzaklaştırı-lırlar. Hatasız olan yongalar seramik taşıyıcılara sıkıştırılırlar Au-Ge alaşımı kullanılarak yüksek sıcaklık (yaklaşık 400°C) ve basınç altında bağlantı bacakları oluşturulur.

3.8. DİYOTLAR, TRANSİSTÖRLER, TRİSTÖRLER VE ENTEGRE DEVRELER

Diyotlar, transistörler ve tristörler aktif elemanlardırlar, ayrık (artık nadiren yapılmak-tadırlar) ve entegre devre şeklinde oluşturulurlar. Elektrik sinyalini (akım veya gerilim) doğrulttukları, sınırlandırdıkları, yükselttikleri veya kestikleri için Aktif eleman olarak adlandırılırlar.

3.8.1. DİYOTLAR

Diyotlar yarı iletken malzemeden yapılırlar (iki yarı iletken, bir p tipi ve bir n tipi). Cam, meta veya plastik gövde içerisine yerleştirilirler. İki bağlantı ucu (bacağı) vardır: katot (K) ve anot (A). Diyotlar için karakteristik olan bir yönde dirençlerinin çok düşük diğer yönde çok yüksek olmasıdır.



Diyot ölçü aleti ile ölçüldüğünde ve düşük direnç değeri gösterdiğinde o değer ger-çekten diyotun direnç değeri değildir. O değer diyot bağlantısında gerilim düşümünü ifade eder. Bunun anlamı ölçü aleti – multimetre sadece diyotun p-n ekleminin hasarlı olup olmadığını belirlemek için kullanılır. Eğer gözlemlenen değerlerden bir yönde dü-şük diğer yönde yüksek değer elde edilirse o zaman diyot çalışır demektir.

Diyot devreye bağlandığında anot gerilimi katot geriliminden daha büyük ise düşük değerde bir direnç gibi davranacaktır ve dolayısıyla devreden akım. Eğer diyot ters şe-kilde bağlanırsa, yani katot gerilim anot geriliminden daha büyük ise o zaman yüksek değerde bir direnç gibi davranır ve devreden akım akmaz. Birinci durum için diyot, doğ-ru yönde kutuplanmıştır, ikinci durum için ters yönde kutuplanmıştır denir.

Şekil. 3.9 Diyot çeşitleri

Şekil 3.9’da pratikte kullanılan farklı türden diyotlar gösterilmiştir. Şekil 3.10’da farklı tür diyotların sembolleri verilmiştir. Çok sayıda özel amaçlar için yapılmış diyotlar var-dır: yüksek akım için, yüksek hızlarda çalışan, yüksek eşik gerilimim olan, alçak eşik geri-limim olan, foto diyotlar, değişken kapasiteli diyotlar vb. Diyotların çoğu silisyum kulla-nılarak yapılmıştır (çalışma sıcaklığından dolayı), fakat bazı durumlarda örneğin düşük iletkenli diyotlar için germanyum da kullanılır.

anodkatod

a) b) c) ç) d)

e) f ) g) ğ) h)

Şekil. 3.10 Diyot sembolleri: а) doğrultucu b) LED c) zener d) zener g) foto e) tunel f ) tunel h) shockley i) çığ j) varikap



Zener diyotlar gerilimin stabilizasyonu için kullanılırlar. Örnek olarak ZPD5.6V işareti ile işaretlenmiş Zener diyotun çalışma gerilimi 5.6 volttur yada ZPY15V işareti ile işaret-lenmiş Zener diyotun çalışma gerilimi 15 volttur.

Foto diyotlar (3.10 g şıkkı) PN eklemi üzerine ışık düşecek şekilde tasarlanırlar. Işık olmadığında foto diyot normal diyot gibi davranır, yani bir yönde düşük direnç diğer yönde yüksek direnç göstermektedir. Işık uygulandığında her iki yönde direnç düşük-tür ve üzerinden akım akar. Foto ve LED diyotlar optik elemanların en başında gelirler.

Tunel diyotlar (3.10 e) ve f )) yüksek frekanslarda çalışan osilatörlerde kullanılırlar. Shockley diyotları (3.10 h) yüksek frekanslı devrelerde kullanılırlar, doğru yönde iletim için düşük eşik gerilimlerinden dolayı kullanılırlar. Zener diyotlar (3.10 c) değişik cihaz-larda korum ve stabilizasyon amaçlı olarak kullanılırlar. Daha önceden belirlenen ge-rilim değeri üzerindeki gerilimlerde üzerinden akım akmaktadır. Varikap diyot (3.10 j) yüksek frekans tekniğinde değişken kondansatör gibi kullanılır. Devrede gerilim değeri değiştiğinde, anot ve katot arasındaki sığa değeri de değişir. Bu diyot genelde radyo alıcılarda ve osilasyon devrelerinde kullanılır.

Aynı zamanda ışık yayan diyotlar da vardır, LED diyotlar olarak adlandırılırlar, şekil 3.11’de gösterilmiştir. Bu diyotlar normal diyotlardan tamam farklı bir türdürler. Bu di-yotlar kristal maddeden yapılmıştırlar ve üzerlerinden akım geçtiğinde ışık saçarlar. Kristal maddenin yapısına bağlı olarak LED diyotlar kırmızı, sarı, yeşil, mavi veya turun-cu renkte ışık saçabilirler.

Şekil 3.11 Farklı renkte LED diyotlar Şekil 3.12 7-parça LED gösterge

Birden fazla LED parçanın aynı gövde üzerinde bağlanarak yerleştirilmesi ile 7-parça-lı LED gösterge elde edilir (şekil3.12). Bu yapı elektronik devrelerdeki sayısal gösterge-leri oluşturmak amacı ile kullanılırlar.

Diyotların işaretlenmesi: Avrupa’da diyotlar iki veya üç harf ve bir sayı kullanılarak işaretlenirler. Birinci harf diyotun üretildiği malzemeyi tanımlar (A-germanyum, B-silis-yum), veya Zener diyot söz konusu ise işaret Z dir. İkinci ve üçüncü har diyotun türünü ve kullanım alanını belirler.



Bazı diyot işaretleri:

А – düşük güçle çalışan diyotlar, AA111, AA113, AA121 gibi, vb. – bunlar radyo alıcısı-nın detektöründe kullanılırlar; BA124, BA125: varicap (varikap) osilatör devrelerinde ve alıcılarda değişebilen kondansatörlerin yerine kullanılırlar, BAY80, BAY93 – anahtarlama diyotları, lojik devrelerde kullanılırlar, BA157, BA158 – bir durumdan diğer bir duruma hızlı geçiş yapabilen anahtarlama diyotlar.

B – iki kapasitif (varicap) diyotun aynı gövde üzerinde yerleşmiş olduğu yapı BB104, BB105.

Y –BY240, BY243, BY244 regülasyon diyotları, bu diyotlar plastik bir kutu içerisinde saklanırlar ve maksimum 0.8 A değerine kadar çalışırlar. İşaretinde bir Y karakteri daha varsa o zaman daha yüksek akımlar için de çalışabilirler.

Örnek olarak, BYY44 diyotu, ki bu diyotun mutla maksimum çalışma akımı 1 A de-ğerindedir. Eğer Y karakteri Zener diyotta ikinci işaret karakteridir (ZY10, ZY30, vb), o zaman o siyotun daha yüksek akımlarda çalıştığını anlarız. G, G, PD – gibi farklı işaret ka-rakterleri toleransı ifade ederler. Bazı tolerans değerleri: ZF12 (5% tolerans), ZG18 (10% tolerans), ZPD9.1 (5% tolerans). Üçün işaret karakteri bazı özellikleri belirtmek için kulla-nılır (örnek olarak, yüksek akım).

Amerikan standartlarında işaretler 1N ile başlar ve rakamlar ile devam eder, örnek olarak 1N4001 (regülasyon diyotu), 1N4449 (anahtarlama diyotu), vb. Japon standartları Amerikan standartlarına benzer işaretleme kullanır. En önemli fark orada N karakteri ye-rine S karakteri kullanılır, örneğin 1S241.

3.8.2. TRANSİSTÖRLER

Transistörler, icra ettikleri fonksiyonlara göre çift kutuplu (bipolar, n-p-n veya p-n-p) ve tek kutuplu (MOSFET) olarak ayrılırlar, bu yüzden onların çalışmasında her iki yük taşı-yıcının (elektron ve boşluk) veya sadece bir yük taşıyıcının rolü olması önem taşımaktadır. Transistörler aktif elemanlardırlar ve elektronik devrelerde her yerde karşımıza çıkarlar. Transistörler genelde yükselteç ve anahtar gibi kullanılırlar. Yükselteç olarak, yüksek fre-kans ve alçak frekans tekniğinde, osilatör devrelerde, modülatör devrelerde, algılayıcılar-da ve daha bir çok elektronik devrede kullanılırlar. Dijital devrelerde transistörler anahtar gibi kullanılırlar.

Dünya çapında transistör üreten çok büyük üretici şirketler mevcuttur. Her transistör için üretici firmanın sağladı karakteristikler katalogu veya tablosu elinizde olması gerekir, oradaki verilere bakarak nasıl bağlanacağını belirleriz. Bu gibi katalog belgelerinde tran-sistör hakkında onu doğru kullanabilmek için gerekli bilgiler (maksimum çalışma akımı, güç, yükseltme vb) vardır. Yüksek, orta ve düşük güçlerde çalışan transistörler mevcuttur, ayrıca alçak frekanslarda, yüksek frekanslarda çalışan da vardır. Yüksek akım ve gerilimler-le çalışan transistörler de mevcuttur. Şekil 3.13’de bazı transistörler gösterilmiştir.

En çok kullanılan transistörler çift kutuplu transistörlerdirler ve daha öncede de be-lirttiğimiz gibi iki tip çift kutuplu transistör var, NPN ve PNP. Bu transistörlerin yapı mal-zemesi olarak genelde silisyum (B harfi ile işaretlenirler) veya germanyum (A harfi ile



işaretlenirler) kullanılır. İlk transistörler germanyumdan yapılıyordu fakat sıcaklığa çok hassastılar.

Silisyum temelli transistörler sıcaklığa daha dayanıklıdırlar ve üretim maliyetleri çok daha düşüktür. Transistör işaretlerinde ikinci karakter onun hangi amaçla kullanıldığını belirtir:

C - Orta ve düşük güçlerde çalışan AF transistör, D – Yüksek güçlerde çalışan AF transistörF - Düşük güçlerde çalışan YF transistör, G – Diğer transistörler,L – Yüksek güçlerde çalışan YF transistör,P – Foto transistörler,S – Anahtarlama transistörleri, U – Yüksek gerilim transistörleri.

Şekil 3.13 Değişik transistör türleri

Aşağıda bazı transistör örnekleri verilmiştir:AC540 – germanyum çekirdekli, AF, düşük güç,AF125 - germanyum çekirdekli, YF, düşük güç, BC107 - silisyum, AF, düşük güç (0.3W), BD675 - silisyum, AF, yüksek güç (40W), BF199 - silisyum, AF (550 MHz kadar),BU208 - silisyum (700V kadar), BSY54 - silisyum, anahtarlama transistör.

Bazı durumlarda üçüncü karakterin eklenmesi de mümkündür (R ve Q – mikrodalga transistörler, veya Х – anahtarlama transistörleri), fakat bu karakterler üreticiden üre-ticiye değişebilmektedir. Karakterlerden sonra gelen rakam kullanıcılar açısından bir önem taşımamaktadır. Amerikalı üreticilerin ürettiği transistörlerin işaretlemesi farklılık göstermektedir, 2N ön takısı kullanılır (örnek olarak 2N3005). Bu işaretleme diyotlarda-kine benzemektedir, orada ön takı 1N olarak kullanılırdı (örneğin 1N4004).



Japon standartlarındaki işaretlemelerde sıradaki ön takılar kullanılır: 2SA, 2SB, 3S 2SC veya 2SD, ve FET- transistörler için:

2SA - PNP, YF transistörü, 2SB - PNP, AF transistörü, 2SC - NPN, YF transistörü, 2SD - NPN, AF transistörü.

Transistörlerin devre sembolleri şekil 3.14 gösterilmiştir.

e)

N-Kanallı

(Sors)

(Drein)(Kolektör)

(Emiter)(Emiter)

(Beyz 1)

(Beyz 2)

(Gate)(Beyz)

a) b) c) ç) d)

Şekil. 3.14 Transistörlerin devre sembolleri

Düşük güçlerde çalışan transistörler küçük metal veya plastik gövde içerisine yer-leştirilirler ve değişik şekillerde olabilirler. Çift kutuplu transistörlerin üç bağlantı çıkışı (bacağı) vardır: beyz (B), emiter (Е), ve kolektör (C). Bazı durumlarda YF transistörlerin ekstradan bir tane daha bacağı vardır ve bu bacak gövdeye bağlanmıştır. Bu bacak ge-nelde topraklama amaçlı transistörün dış elektrik etkilerinden korumak için kullanılır. Dört bağlantı ucu bazı diğer transistörlerde de karşımıza çıkmaktadır, bun örnek olarak FET transistörleri gösterebiliriz. Yüksek güçlerde çalışan transistörler orta ve düşük güç-lerde çalışan transistörlerden hem büyüklük hem şekil bakımından farklılık göstermek-tedirler.

Çift kutuplu transistörler tek kutuplu transistörlere göre daha hızlı çalışırlar ve bu yüz-den analog yükselteç devrelerde kullanılırlar. Fakat, güçlü akımların akması sebebiyle bu transistörlerde disipasyon (kayıplar) büyük olduğundan, onları boyutları küçük olan çift kutuplu entegre devrelerde kullanılmalarını sınırlandırmaktadır.

Tek kutuplu MOSFET transistörler çift kutuplu transistörlere göre 50 kat daha yavaş-tırlar fakat aynı zamanda yaklaşık 50 kat daha az disipasyona (kayıplar) sahiptirler bir ve çok yüksek entegrasyon derecesine sahipler. Bu yüzden bu transistörler genelde 250MHz frekanslarda çalışan dijital mantık devrelerinde ve belleklerde kullanılırlar.

N-Kanallı

P-Kanallı P-Kanallı P-Kanallı P-Kanallı P-Kanallı

NPN

PNP

N-Kanallı N-Kanallı N-Kanallı



3.8.3. TRİSTÖRLER

Tristörler n-p-n-p şeklinde bağlanmış eklemlere sahiptir ve endüstriyel elektronik-te elektrik makinelerinde anahtarlama elemanı olarak kullanılmaktadırlar. Tristörlerin çıkışlarında çok küçük giriş gerilimleri ile çıkışta büyük gerilimler (200 V’tan büyük ge-rilimler) elde edilebilmektedir, öyle ki tristörleri lojik devrelerden elde edilen sinyallerle de komuta etmemiz mümkündür. Bu tür tristörlerin kapama hızı yaklaşık olarak 100ns dir, açma hızı ise yaklaşık olarak 1μs’dir, ki bu değerler onun maksimum çalışma frekan-sının yaklaşık olarak 100кHz yapar.

Şekil 3.15’ bazı tristörler gösterilmiştir. Triyaklar tristörlere benzerler, diyaklar ise dü-şük güçlerde çalışan doğrultucu diyotlara benzerler. Bu elemanların sembolleri ve gö-rüntüleri şekil 3.16’da verilmiştir.

Tristörler iyileştirilmiş diyotlardırlar. Anot (A) ve katot (К) yanında bir adet daha bağ-lantıları vardır, bu bağlantı genelde G (gate) ile işaretlenir, bunu şekil 3.16 a şıkkında görebilirsiniz. Tristörlerde de aynen diyotlarda olduğu gibi anot gerilim katot gerilimin-den daha yüksek seviyede olduğunda akım akar, fakat burada gate ucunun pozitif ol-ması ve cihazı tetiklemek için yeterince akım akması.

Şekil. 3.15 Farkı tür tristörler

Tristör akım iletmeye başladığında, gate ucundan akan akımın bir önemi yoktur, tris-tör anot ve katot ucunda akan akımın kesilmesi ile kapatılabilir. Tristörler bazı devre şe-malarında SCR şeklinde işaretlenirler, bunun anlamı silisyum kontrollü doğrultucudur.

Triyak tristöre çok benzemektedir, tek fark diyak her iki yönde iletme özelliğine sa-hiptir. Triyak’ın anot 1 (А1), anot 2 (А2) ve gate (G) olarak adlandırılan bağlantı uçları vardır. Alternatif akımlarla çalışan devrelerde regülasyon amaçlı kullanılırlar. Tristörler ve Triyaklar alfa sayısal karakterlerle işaretlenirler, örneğin KT430.

Düşük güçlerle çalışan tristörler ve triyaklar aynı tip gövdeler içerisine korunurlar, daha yüksek güçlerle çalışanlar ise tamamen farklı tip gövdelerde korunurlar, bazılar şekil 3.15’te gösterilmiştir.



Сл. 3.16 Tristör sembolleri

Bazı tristör ve triyakların nasıl göründükleri şekil 3.13 a ve b şıkkındı verilmiştir. Di-yaklar veya genelde iki yönde ileten diyotlar olarak adlandırıldıkları gibi şekil 3.16 c şık-kında gösterilmiştirler, diyaklar tristör ve triyaklarla beraber kullanılırlar. En önemli ka-rakteristikleri yüksek dirence sahip olmalarıdır, bu yüksek direnç değeri daha önceden belirlenen gerilim değerinin onun uçlarında belirmesine kadar devam eder. Bu gerilim değeri altında diyak değeri çok yüksek olan bir direnç gibi davranır, gerilim değerinin artması ile diyak direnci azalmaya başlar.

3.8.4. ENTEGRE DEVRELER

Entegre devreler elektronikte çok büyük öneme sahiptirler. Entegre devrelerin çoğu özel amaçlar için üretilmiştirler ve içerisinde binlerce transistör, diyot ve direnç içer-mektedirler. Entegre devreler (ED) özel amaçlar için kullanılırlar, bunlardan bazıları: FM alıcılar, ses yükselteçleri, dijital lojik devreler ve hatta mikrobilgisayar işlemci yongaları veya mikro denetleyiciler tek bir gövde içerisinde yerleştirilirler. Şekil 3.17’de gösteril-diği gibi entegre devreler üretim şekline göre, hibrid ve monolit olarak sınıfl andırılırlar.

Şekil 3.17 Farklı tip entegre devreler

a)

b) c)



Şekil 3.18 birkaç farklı tür ED gösterilmiştir. Entegre devrelerin bazıları çift sıra ba-caktan oluşmaktadır: DIL16 ve DIL8, şekil. 3.18 а) ve şekil 3.18 b) şıkkında gösterilmiştir. Entegre devre bacakları saat akreplerin ters yönünde olacak şekilde numaralandırılırlar. Yüksek güçlerde çalışan entegre devreler yüksek ısı üretirler bundan dolayı gövdeleri altına ısıyı emen metal soğutucu parçalar eklenir. Bu entegre devreler için örnekler şekil 3.18 c), 3.18 d) ve 3.18 e) şıklarında gösterilmiştir.

Şekil 3.18 f ) şıkkındaki sembol yükselteç gibi kullanılır. Şekil 3.18 g) şıkkında verilen devre işlemsel yükselteç olarak kullanılır. (+) ve (-) işaretleri terslemeyen ve tersleyen girişleri ifade ederler. Giriş sinyalini yükseltmek için girişlerden birine ve topraklamaya bağlarız.

Şekil 3.18 Bazı entegre devre sembolleri

Entegre devreler bir başka kritere göre iki ayrı büyük gruba ayrılabilirler, bunlar: analog (lineer) ve dijital. Lineer devrelerde çıkış süreklidir ve giriş sinyaline bağlı olarak değişmektedir. Lineer entegre devreler için tipik örnek olarak ses yükselteçlerini göste-rebiliriz. Dijital entegre devrelerde çıkış gerilim sadece iki değere sahip olabilir, bu de-ğerler alçak ve yüksek olarak ifade edilir. Bu değerler çok hızlı şekilde değişmektedirler.

1 - Giriş2 - Çıkış3 - Ayarı

Terslemeyen Giriş

Tersleyen Giriş

Çıkış

a) b) c)

d) e) f )

ç)



3.9. ENTEGRE DEVRELERDE İNCE FİLM VE KALIN FİLM TEKNİĞİ

3.9.1 KALIN FİLM TEKNİĞİ

Kalın film tekniğinin kullanıldığı entegre devrelerin kalınlığı ≈10-30μm civarındadır, içerisinde sadece pasif elemanlar içerirler: iletim hatları ve dirençler, bazen kondansa-törler ve çok nadiren bobinler içermektedirler. Bu entegre devreler genelde Al2O3 sera-mik taban üzerine inşa edilirler, bazen sıcaklık iletkenliği çok yüksek olan BeO seramik taban kullanılır, fakat maliyeti çok yüksektir.

Kalın film tekniğinin uygulandığı entegre devrelerin malzemeleri pasta şeklinde ha-zırlanır, bu pastalar toz halinde temel malzemeler içerirler (iletkenler, yalıtkan, dielekt-rikler ve manyetik malzemeler) ve kalınlığı yaklaşık 1μm dir, ayrıca çok küçük cm parça-cıklar ve organik viskoz çözücüler de vardır.

Kalın film tekniğinde temel süreçler sırası ile: baskı, kurutma ve taban pastasının sin-terlenmesi. Baskı süreci serigrafi kullanarak uygulanır, kullanılan malzeme naylon veya çelik malzeme olabilmektedir. Daha sonra kalın film kızıl ötesi ısıtıcılar kullanarak ku-rutulur, daha sonra organik çözelti kullanarak buharlaştırma işlemi uygulanır. Kurutma esnasında kalın film tabaka incelir ve yoğunluğu artar. Daha sonra 10 dakika süreyle 850oC altındaki sıcaklıkta sinterleme (ısıl işlem) uygulanmaktadır. Sinterleme aslında en kötü durumda malzemenin erime sıcaklığı altına ona uygun şekli ve polikristal kütleyi oluşturma için kullanılan bir süreçtir. Burada toz şeklinde olan küçük parçacıklar şekille-nirler (genelge serigrafi yöntemi ile baskı uygulayarak) ve daha sonra. Normal şartlarda sinterleme süreci üç fazdan oluşur, bu fazlar şekil 3.19’da gösterilmiştir. Başlangıç fazın-da parçacıklar arası temas sağlanır fakat üzerlerinde bir değişiklik olmaz. Daha sonra parçacıklar aralarında birleşmeye başlarlar ve aralarında bir tür “boyuncuklar” oluşur. En sonunda parçacıklar tamamen kör oluyorlar ve bireyselliklerini kaybederler.

а) birinci faz b) ikinci faz c) üçüncü faz

Şekil 3.19 Parçacıkların üç fazda sinterlenerek birleştirilmeleri

İletken pastaların oluşturulmaları için iyi iletken veya alamlar kullanılır (Au, Pd-Au, Pt-Au, Pd-Ag-Pt, Ni, Cu,…), yalıtkan pastaların oluşturulması içim metal oksitler kullanılır (Bi2Ru2O6, RuO2, Pb2Ru2O6,...).



Dielektrik pastaların yapımı için kondansatör seramikler olarak adlandırılan malze-meler kullanılır (BaTiO3, BaTiO3-SrTiO3, TiO2-MgO, TiO2-ZnO, TiO2-CaO,….). Bağlantı mal-zemeleri olarak bor silikat, alüminyum silikat, oksit, karışık oksit camlar, organik malze-me olarak etil selüloz ve terpentin yağı kullanılır. Şekil 3.20’de kalın film tekniğini kulla-nılarak elde edilen direnç ve kondansatörün dikey kesiti gösterilmiştir.

Yalıtkan Devre İletken Devre

Alt elektrot

Üst elektrot

Dielektrik

Şekil 3.20 а) kalın film tekniği direnç b) kondansatör

3.9.2. İN CE FİLM TEKNİĞİ

İnce film tekniğinin kullanıldığı entegre devrelerin kalınlığı yaklaşık olarak 0,005-5

μm dir, pasif ve aktif elemanlı olabilirler (süper iletken, dielektrik ve manyetik). Pasif devreler iletim hatları, dirençler, kondansatörler ve çok nadiren bobinler içerirler. Taban olarak genelde seramik kullanılır (AI2O3, nadiren BeO), bazen safir, silisyum ve değişik cam türleri kullanılabilir.

İnce film tekniğinde kullanılan adınlar olarak, buharlama, püskürtme, tabakaların elektro-kimyasal yöntemle yer değiştirmesi ki bu tabakalar pürüzsüz ve yağlı olmaları gerekir bu özellik tabakalar arası malzemeleri sıcaklık katsayılarının yakın olması açı-sından önemlidir. Bu özellik sayesinde ince polikristal yapıda deformasyon olması ön-lenmiş olunur. Taban seçimini etkileyen faktörler sırası ile: maliyeti, sıcaklık iletkenliği (devrenin soğutulması açısından), elektriksel direnci (elektriksel parazitlerin giderilme-si amacı ile). Elde edilen ince film direnç ve kondansatörler (ince film direnç ve kondan-satörlerin boyutlarını şekillendirme) lazer kullanılarak kısaltılırlar ta ki istenilen değerler elde edilinceye kadar.

Belirtmemiz gerekir ki ince film pasif bileşenlerin kararlılığı (frekans ve sıcaklık) yarı iletken entegre bileşenlere göre daha sonuçlar göstermektedir. Bu yüzden bu pasif ele-manlardan yarı iletken aktif yonga-bileşenlerle ve minyatür cihazlarda kullanılan yon-ga-direnç ve yonga-kondansatör olarak adlandırılan bileşenler üretilmektedir.

Kalın film ve ince film tekniğiyle elde edilen entegre veya ayrık aktif yarı iletken bi-leşenlerin ve pasif bileşenlerin bir arada kullanıldıklara kombinasyon hibrid entegre devre olarak adlandırılır. Bu tür devreler az sayıda üretilirler, genelde birkaç bin adet kadar olmaktadır ve özel amaçlar için kullanılırlar. Uygulama alanlarına göre sıradaki gibi sınıfl andırılırlar: analog (yükselteçler, filtreler, doğrultucular vb.), dijital (lojik devreler, bellekler),

a) b)



analog dijital dönüştürücüler, endüstriyel (güçlü osilatörler, yükselteçler, regülatörler vb.), mikrodalga (mikrodalga osilatörler, modülatörler, yükselteçler, sınırlayıcılar, za-

yıfl atıcılar, anahtarlar, faz kaydırıcılar, filtreler, rezonatörler, geciktiriciler vb.), ve optoelektronik hibrid devreler (optik modülatörler, anahtarlar, yükselteçler, de-

modülatörler vb.)

Şekil 3.21 Hibrid entegre devre

Yapılarına göre, yarı iletken ve çoklu yongalı hibrid devreler mevcuttur. Şekil 3.21’de hibrid entegre devre gösterilmiştir.

3.10. YARI İLETKEN ENTEGRE DEVRELERİN GELİŞİM PRESPEKTİFİ

Günümüzde silisyum entegre devrelerin ulaştıkları gelişim seviyesi, hem boyutlarının küçük olması hem de ulaştıkları çalışma hızları bakımında kendi sınırlarını zorladıklarını göz önünde bulundurduğumuzda son yıllarda bu sınırların aktif bileşenlerin fonksiyon-larının geliştirilmesi anlamında ve yeni mikroelektronik malzemelerin üretilmesi anla-mında çok büyük araştırmalar geliştirme faaliyetlerin yapıldığına tanık olmaktayız.

Çalışma hızı sınırlarını aşma bakımından günümüzde en iyi çözümlerden biri GaAs yarı iletkenin kullanılmasıdır, yeni daha gelişmiş yapı olarak ise yeni malzemelerin kulla-nıldığı heterotabakalı (çoklu tabakalı) ve balistik entegre devrelerin üretilmesini göste-rebiliriz. Bunun dışında, hem çalışma hızı bakımından hem de bileşenlerin fonksiyonları bakımından radikal çözümlerden bir tanesi ise, son on yılda moleküler mikro elektronik-te yapılan araştırmalar ve elde edilen sonuçları gösterebiliriz. Elde edilen sonuçlar, hem çalışma hızı açısından hem de boyutlar açısından çok büyük umutlar vaat etmektedir.

Son yıllarda optoelektronik entegre devrelerin geliştirilmesi için çok yoğun çaba sarf edilmektedir. Günümüzde bu gibi entegre devrelerin yapımında en ileri aşama GaAs’nın kullanılması ile elde edilmiştir. Bu ilerleme doğrudan enerji boşluğu sayesinde lazer kay-nakların yapılmasının sonucunu doğurmuştur.



Optik iletim hatların monolit entegre devrelere göre potansiyel avantajları sırası ile: düşük maliyet, yüksek verimlilik, sağlamlık ve kompakt olmaları, veri akışı hızının art-ması ve son olarak optik cihazlarda yapılan ayarlamalar ile görülünün azalmasına yol açmak.

Şimdiye kadar incelenen tüm yarı iletken devrelerde elektriksel yük taşıyıcıların ha-reketi transistörün aktif bölgesinde olmaktaydı ve hızları doyumdaki hızların ortalama-sıydı. Fakat, maksimum hız normal hızdan en az birkaç kadar daha fazla olabilmektedir.

Bu argüman balistik transistör olarak adlandırılan yeni elemanların üretilmesine neden olmuştur. Bu tür devrelerde elektronlar kristal kafes içerisindeki iyonize olmuş katkı atomlara ve fononlara çarpmadan maksimum hızlara ulaşmaktadır!

Son yıllarda yarı iletken elemanların yapımında daha çok indiyum kullanılmaktadır, örnek olarak temel çift kutuplu transistörün yapımında çok tabakalı InAlAs/InGaAs ala-şımı kullanılmaktadır.

Elmas (C) kullanımı yarı iletken bileşen teknolojisinde gün geçtikçe kullanımı yay-gınlaşan bir madde olarak karşımıza çıkmaktadır. Elmas dielektrik maddedir, fakat öyle bir yapıya (atomların dağılımı nerde ise mükemmeldir) sahiptir ki öz ısıl iletkenliği çok büyük olmaktadır, bakır ve gümüşünkinden çok daha büyük.

Entegre devrelerin boyutları problemi açısında en radikal çözümler moleküler mik-roelektronik göstermektedir, burada moleküllerin boyutları ve doğası kullanılarak çö-zümler aranmaktadır. Bu teknoloji henüz gelişme aşamasındadır.

Moleküler mikroelektroniği gelişmesinin sebeplerinden bir tanesi de soliton olarak adlandırılan elektriksel yük taşıyıcıların disipasyonsuz (sıcaklık kaybı) hareketinin oluş-masından dolayıdır. Burada soğutma problemini ihmal eder duruma geliriz.

Menşeine göre moleküler anahtarlar biyolojik veya sentetik olabilmektedirler, icra ettikleri fonksiyona göre ise elektrik, optik veya elektrooptik olabilmektedirler. Şimdiye kadar yapılan laboratuar çalışmalarında önerilen moleküler anahtarların hala hiçbirinin uygun moleküler yonganın yapımı için istenilen sonuçları vermediği belirtilmektedir.

Belirtmemizde fayda var ABD ve Japonya moleküler mikroelektroniğin geliştirilme-sinde stratejik işbirliğine gitmiştirler. Fakat, pratik uygulamalarda bir çok problemin he-nüz çözüme kavuşmadığını belirtmeliyiz, bu problemlerden bazıları, makro molekülle-rin kimyasal kararlılığı, makro moleküllerin aralarındaki bağ “teller” vb.



3.11. NANOTEKNOLOJİLER

Nanoteknoloji malzemelerin milyarda biri olan boyutlarda malzeme ve süreçler ile ilgilenmektedir. Bu boyutlarda bilinen malzemeler bile makro boyutlara göre çok farklı davranışlar göstermektedirler. Malzemelerin büyük dayanırlık, katalizatör karakteristik-leri, ışığa gösterdikleri tepki, elektriksel vb. karakteristikler onların tıptan askeri amaçlar için geniş bir yelpazede kullanılmalarına neden olur. Piyasada günümüzde nanotek-nolojik bileşenler kullanılarak üretilen bazı malzemeler halihazırda kullanılmaktadır. General Motors otomobillerde çok kullanılan ve satılan nanomalzemeler üretmektedir. Nanoteknolojinin insan hayatında nerde ise tüm alanlarda kullanımı mümkündür fakat asıl kullanım 2010 yılından sonra hızlanması beklenmektedir.

Umut ederiz ki bu kitabın gelecekteki baskılarında bu alanda dair yeni buluş ve tek-nolojilerle karşınıza çıkarız.

3.12. BASKILI DEVRELERİN YAPILMASI

Sırada baskı devrelerin amatör şartlarda temel yapım teknikleri ve adımları gösteri-lecektir.

Baskı devre (BD) (ing. Printed Circuit Board - PCB) el yardım ve makine yardımı ile yapılabilir. Ek A’da baskılı devre plakaların amatör şartlar altında el yardımı ile nasıl ya-pıldığı anlatılmıştır. Burada her şeyden önce sadece gerekli olan uygun malzemenin seçiminin nasıl yapıldığı anlatılacak ki yapım aşamasına geçmek için sıradaki adımları uygulayalım:

Çalışma malzemesinin seçimi;

Plakanın kesilmesi;

Bakır yüzeyin temizlenmesi;

İletim hatlarını oluşturan bakır yüzeyin kaplanması;

Gereksiz olan bakırın temizlenmesi;

Temizleme ve koruma;

Elemanların takılacağı yerlerin delinmesi ve onların eklenmesi;

Final işlemleri ve hazır devrenin korunması.



TEKRARLAMA SORULARI

3.1. Yarı iletkenlerde enerji bölgelerini incele.

3.2. ρ’nun sıcaklığa olan bağımlılığını incele.

3.3. Yarı iletkenlerin temel uygulamalarını say.

3.4. Saf yarı iletkenlerde temel elektriksel yük taşıyıcıların oluşma mekanizmasını açıklayınız.

3.5. Yarı iletkenlerde elektrik akımının iletilme prensiplerini açıklayınız.

3.6. Yarı iletkenlerde n(t), μ(t) ve σ(t) parametrelerin birbiriyle olan ilişkisini incele ve karşılaştırma yap.

3.7. Si, Ge, GaAs önemli özelliklerinin karşılaştırmasını yap.

3.8. Ge nerede kullanılır?

3.9. Elmasın önemli özelliklerini açıkla.

3.10. En önemli yarı iletken alaşımlar hangileridirler?

3.11. Monokristal elde etme yöntemlerini say.

3.12. Czhochralski yöntemini açıkla.

3.13. Düzlem yöntemi teknolojisi ne demektir?

3.14. Entegre devre elde etme adımlarını say.

3.15. Bildiğin diyot türlerini say ve ne için kullanılırlar?

3.16. Diyotların nasıl işaretlendiğini açıkla.

3.17. En çok hangi transistörler kullanılırlar?

3.18. Transistörlerin nasıl işaretlendiğini açıkla.

3.19. МОSFET transistörlerin nerde kullanıldıklarını açıkla?

3.20. Tristörler nerede uygulanırlar?

3.21. Tristörler çalışmasını açıklayınız.

3.22. Entegre devre yapısını açıklayınız?

3.23. Entegre devrelerin nerede kullanıldığını açıklayınız?

3.24. İnce film ve kalın film teknolojisi uygulanarak entegre devrelerin nasıl elde edildiğini açıklayınız.

3.25. Yarı iletken entegre devrelerin gelişiminin yönlerini kısaca açıklayınız.

3.26. Nanoteknoloji hakkında bilgin var mı?

3.27. PCB baskı devre plakaları yapım sürecini açıklayınız.

4.Dielektrik

malzemeler

4.Dielektrik


Dielektrik malzemelerin sınıfl andırılması

Dielektrik malzemelerde dielektrik kayıplar

Dielektrik malzemelerde Dielektrik sertliği

Dielektriklerin elektrik polarizasyonu

Yalıtım malzemeleri

İzolasyonlu kablolar

Optik kablolar

Kondansatör malzemeleri

Kondansatörler

Özel Dielektrik malzemeleri

DİELEKTRİK MALZEMELER 87


4.1. DİELEKTRİK MALZEMELERİNE GİRİŞ

Önceki konularda dielektriğin yüksek enerji seviyesi (Eg>3,5eV) ve öz elektrik direnci р~106÷1018 Ωm özellikleri olduğu vurgulandı. Bu da oda sıcaklığında bu malzemelerin aslında iletken olmadığını göstermektedir. Dielektrik, bir güç kaynağına bağlı, iki me-tal elektrot arasında yerleştirildiği zaman meydana gelen zayıf elektrik akımı genellikle iyonların hareketinden, nadiren oda sıcaklığında neredeyse yok denilecek kadar az ser-best elektronlardan kaynaklanır.

Dielektriklerde küçük iletkenliğin varlığı, elektrik devrelerinde dielektrik kayıpları açısının (tgo) tanjantı (etkeni) ile karakterize edilen kondansatörlerin özelliklerini boz-maktadır.

Sıcaklığın artmasıyla hızlı bir şekilde elektronların üst valans bölgesinden alt ilet-kenlik bölgesine geçmesini sağlayan elektron – boşluk çiftleri oluşmaya başlar ve die-lektriğin öz direnci azalır. İletken taşıyıcılarının aşırı artması dış elektrik alanının etki-siyle (gerilimle) de meydana gelebilir ve bu durumda dielektrik dayanımına bağlı yani elektrik alanının dielektriği etkileme gücüne (Ekr) göre dielektriğin delinmesi meydana gelebilir.

Dielektrik yapısının resmine bakarak, büyük enerji boşluğu ve oda sıcaklığında nere-deyse boş iletken bölgesiyle, dielektrikte meydana gelen karmaşık süreçleri açıklamak için yeterli olmadığını vurgulamak gerekir. Dielektrik malzemelerin, büyük ölçüde doğ-ru ve alternatif elektrik alanına, onların optik özelliklerine ve atomların, iyonların veya moleküllerin yapısı ve davranışlarına göre, dielektriklerin kutuplaşması bağlı olduğu göz önünde bulundurmak gerekir. Dielektriklerin kutupsal özellikleri bağıl dielektrik geçirgenlik, daha doğrusu geçirgenlik (εr) ile karakterize edilir.

4.2. DİELEKTRİKLERİN AYRILMASI

Dielektrikleri farklı şekillerde sınıfl andırabiliriz: kullanılışlarına göre, kökenlerine göre, hallerine göre, dielektrik (yalıtım) özellikleri ve kutuplaşmalarına göre.

Kullanılışlarına göre dielektrikler pasif ve aktif olarak ayrılabilirler. Pasif dielektrik-ler genel olarak sadece yalıtım malzemeleri olarak, aktifl er ise elektronik bileşenlerinde (kondansatör, piezodönüştürücüler, ekranlar v.b.).

88 DİELEKTRİK MALZEMELER


Kökenlerine göre dielektrikler doğal ve suni olmak üzere organik ve inorganik olarak ayrılırlar.

Hallerine göre dielektrikler: katılar amorf, polikristal, monokristal, polimer, ve sıvı kristal yapıya sahip olmak üzere sıvı, gaz ve katı olarak ayrılırlar.

Yalıtım özelliklerine göre dielektrikler zayıf, iyi ve mükemmel (tab.4.1) olarak ayrılabi-lirler. Mükemmel yalıtkanlar genellikle kaliteli kimyasal bağları ve elektronik kutup-laşma, iyiler iyonik kimyasal bağ ve iyonik kutuplaşma, zayıflar ise genel olarak yönlü kutuplaşma olan kalıcı elektrik dipolleri içeren yapıya sahiptirler.

Таb. 4.1 Değişik yalıtkanların dielektrik parametrelerinin büyüklükler sırası

� [�� 106÷1010 1010÷1014 >1014 1018

tg� [·10-4] >100 <100 <10 <10-4

�r >10 <10 <3 15000 (BaTiO3)

Ekr [kV/mm] <25 25÷50 �50 800 (Al2O3

≤1(polietilen, yağlar)

160 (polietilen, asetatı)filmi)

(gazlar)

Zayıf yalıtkanlar

İyi yalıtkanlar

Mükemmel Yalıtkanlar Limit değerleri

(tefl on)

Dielektrik Malzemelerinde elektrik akımını yaratanlar: serbest elektronlar ve boş-luklar, serbest iyonlar ve serbest elektrik yüklü moleküller. Elektrik iletkenliği olan die-lektrik malzemeler az sayıdadır. Örnek olarak rutil (titan dioksit TiO2) 500ОC sıcaklıkta serbest elektronları olan ve baryum, kalsiyum, stronsiyum titanda serbest elektronlar elektrik miktarı taşıyıcılarıdır. Şiddetli elektrik alanı etkisinde, elektrik delinmesi sını-rında çok sayıda dielektriklerde elektronlar başlıca elektrikleşmenin taşıyıcılarıdır ve elektrik akımın elektrik alanının etkisinden iyonların yönlü hareket neticesinde oluş-maktadır.

Gaz halinde olan dielektrik malzemelerinde iyonlar iyonizasyon nedeniyle oluşur (elektronların serbest kalması ve onların nötr atomlarla bağlanması), atomların kozmik veya radyoaktif ışınlanma yardımıyla, ısıtmayla v.b. Normal koşullar altında gaz halinde-ki dielektriklerde iyonların konsantrasyonu oldukça düşüktür (örneğin, hava, yaklaşık 1013 iyon/m3 içerir). Sıvı ve katı dielektrik malzemelerde iyonlar, katkı maddelerin mole-küller ya da atomlarından, nem, yabancı maddeler veya çekirdek malzemenin molekül veya atomlarından oluşabilirler.

Bazı cila ve yağlar gibi dielektrik malzemelerinde, elektrik miktarının hareketli taşı-yıcıları elektrik yüklü molekül gruplarıdır. Onlar çoğu zaman iki malzemenin karışımı (ikincil aşama) temsil eder. Birincil aşama küçücük parçalar (damla, tanecik, toz) biçi-mindedir ve eşit ölçüde ikincil aşamaya (sıvıya) dağıtılmıştır. Bu tip en önemli (koloid) dielektrik malzemeleri emülsiyonlar (ikincil aşama sıvıdır) ve süspansiyonlardır (birincil aşama katı, ikincil aşama ise sıvıdır).



Еmülsiyonlar ve süspansiyonlar sürekli stabil, birinci aşamada elektrikleşmiş parça-cıklar başlıca elektrik miktarı taşıyıcılarıdır. Elektrik alanında elektrik yüklü parcacıkların yönlü hareketi meydana gelir ve bu olaya elektroforez (yun. / lat. electro + foreus – ta-şıyıcı, elektrik akımın etkisiyle koloidal parçacıkların çözelti içinde yolculuğu) adı verilir. Еlektroforez metal yüzeyleri üzerine kauçuk veya reçine süspansiyonları ile kaplamak için kullanılır.

Dielektrik malzemesi sürekli dış elektrik alanı etkisinde, mesela doğru akıma bağ-lı elektrotlar arasında bırakılmış olsun. Dielektriğin bir şekilde dışsal elektrik alanına tepki göstermesi beklentisi doğaldır, çünkü içinde yönü ters olan kuvvetin etki ettiği pozitif ve negatif yüklü parçalar bulunmaktadır.

“Bağlı” yük parçalarının hareketliliği, dielektrik malzemesinin kutuplaşması ta-mamlanıncaya kadar devam eder. Sürekli elektrik alanı etkisi altına bırakılan dielekt-rik malzemesi, 10-12 süren kutuplaşma süreci bitiminde sadece iletim akımı kalır.

Katı ve sıvı dielektriklerde iletim akımı yüzeysel Ics ve hacimsel Icv bileşenlerinden oluşmuş ve buna bağlı yüzeysel ve hacimsel elektrik direncini tanımlamak mümkün-dür. Katı dielektriklerde hacimsel elektrik direnci рv , sıcaklığa, malzemenin kimyasal yapısına ve onun katkı maddelerine, elektrik alanının şiddetine v.b. bağlıdır. Yüzeysel elektrik direncine etki eden faktörler: nem oranı, yüzeyin temiz ve parlaklığı, gözenek-liliği, kutuplaşması v.b. Sıvı dielektrik malzemelerinde elektrik direncini etki eden ne-denler: yabancı maddelerin varlığı, (su, başka sıvılar, tozlar ve benzer), sıcaklık, elektrik alan şiddeti v.b.

Gaz halinde olan dielektriklerde gerilimin iletim akıma bağlılığı aşağıdaki resimde gösterilmiştir. Resim. 4.1 üç alan belirtilmiştir, onu da О dan А’ ya ki burada lineer ba-ğımlılık vardır (Ohm kanunu), ondan sonar A dan B’ ye ki burada doygunluk alanı bu-lunur ve B noktasının üstündeki alan ki burada etkili iyonizasyon olan bölgeyi gösterir.

Resim. 4.1 Gaz halinde olan dielektriklerde gerilimin iletim akıma bağlılığı



4.3. DİELEKTRİK MALZEMELERİNDE DİELEKTRİKSEL KAYIPLAR

Dielektriksel kayıplar elektrik enerjisinin zaman birimi içerisinde geri dönüşümü ol-mayacak şekilde diğer bir enerji şekline (genellikle ısı) dönüşen dielektrik malzemenin içindeki elektrik enerjisinin bir kısmıdır.

Dielektriksel kayıplar şunlardır: Joule (termogen) kayıpları Kutuplaşma (polarizasyon) kayıpları İyonlaşma kayıpları ve Malzemenin homojen olmamasından dolayı kayıplar.

Joule kayıpları elektrik iletkenliği sıfırdan büyük olan her dielektrik malzemesinde meydana geliyor. Genellikle katı ve sıvı dielektriklerde ve nadiren gazlarda meydana gelir. Bu kayıplar hem sürekli hem de değişken elektrik alanlarında vardır ve elektrik alanının frekansına bağlı değildir. Kayıplar sıcaklığın yükselmesiyle artar, çünkü bu du-rumda dielektrik malzemesinin elektrik iletkenliği artmaktadır.

Polarizasyon kayıpları sürekli elektrik dipollü dielektrik malzemelerinde ve iyonik po-larizasyonu olan bazı malzemelerde meydana gelir. Dışsal elektrik alanı atomların veya moleküllerin termik hareketliliğini bozar ve bu durum malzemeyi ayrıca ısıtmaktadır. Bu kayıplar her dielektrik için özel olan kritik sıcaklıkta maksimuma ulaşır. Polarizas-yon dielektrik kayıplarına, dışsal elektrik alan etkisinin belirli frekanslarından meydana gelen rezonans kayıpları da düşmektedir.

İyonizasyon yüzünden meydana gelen dielektrik kayıpları genellikle gaz halinde olan dielektrik malzemelerinde meydana gelir. Şiddetli elektrik alanlarında dielektri-ğin atom veya moleküllerin iyonizasyonu nedeniyle enerji kaybı oluşur. Malzemenin homogen olmayışından dolayı kayıplar katmanlı dielektrik malzemelerinde meydana gelir ve malzenmenin yapısına ve katkı maddelerine (yabancı maddelere) bağlıdır.

Dielektrik kaybın ölçüsü olan makroskopik büyüklük dielektrik kayıp açısının tan-jantıdır - tg8, ki buna dielektriksel kayıp faktörü de denir. Dielektrikten geçen toplam akım ve onun reaktif (kapasitif ) bileşeni arasındaki 8 açısı ne kadar küçük ise, dielektrik kayıpları o kadar az olur.

4.4. DİELEKTRİK MALZEMELERİN DİELEKTRİK SERTLİĞİĞİ

Genellikle, dielektriklerde durumları açıklarken zayıf elektrik alanının etkisi göz önünde bulundurulur. Alanın şiddeti belli bir değere kadar yükselirse, dielektrik malze-mesinin dayanıklığı aşırı bir şekilde azalmaktadır, yani öyle denilen dielektriğin elektrik denilmesi meydana gelir.



Dielektriğin durum haline göre elektrik delinmenin sebepleri ve sonuçları ayrıdır.

Dielektrik malzemesinin elektrik delinmeye karşı özelliğini gösteren büyüklük die-lektriğin delinme gerilimi Upr dir. Bu gerilim her dielektrik için ayrıdır ve malzemenin özelliklerine ve dış etkenlere göre değişir. Bu nedenden dolayı delinme gerilimini değe-ri yanında bu değerin hangi şartlar altında belirtildiği bilinmesi gerekir.

Dielektrik malzemesi homojen elektrik alanı etkisinde maruz kalırsa, dielektrik sertli-ği aşağıdaki ifade ile belirtilir:

��

��

mMV�

mmkV

dU

E prpr (4-1)

Gaz halinde olan dielektriklerde güçlü elektrik alanında elektrik yüklü parçacık-lar (elektronlar ve iyonlar) iki çarpışma arasında kinetik enerjisi o kadar büyük olabiliyor ki nötr molekül ile çarpışmasında onu iyonize edebiliyor. Çarpan elekt-ronun enerjisi nötr molekülü iyonize etmek için yeterli olmadığı zaman uyarılmış duru-ma geçer. Molekülün esas duruma dönmesi için foton emisyonu izler ve başka molekülün iyonize olmasına neden olabilir.

Delinme sırasında elektrotlar arası iyonize gaz kanalı oluşur, ilk önce kıvılcım mey-dana gelir, öyle ki yeterince büyük voltajda elektrik yayına dönüşür. Gaz halindeki die-lektrik malzemelerinde dielektrik sertliği büyük ölçüde sıcaklığa ve basınca bağlıdır. Basıncın artmasıyla elektronların ortalama serbest yol uzunluklarında azalma meyda-na geliyor, onunla beraber dielektrik sertliği artmaktadır. Basıncın azalmasıyla karşılıklı dielektrik sertliğin azalması yol açar. Çok düşük basınçta, gazlar çok seyreltilmiş du-rumdadır, bundan dolayı moleküllerin iyonizasyon olasılığının azalması söz konusu oluğu için dielektrik sertliği yeniden artmaktadır.

Sıcaklığın artmasıyla gazların yoğunluğu azalmaktadır, yani elektronların ortalama serbest yol uzunlukları artar ve gaz halinde dielektrik malzemenin dielektrik sertliği azalır. Gaz halindeki dielektrik malzemelerin dielektrik sertliğine büyük ölçüde katkı maddeleri ve nem oranı etki eder, frekansın etkisi ise zayıftır. Gaz halindeki dielektrikler elektrik delinmesinden sonar kendisini yeniliyor.

Saf sıvı dielektrik malzemelerinde elektrik delinmesi, gazlarda olduğu gibi etkili iyo-nizasyon ile meydana geliyor. Sıvı dielektriklerin gazlara kıyasen daha büyük dielektrik sertliği vardır, çünkü onlarda iyonizasyonu gerçekleştiren elektronların ortalama ser-best yol uzunlukları daha küçüktür.

Gerçek sıvı dielektrikler katkı maddeler içermektedirler (su, gazlar, katı parçacıklar), bu yüzden dielektrik sertliği onların dielektrikteki yoğunluğuna bağlıdır. Sıvı dielektrik malzemelerinde sıcaklığın ve basıncın etkisi pratik olarak bir anlamı yoktur ve onlar elektrik delinmesinden sonar kendilerini yenilerler.



Katı dielektrik malzemelerinde delinme, elektrik, elektrotermik veya elektrokimyasal delinme neticesinde meydana gelir.

Katı dielektriklerde elektrik delinmesi sıvı ve gazlarda olduğu gibi elektronlar ve boş-lukların katılımıyla gerçekleşen etkin iyonizasyonuna benzer.

Еlektrotermik delinme, dielektrik kayıpları nedeniyle dielektriğin ısınmasından mey-dana geliyor. Bu da birikilen bir süreçtir çünkü ısıyla, dielektrik kayıpları artmaktadır.

Elektrokimyasal delinme dielektrik malzemesinde, dielektrik direncinin azalmasıyla elektrik alanın etkisinden meydana gelen kimyasal değişimler sonucunda oluşur. Nadir durumlarda elektrik alanları malzemenin elektrolizine (ayrışmasına), malzemenin yüze-yinde ozon oluşmasına v.b. neden olabilir.

Uzun süre güçlü elektrik alanın etkisinde kalan dielektrik malzemesinin dielektrik sertliği azalarak kimyasal değişmelere neden olur ve bu olaya dielektrik malzemesi-nin yaşlanması denir

4.5. DİELEKTRİKLERİN ELEKTRİK POLARİZASYONU

Malzemelerin dielektriklerin özellikleri büyük ölçüde onların moleküllerinin yapısına bağlı olup polar ve polar olmayanlar olarak ayrılırlar.

Gözetlenen dielektrik malzemesi dış elektrik alanında bulunmasa bile, polar dielekt-riklerde moleküller aynı zamanda dipollerdir, çünkü atomların moleküllere bağlanma-sında pozitif ve negatif yüklerin dağılımı, moleküllerin elektrik dipollerinin sürekli var-lığını göstermektedir. Örnek olarak suyun molekülleri ısı enerjisinin etkisi altında her yöne kaotik (düzensiz) hareket eden elektrik dipoller sürekli mevcuttur - resim (4.2 a). Polar dielektrik dışsal elektrik alanı E etkisi altına bırakılırsa, dipollerin kutuplaşması kıs-mi yönlenecektir (τ~10-9s zaman içerisinde), çünkü kesintisiz ısı deviniminden dolayı di-poller tam olarak elektrik alanı yönünde hareket edemezler (resim 4.2 b). Elektrik alanı doğrultusunda yönlenmiş dipol sayısı, elektrik alanı şiddetini Е artmasıyla ve sıcaklığın azalmasıyla artmaktadır.

Harici bir elektrik alanının olmaması durumunda (Е=0), dielektriğin dipolleri yoktur, ona da nötr olduğu denir.

Resim. 4.2 Polar dielektriklerde dipollerin hareket görünümü а) harici elektrik alanın yokluğun b) harici elektrik alanın E varlığında.

a) b)



Örnek olarak çekirdeği +q = Z·e elektrik yüklü ve elektron sargısının toplam elektrik miktarı –q = –Z·e, Z atom sargısındaki elektron sayısı olmak üzere bir atomu incele-yeceğiz. Bu durumda (Е=0) pozitif ve negatif elektriklerin merkezleri örtüşüyor ve söy-lendiği gibi elektrik dipolleri yoktur. Gözetlenen atoma dışsal elektrik alanı verilirse (Е>0), pozitif ve negatif elektriklerin merkezlerinin τe˜10-15s zaman diliminde ayrılması gerçekleşiyor.

Demek oluyor ki harici elektrik alanı etkisinde d pozitif ve negative yüklerin mer-kezleri arası uzaklık olmak üzere dipole moment p =q · d meydana gelir. Açıklanan olgunun esnek özelliği vardır ve buna elektronik polarizasyon denir. Atomların bu deforme polarizasyonu dış elektrik alanı olduğu sürece devam eder. Dış elektrik alanın kesilmesiyle her şey başlangıç duruma döner

Elektronik polarizasyonunda dipol momenti p

ve gözetlenen atoma doğrudan etki-si olan yerel elektrik alanı ( lokE

) arasında lokep a E

, ea öyle denilen elektronik kutup-

lanabilirlik olmak üzere bir bağ vardır.

Resim. 4.3 Nötr dielektrikte atomun elektronik polarizasyon görünümü а) Harici elektrik alanı yokluğunda b) Harici elektrik alanı E varlığında

Elektronik polarizasyonun yanında iyonik polarizasyonu denilen bir elastik polari-zasyon daha vardır.

Resim. 4.4 а) dış elektrik alanı yokluğunda (Е=0) dielektriğin iyonik polarizas-yonun ızgarası gösterilmiştir. İyonların dengeli durumda aralarında eşit uzaklıkta olduğu görülür. Harici elektrik alanı etkisiyle iyonik ızgara resim 4.4 b) görüldüğü gibi deforme olur ve pozitif ve negatif iyonların pozisyon değiştirmeleri neticesinde dipol-ler oluşur. Bu polarizasyon ~10-13s zaman diliminde gerçekleşir.

İyonik polarizasyon için de kutuplanabilirlik (aj) p = aj . Elok lokjp a E

tanımlana-

bilir



Resim. 4.4 İyon kristalinde iyonik polarizasyon gösterimi а) yokluğunda b) harici elektrik alanı E

varlığında

Gözetlenen dielektrikte az da olsa serbest yüklerin varlığında, malzemenin kristal yapısındaki hatalarda oluşan resim 4.5 a) olduğu gibi alansal elektriklenmeyle meyda-na gelen daha bir çeşit polarizasyon vardır. Dış elektrik alanının etkisiyle bu yüklerin alansal dizilişi oluşur – resim 4.5 b) ve bu olaya tabakalar arası polarizasyon denir. Alansal yüklerin yeniden bu dizilişi pr ~10-2s. zaman içerisinde gerçekleşir.

Bunun için de kutuplanabilirlik ( pra ) : lokprp a E

tanımlanabilir.

Resim 4.5 Kristal yapı hatalarında biriken yüklerin tabakalar arası polarizasyonu а) harici elektrik alanı E

yokluğu b) harici elektrik alanı E

varlığı

Yönlü kutuplanabilirlik ( ora )’un tanımlanmasıyla genel olara her dört polarizasyo-nu ihtiva eden kutupsal dielektriklerin kutuplanabilirliği aşağıdaki denklemle gösterilebilir.

а = ае + ај + аpr + аor (4-2)

Tüm dielektriklerin, her zaman elektronik polarizasyonu daha doğrusu ea vardır. Bu-nun yanında başka bir polarizasyon da olabilir. En iyi yalıtkanların, örnek olarak yapay polimer – polietilen, tefl on ve polistirenin sadece elektronik polarizasyonu vardır.



Dielektriklerde atomların, iyonların veya moleküllerin bağlanma biçimi sonucunda kutuplanabilirlik bir mikroskobik özelliktir. Pratikte, frekansa fr bağlı olmasına rağ-men, dielektrik geçirgenliği r veya dielektrik sabiti de denilen makroskopik özellik-ler önem taşımaktadır. Bu da kutuplanabilirliğin frekansa bağlılığı fa ve dielektriğin makroskopik ( r ) ve mikroskopik a özelliklerin birbirine göre var olan ilişkisinden kaynaklanır.

Elektrik yerdeğiştirme vektörü ifadesinden hareket ederek, 0 0rD E E P

,0 vakum dielektrik sabiti ve P N p

N dipol momenti yoğunluğu durumunda pola-

rizasyon vektörü lokp a E

olmak üzere göz önünde alınırsa

0 0 lokr E E N a E

(4-3)

denklemi elde edilir. Demek ki, r a bağıntılarını bulmak için bir atom, iyon veya mo-lekülün yerel elektrik alanı ( lokE

) ve gözetlenen dielektriğin ve kondansatörün elektrot-

ları arası makroskopik alanı (E

) arasındaki ilişki bulunması gerekir. Genel olarak bu çö-zülmesi zor olan bir problemdir ve sadece basit fiziksel durumlarda çözülür. Мoleküller arası etkileşimler zayıf olan durumlarda lokE E

, (4-3) ifadesinden şu ifade elde edilir:

0

1rN a

(4-4)

Basit analizlerde, elde edilen bu yaklaşık doğruluk bağıntısı katı dielektriklerde de kullanılır. Resim 4.6 bağıl dielektrik geçirgenlik ( r ) ve tüm dört polarizasyonu var olan dielektriğin frekansına bağlı olan dielektrik kayıpları açısının tanjantı tg değişimleri nicelik biçiminde verilmiştir.

Resim 4.6 а) mevcut, elektronik polarizasyonu er , iyon polarizasyonu jr , yönlü polarizasyon or

r ve tabakalar arası polarizasyon prr sonucunda dielektrik

geçirgenliğin ( ) artan değerleri işaretlenmiştir. Özelliğine göre ( r )’in sıçramalı deği-şimleri farkedilmektedir. 21/ 10pr prf Hz , 91/ 10or orf Hz , ve 161/ 10e ef Hz frekansları üzerinde karşılıklı polarizasyonun yavaş değişiklikleri, f frekanslı alternatif elektrik alanı değişikliklerini takip edemiyor ve ard arda yavaş polarizasyon türleri düş-mektedir

Resim 4.6 b) bazı karakteristik frekanslarda dış elektrik alanının artmış enerji emilimi dielektrik kayıpların maksimumları var olduğu görülmektedir. Emilen elektrik enerjisi ve dielektriğin polarizasyonu için harcanan elektrik enerjinin kalan bölümü arasındaki oran, dielektrik kayıpları açısının tanjantını oluşturur ve sık olarak, bağlı olan gerilim ve akımın faz kayması 90º sapma gösterdiği açının tanjantı olarak tanımlanır.

~ ~ ~~ ~ ~



a)

b)

Resim 4.6 (а) Bağıl dielektrik geçirgenlik ( r ) ve (b) dielektrik kayıpların tanjantı tg , her dört çeşit polarizasyonlu dielektriğin frekansı ile bağımlılığı

Bu bölümün sonunda, dielektrik kayıpları açısının tanjantı tg ve hacimsel elekt-rik özdirenci yanısıra, dielektrik kusurlarını dielektriğin yüzeyindeki kusurlu yalıtkan özellikleri ve verilen alternatif elektrik alanı etkisinde dielektrik geçirgenliğinin birden artmamasını (delinmemesini) gösteren dielektrik sertliği krE de ayırt ettiğini söylemek gerekir.

4.6. YALITKAN MALZEMELER

Dielektrik malzemelerinin elektroteknikte kullanımlarına göre, yalıtkan malzemeleri en önemli yeri almaktadırlar. Onlar yalıtımlı iletkenler ve kabloların, enerjetik tesisleri ve mikroelektronik devrelerin yapımında kullanılırlar. Polietilenin en iyi yalıtım özellikleri vardır ve iki biçimde olabilir: termoplastik ve lifl i. Polietilen polimerler arasında sayı-lır (çünkü etilenin polimerizasyonuyla elde edilir) ve termoplastların (105 ºC sıcaklıkta ısıtılarak yumuşar, soğutmakla yeniden sertleşir), istisnai yalıtım özellikleri olduğu için genellikle süper dielektrik adı verilir (polistiren ve tefl on ile beraber). Polimerizasyon dış enerji (ışık, ısı v.b) etkisiyle küçük moleküllerin, birleşerek genellikle büyük molekül ağırlıkta bir bileşik oluşturması işlemidir. Örnek olarak, n küçük molekül büyük mole-külde birleşirse, orijinal molekülle (etilen) kıyasen özellikleri önemli ölçüde değişmiş, polimer elde edilir (ör. polietilen).



Termoplastik polietilenin 70 ºC çalışma sıcaklığı ( rt ), kimyasal stabil, kısa devre akı-ma dayanıklı (200 ºC sıcaklığa kadar dayanıklı) olduğundan dolayı 15kV kadar enerji kabloların izolasyonu ve haberleşme kablolarında kullanılır. Yanma derecesi (350 ºC), çalışma sıcaklığı <70 ºC ve 105 ºC den daha yüksek sıcaklıkta aşırı yumuşaması eksik olan tarafl arıdır.

Lifl i polietilen termoplastik polietilenin ana zincirinin enine polimerizasyonuyla elde edilir. Polietilenin enine polimerizasyonu, uzatılmış zincirinin yan kimyasal bağ-larıyla birleştirerek lif yapısını oluşturur. Lifl i polietilenin daha yüksek çalışma sıcaklığı (90 ºC kadar), kısa devreye dayanıklığı (250 ºC sıcaklığa 30s dayanır), yanıcı olmadığın-dan dolayı ve sıcaklığın artmasıyla sınırlı bir yumuşama gösterdiği için yüksek gerilimli kabloların (50-400kV) izolasyonunda kullanılır. Bunun yanı sıra neme karşı mükemmel dayanıklı olmasından (%0,01’den az emici), kanallara ve doğrudan toprağa döşemek için kullanılan kabloları izole etmek ve paslanmaz yapmak için diğer malzemelere göre lifl i polietilen çok daha ekonomiktir.

Polivinilklorür (PVC) polar karaktere sahiptir ve bu nedenle polietilenden anlamlı ölçüde daha kötü yalıtım özellikleri vardır, ancak ucuz olduğu için iletkenlerin (çalış-ma gerilimi <1kV) ve orta gerilimli güç kabloların (30kV kadar) izolasyonunda kullanılır. Yüksek gerilimlerde dielektrik kayıpları tg büyük olduğu için kullanılmıyor. Çalışma sıcaklığı 65 ºC, yani bu derecede yumuşamaya başlar. Yanıcı değildir, ancak kısa devre akımına daha az dayanıklıdır (105 ºC sıcaklığa 30s. dayanır). İyi termal ve mekanik özel-likleri vardır ve kimyasal olarak asitlere, bazlara, trafo yağına ve ozona dayanıklıdır.

Silikonlu Lastik, organik malzeme gibi iyi plastik özelliği ve SiO2 gibi sıcaklık karar-lılığı vardır. Silikon reçinesinin vulkanizasyonu ile elde edilir. Mükemmel mekanik ve ya-lıtım özellikleri ve kimyasal çözücülere, su, ozon, ışık ve oksidasyona karşı dayanaklıdır. Uçak endüstrisinde iletken ve kabloların izolasyonu yanısıra, yüksek gerilim tekniğinde benzin ve yağda çözünmediği (erimediği) için ve yüksek çalışma sıcaklığı (260 ºC kadar) olduğu için kullanılır.

Poliüretan yukarıda zikredilen polimerlerden farklı, polimerizasyonla (aynı türden moleküllerin birleşmesi) değil, poliadenilasyonla (farklı türden moleküllerin birleşmesi) elde edilir. Dielektrik kayıpları büyük olmasına rağmen, mükemmel mekanik özelliklere (dayanıklık ve sertlik, aşınmaya dirençli ve neme karşı kararlı) sahiptir. Bu nedenden do-layı askeri amaçlı (zırh, araç, vb.) yapımında kullanılan iletken ve kabloları izole etmek için kullanılır. Elektrik anahtarların parçalarını kalıplamalarında, radyo vе telekomüni-kasyon tekniklerinde, cilaların yapımı ve tellerin cilalanmasında vb. kullanılır.

Каblo Yağı mineral yağlar arasında yerini alır ve petrolün üçüncü ayrımsal damıtma-sı olarak elde edilir. Kâğıt izolasyonlu, basınç altında, kâğıt izolasyonuna impregnasyon (içirme) uygulayarak, yüksek çalışma gerilimli (50-500 kV), öyle denilen yağlı kabloların izolasyonunda kullanılır. Kablo yağlarının bu ölçüde kullanılışı onun iyi bir izolasyon ol-masından ve boş hava boşluğu ve iyonizasyonu ve onunla beraber dielektrik delinmeyi engelleyen düşük viskozitesi olduğundan kaynaklanmaktadır. Kablo yağları yanında,



mineral yağlar içerisinde kondansatör, transformatör ve şalterlerin izolasyon olarak kul-lanımına göre şalter yağları da sayılırlar. Bu yalıtkanların en önemli özelliği çok düşük dielektrik kayıpları olmasıdır.

Tаb. 4.2 Bazı izolasyon malzemelerin karşılaştırılmalı özellikleri ve onların uygulanması

�r tg� [·10-4]� [�m] Ekr

[kV/mm] 50Hz 1MHz 50Hz 1MHz

1015 45 ÷ 60 2,25 2,25 <2 <2 (<15kV;tr<70ºC)

(50÷400kV;tr<90ºC)

PVC 1012 25 ÷ 50 6,21 3,53 730 720(1÷30kV;tr<65ºC)(<15kV;tr

1012÷1015 20 ÷ 70 2,5 ÷3,5 2,5 ÷ 3,5 5÷70 5 ÷ 70

tr<250ºC)

1015÷1016 25 4 ÷ 10 200÷1.200

1010 12 2,20 2,18 1.3 17(50÷400kV)

SF6 1018 9 1,0020 � 1 10-4 10-4

1018 3 1,0006 � 1 10-4 10-4

(SiO2)1015 25 3,78 3,78 8,5 2

Polietilen

Silikonlu Lastik

Poliüretan

Kablo Yağı

(elgaz)

Hava

Kuvars Camı

Uygulama

Kabloların termo-plastik izolasyonu

lifl i

Kabloların izolasyonu(1÷30kV; tr<65 oC)(<15kV;tr<70 oC) veiletkenler (<1kV)

Kablo ve iletkenlerin izolasyonu (aşırı dış şartlar altında tr <250 oC)

Kablo izolasyonu (aşırı dış şartlar altında)Kablo yağı ve iletkenlerin izolasyonu (50 ÷ 400kV)Yüksek gerilim tesisleri ve kabloları izolasyonuYer üstü hatlar ve uzak hat kabloların izolasyonu

Entegre devrelerin izolasyonu

Kuru hava, yüksek gerilim iletim hatları ve hemen hemen her elektrikli cihazlarda kullanılan iyi bir yalıtkandır. Ancak, iyonize havanın çok düşük elektrik özdirenci vardır ve çok yüksek nem oranında iletken olabilir. Вu tip havanın diğer dielektriklere zararlı etkisi olabilir, çünkü nem ortamında birçok malzemeyi aşındıran nitrik asit kolayca oluş-turur.



Еlgaz (kükürt hekzafl orür SF6) serbest elektronları kapma özelliği olduğu için havadan birkaç defa daha büyük dielektrik sertliği vardır. Yavaş hareket eden negatif iyonların oluşmasından dolayı, etkin iyonizasyon süreci azalır ve bununla beraber bu gazın dielektrik sertliği artar. Еlgaz, yüksek gerilim kabloları (gaz basıncı altında kağıt izolasyonuyla), transformatörler, kondanzatörler ve diğer yüksek gerilim tesislerinin izolasyonu için kullanılır. Elgaz keşfedilmeden önce bu amaçla azot (N2) kullanılırdı.

Кuvars Camı (SiO2) Silisyum ve galyum - arsenit entegre devrelerinin yüzeylerini izole etmek için kullanılır. Silisyum levhalarının yüksek sıcaklıkta (1.000÷1.200 ºC) ok-sidasyonuyla veya daha düşük sıcaklıkta (300÷700 ºC) kimyasal buhar depozisyonuyla elde edilir. Çok iyi izolasyon ve mekanik özellikleri vardır. Si levhaların oksidasyonuyla yüksek kaliteli ve ince oksitin üretim imkanı olmasından dolayı, silisyum entegre dev-relerin MOS kondanzatörlerinde dielektrik olarak kullanılır. Optik haberleşmelerinde de önemli yeri olan, optik lifl erin ve kuvars ampüllerin (1300 oC yumuşar ve içinde me-taller ve dielektrikler erir), kaplar, özel fotokopi boruları için lambalar ve balonlar yapı-mında kullanılır.

4.6. İZOLASYONLU KABLOLAR

Genel olarak üzeri yalıtkan bir madde ile kapalı, içinde izole edilmiş metalik iletken-lerin yerleştirilmesi ile oluşmuş enerji akımı taşıma ürünüdür.

Başlıca kablolar enerji ve haberleşme kabloları olarak ayrılırlar. Aralarında iki temel fark vardır: iletken kesiti ve izolasyon kalınlığı. Еnerji kabloların kesitleri büyüktür (bir-kaç yüz mm2), çünkü onlarla şiddeti büyük olan akımlar taşınır. Haberleşme kabloların-da iletkenlerin yarıçapları küçüktür <1mm. Bundan dolayı bu kablolarda iletkenlerinin boyutları birim kare olarak gösterilmemektedir.

Enerji kabloların izolasyonu büyük kalınlıktadır, çünkü onlarca daha doğru yüzlerce kV gerilime dayanıklı olması gerekir. Haberleşme kablolarda izolasyon çok incedir, çün-kü ~1кV gerilime dayanması gerekir (sadece testler sırasında). Haberleşme kabloların özel gereksinimleri vardır, örneğin. düşük kapasitans (Bir iletkenin yük sığdırım olana-ğı), bağlantı kapassitansı, kendine ait zayıfl ama vb. Güç kablolarında dielektrik kayıpları az ve kararlı çalışma gerilimi (daha büyük elektrik sertliği) olmalıdır. Bu sebepten dolayı çok iyi izolasyon özellikleri olan dielektrikler kullanılır, fakat bazı durumlarda son sözü malzemenin fiyatı söyler (tab. 4.3.).

Gözetlenen kablolar, genel olarak 5 temel bileşenden oluşur (resim 4.7): (1) iletken, (2) izolasyon, (3) kılıf, (4) armatür ve (5) dış kılıf.



Iletkenlerizolasyonlarkılıfarmatürdış kılıf

Resim 4.7 Enerji kabloların kesiti ve bazı kabloların yapısı

Tablo 4.3 Kabloların bu bileşenlerinin görevleri ve yapıldıkları malzemeyi göster-mektedir.

Tаblo. 4.3 Kabloların bileşenleri, görevi ve yapıldıkları malzemeler

Bileşen Görevi Malzemeler

İletken Elektrik akımı iletimi

bakır alüminyum biçimi yuvarlak sektorel еlipsoid yapısında tek telli çok telli

İzolasyonDiğer iletkenlere göre, iletkenin izole edilmesi, metal kılıf veya ekran

kağıt yağ lastik termoplast gaz (N2SF6)

KılıfNemden koruma; bazı tür kablolarda nötr iletken

kurşun ve alaşımları alüminyum çelik lastik termoplast

Аrmatür Меkanik koruma

çelik bandı çelik bandı (yuvarlak

ve profilli) alüminyum bandı

Dış kılıfMetal kılıfı ve armatürü paslanmaya karşı koruma

bitüm emdirilmiş yaprak emdirilmiş jüt hesiyan



Resim 4.8’ de bir tür enerji kablonun yapısı gösterilmiştir. Söz konusu 5 temel bileşe-nin yanısıra enerji kabloların bir dizi diğer bileşenleri de olabilir: sıfır iletken, konsantrik iletken, kablonun yüzeyi üzerindeki elektrik alanının eşit bir şekilde dağılımını sağla-mak amacı ile kullanılan ekran, izolasyon ve kablo çekirdeği, doldurucu ve diğer yapısal detayları.

Enerji kabloların üretim teknolojisi oldukça karmaşıktır. Haberleşme kabloları yapı-sına göre tel ve koaksiyel olarak ayrılabilirler. Bakır tel kabloların temel bileşenleri çift bükümler veya yıldız dörtlü bükümler – resim 4.8. а) ve koaksiyel bakır kablolarında koaksiyel çiftler – resim 4.8. b).

Haberleşme kabloların çekirdeği; kablo çift sayısına göre; kablo elemanlarının, grup-ların veya paketlerin bir araya getirilip bükülmesiyle teşkil edilir. Bundan başka, kablo kılıfı çekirdek etrafında silindrik metal boru (kurşun, alüminyum, vb.) şeklinde yerleş-tirilir. Komşu yüksek gerilim kabloların endükleme etkisinden ve neme karşı koruma görevi vardır. Sonunda, kabloyu dış etkilerden koruyan (mekanik – paslanma) dış kılıf yapılır (armatürlü PVC veya polietilen sargısı).

Taşıyıcı sinyalin iletim aralığı haberleşme kabloların yapısına bağlı olduğunu vurgu-lamak gerekir. Bakır tel kabloları ~1÷250 kHz aralığında, bakır koaksiyel kabloları ise ~50kHz÷1GHz aralığında kullanılır. İletim frekansları ne kadar yüksek ise, kabloların ile-tim aralığı o kadar büyük olduğu hususunu göz önünde bulundurarak, koaksiyel kab-loların performansları daha iyi olduğu açıktır.

а) telli haberleşme kabloları b) koaksiyal haberleşme kabloları

Iletkenlerizolasyon

bakar ağ kılıf

dış izolasyon kılıfıçift

I çift

II çift

yıldız - dörtlü

Resim 4.8 Bakır (Cu) kabloların temel bileşenleri

Ancak, bu konuda taşıyıcı frekansları ~1014÷1015 Hz olan ve önümüzdeki derste gö-receğimiz optik kablodan daha iyi özelliklere sahiptir.

4.8. OP TİK KABLOLAR

Optik haberleşme kabloların, sinyal taşıma kapasitesi yüksek (düşük frekans modül-lü sinyallerin band genişliği ~1GHz), dinlenmenin ortadan kalkması ve bakıra göre sin-yalin daha az zayıfl amasından dolayı kullanımı büyüktür.



Buna ek olarak, önemli ölçüde ağırlığı düşük (yaklaşık 10 kg/km), boyutları küçük (ko-ruyucu katmanlarıyla beraber birkaç mm kalınlığında), döşeme maliyetlerini düşüren ve güvenirliği arttıran uzunluğu büyüktür (birkaç km). Bu nedenle, yakın gelecekte optik kabloları haberleşme alanında bakır kabloların yerini tamamen alacağı beklenebilir.

Оptik kablolar temel eleman olarak оptik lifl er içermektedir. Optik lifl er genellikle düşük kırılım indisine sahip şeff af giydirme gereci tarafından çevrelenen yüksek kırılım indisine sahip şeff af çekirdek içeren bir tür dielektriktir. Bu yapı ışığın tam içsel yansıma tarafından çekirdekte tutulmasına ve bu durum ışığın çekirdek buyunca yol almasına neden olur.

Çekirdeğin çapı ve kırılma indisi değişimine bağlı olarak, optik lifl er tek modlu ve çok modlu (resim 4.9), yani bir yayılım yolu veya çok yayılım yolu biçiminde olabilir. Çok modlu lifl erde farklı modların etkileşimi sonucundan kaynaklanan ışığın dağılma miktarı (dispersiyonu), tek modlu lifl erde önemli ölçüde azdır. Çekirdek çapı büyük ( 50 m ), ışığın lif içerisinde verimli birleştirme oluşturması ve ışığın (lazerden ucuz olan LED diyotlarla) aktarılması, çok modlu optik lifl erin birinci nesil optik iletişimlerde ( 0.8 m ) kullanılmıştır. Bununla birlikte, ikinci nesil optik iletişimlerde ( 1,3 m veya 1,55 m ), önemli ölçüde parazitsiz (aynı zamanda monokromatik bir kaynak tarafından uyarılması, yani lazer), çekirdek çapı önemli ölçüde daha küçük ( 2÷10 m ) optik sinyalin tek modlu iletimini sağlayan optik lifl erin kullanımına geçildi.

Bugün kullanılan optik lifl er, ışığın zayıfl amasına neden olan katkı maddelerin az ol-ması sebebiyle kuvars camından (SiO2) yapılır.

Resim 4.9 Şematik gösterim: а) çok modlu b) tek modlu optik lifi

Zayıfl ama optik sinyalin dalga uzunluğuna bağlıdır. Birinci alan (~0,8μm) I. nesil op-tik haberleşmelerde kullanılmıştır (çünkü 1970 – 80 yıllarında en iyi yarı iletken ışık kay-nakları ve detektörleri o alanda çalışırlar), ~1,3 μm ve ~1,55 μm alanlarında zayıfl ama önemli ölçüde az olduğundan dolayı II. nesil optik haberleşmeler ve detektör kaynak-ların gelişmesinin temelini oluşturmuştur.

~

~

~~

a)

b)



Bugünkü II. nesil kuvars optik lifl eriyle her 50-100 km sinyalleri güçlendirmeden taşınması gerçekleştirilmiş, ondan sonra elektrik sinyale dönüştürülerek elektronik yükselteç ile güçlendirilir ve yine lazer yardımıyla optik sinyale dönüştürülür; bunun sayesinde verilerin dijital akışı ~0,5 Gbit/s. sağlanmıştır. Ancak, önümüzdeki birkaç yıl içerisinde optik yükselteçlerin kablo içinde olacak şekilde optik kabloların üretimi bek-lenmektedir. Оptik yükselteçler özel bir lazer yükselteç ve erbiyum (Er)’ dan yapılı ku-vars lifi içerir. Bu tür optik lif, lazer ile bağlantılı optik sinyalin doğrudan güçlenmesini sağlar (önceden olduğu gibi elektrik sinyale dönüştürüp, elektrik sinyalini güçlendirme yapmadan).

Optik lifl erin üretim teknolojisinde değişik oksidasyon süreçleri kullanılır. Bu işlem-lerde bazı klorürlerin (ЅiCl4, GeCl4, PCl3, BCl5 vb.) temiz buharının oksijenle reaksiyonun-da, katkı maddeleri (GeO2, P2O2, B2O3 vb.) olan beyaz bir toz elde edilir. Bu toz dış ve iç cam üzerinde toplanır ve daha sonra eritmeden ısıtılarak preform (ön biçim) denilen çubuk ya da tüp biçiminde bir cam kütlesine dönüşür. Perform çapı ~10 mm, uzunluğu 60-90 cm olup fırında çekilerek kalınlığı ~100 μm ve uzunluğu birkaç kilometre olacak şekilde lif elde edilir. Lif çekildikten sonra, kir ve sudan kurumak için plastik kaplama kılıfı geçirilir.

Böyle elde edilen optik lifl er sonra kablo haline getirilir. Kablo çekirdeği bir veya fazla lif içerebilir (resim 4.10). Zayıf mekanik özellikleri olduğundan dolayı (kırılganlık ve izin verilen uzama %1, bakırın ise %20), genellikle çelik telleriyle kıyaslanan büyük mekanik dayanıklığı olan ve kablonun uzamasını sabitlemek için kullanılan organik kevlar – elyaf ile güçlendirilmiştir.

Kablo çekirdeği plastik band ile sarılır, ondan sonra optik kablonun çekirdeği için an-tipas görevini yapan plastik sargıya (genellikle poliüretan) ekstrüzyon (darçıkım) yapılır.

Resim 4.10 Birkaç tip optik kablonun şematik gösterilişi



Optik lifl er için kuvars optik lifl erinden 1000 kat daha az ışığın zayıfl aması ve büyük dalga boyu olan (güçlü karbondioksit gazlı lazerin çalıştığı ~10,6 μm kadar) diğer tip malzemeler dе yapılmaktadır. Bu konuda en perspektifl i olan zirkonyum – fl orür (ZrF4) bazında halojen lifl erdir.

4.9. KONDANSATÖR MALZEMELERİ

Elektroteknikte kullanımlarına göre yalıtkanlardan sonra ikinci öneme sahip olan kondansatör malzemeleridir. Bunlar, bütün veya ayrık biçimde olan kondansatörün dielektrik katmanlarını yapmak için kullanılır. Kondansatör malzemelerin en önemli temsilcileri tablo 4.4. verilmiştir.

Tаblo. 4.4 Önemli kondansatör malzemelerinin karşılaştırılmış özellikleri

Malzemelerr

4tg 10 krE kV/mm CC t

Uygulama50 Hz 50 Hz 1 MHz 1 MHz

Ferroelektri seramik

1250÷2990 31÷110 19 ÷ 46 15 ÷20 10-3

kalınkatmanlı entegre devreleri

Rutilseramikler (TiO2)

114÷ 160 ˜10 ˜1 10 ÷ 20 610

Ta2O5 22 30 410incekatmanlı entegre devreleri

SiO2 3,78 8,5 2 25 510Sientegre devreleri

Si3N4 6,9 GaAs – entegre devreleri

Mika 5,4 25 3 50

ayrık kondan-satör katları

Kondansatör kağıdı ˜3 ˜3 ˜50 ˜8

Poliester folyası ˜3 ˜20 ˜135 160

Birim hacim başına en yüksek kapasitansı olan ve adını manyetik - histerezis dön-güsüne B(H) benzer, dielektrik – histerezis döngüsünün D(E) varlığından alan ferreoe-lektrik seramikleri (BaTiO3, BaTiO3 – SrTiO3) dir. Bu nedenle, Curie sıcaklığı (Tс) üstünde ferroelektrik malzemeleri ferroelektrik özelliklerini kaybeder ve var olan elektrik dipol momentlerin rasgele polarizasyonu yok olarak paraelektrik duruma geçerler. Bu sera-mikler arasında en iyi özellikleri, yüksek bağıl dielektrik geçirgenliği ( r ) ve dielektrik



kayıpları açısının tanjantının ( tg ) kabul edilebilirliğinden dolayı (BaTiO3)0.65(SrTiO3)0.35 seramiklerinin vardır. Bunların eksikliği, ferroelektrik özellikleri olan çalışma sıcaklığı (~55°С÷125°С) aralığında, sıcaklığın değişimi (ΔC/C . Δt) ile büyük ve belirgin lineer ol-mayan kapasite değişimidir.

Çok sağlam dielektrik özelliklerine, rutil (TiO3) ve diğer seramik oksitlerin karışımı olan ve rutil seramikler denen seramikler sahiptir. Kapasitansın sıcaklıktan bağımsız-lığı durumunda çok küçük dielektrik kayıpları olan en tanınmışları magnezyum – ti-tanyum (TiO2-MgO) r 14 ile çinko – titanyum (ТiO2-ZnO) r 19 ile, ve kalsiyum – ti-tanyum (TiO2-CaO) r 160 ile dir. Bu malzemeler en çok kalın katmanlı basılı entegre devrelerindeki kondansatörlerin yapımında kullanılır.

Çalışma sıcaklığı aralığında (-65°С÷70°С), iyi dielektrik özellikleri ve kapasitansın ılımlı sıcaklık değişimi olduğundan dolayı ince katmanlı entegre devrelerindeki kon-dansatörlerin yapımı için tantal – oksit (Ta2О5) kullanılır. İnce katmanlı devrelerdeТa2О5 seçimi, bu devrelerin yapımındaki teknolojik farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Bu en-tegre devrelerinde iletken ve direnç katmanların yapımı için kullanılan (Ta2О5), Tantalın (Ta) anodizasyonu (elektrokimyasal oksidasyonu) ile elde edilir.

Si – entegre devrelerinde kondansatörlerin yapımı için küçük dielektrik kayıpları ve dielektrik özelliklerinin tatminkar sıcaklık kararlılığı olan ince katman dielektrik kuvars camı kullanılır. r Nispeten küçük olsa da, yüksek kaliteli kısa süre yüksek sıcaklıkta Si – plakaların oksidasyonu ile oldukça ince katmanların (20÷100μm) yapılabilme imkânı ile telafi olur.

GaAs’tın istikrarlı oksiti olmadığından ve kimyasal buhar biriktirme (depozisyon) yöntemiyle kontrollü bir şekilde çok ince SiO2 katmanı elde edilemediğinden dolayı (genellikle bu şemalarda yüzey izolasyonu olarak kullanılır), kondansatörlerin yapımın-da silisyum nitrürün (Si3N4) kimyasal buhar depozisyonu ile elde edilen mekanik kom-pakt dielektrik katmanı kullanılır.

Ayrık kondansatörleri üretmek için poliester filmi, kondansatör kâğıdı ve mika kul-lanılır. Bu malzemelerin r küçük olmasına rağmen, birim yüzeyde yüksek kapasitans sağlayan çok ince katmanların yapımında kullanılışı çok uygundur. Kondansatör kâğı-dın düşük dielektrik sertliği (Ekr), nispeten düşük dielektrik kayıpları olan kondansatör yağı yedirmekle telafi edilir.

Belirtilen dielektrik tabanlı kondansatörler bir sonraki bölümde ele alınacaktır.

4.10. KONDANSATÖRLER

Yapılarına göre kondansatörler, silindirik, plakalı, disk ve çip (yonga) kondansatörler olabilirler. Diğer taraftan sabit ve ayarlanabilir olabilirler.

Silindirik kondansatörler iki metal silindir tabakanın birbirinin içine yerleştirilme-siyle ve aralarında yağ emdirilmiş kâğıt veya sentetik polimer (polistiren, polyester, po-lipropilen, polikarbonat ve diğerleri) dielektrik bir malzemenin koyulmasıyla tasarlanır. Bu plakalar öncede havasız ortamda alüminyum buharı ile metalle kaplanabilir (0.02 ÷0.05 μm kalınlığında). Metal kaplamayla beraber plakaların kalınlığı birkaç mikrondur.



Plastik film kondansatörleri çok yüksek yalıtım direnci ve çok küçük dielektrik kayıp-ları açısının tanjantına sahip olduğundan dolayı, kâğıt ve metalik kâğıt kondansatör-lerin neredeyse tamamını kullanımdan çıkarmıştırlar. Ancak kâğıt kondensatörler hala telefon ve enerji elektroniğinde kullanılmaktadırlar.

Plakalı kondansatörler: düşük kapasiteli plaka kondansatörleri alüminyum folyala-rı arasında mika yaprakları veya cam şeritleri yerleştirilerek yapılır.

Disk-kondansatörler r yüksek olan seramik kondansatörlerden yapılır ve değişik şekilleri olabilir. Kondansatörlerin plakaları seramiğin yüzeyine ince gümüş tabakası sürmekle elde edilir. Bağlantı iletkenleri olmayan, doğrudan lehimlenerek büyük öl-çüde parazit endüktivitenin azalması sağlanarak, çip şeklinde de denilen çok katlı se-ramik kondansatörler de vardır. Tüm seramik kondansatörlerin ortak özelliği birim ha-cimde yüksek kapasitanslı olmalarıdır. Rutil seramiklerin çok büyük sıcaklık kararlılığı olmasına rağmen, seramik feroelektriklerden birim hacımda kapasiteleri azdır. Seramik kondansatörler rakamlar veya renklerle işaretlenir.

Elektrolitik kondansatörler özellikle düşük çalışma gerilimlerinde birim hacimde bü-yük kapasitesi olan özel grup kondansatörlerdir. Bu tür kondansatörlerin en tanınmış-ları, alüminyum (sıvı ve katı dielektrikli) ve tantalyum elektrolitik kondansatörleridir. Bunlar kutuplu (doğru akım ile çalışan) veya kutupsuz (alternatif akımla çalışan) olabi-lirler.

Resim 4.11 Elektrolitik ve tantalyum kondansatörleri

Kutuplu alüminyum kondansatörlerin özel oksitleşmiş alüminyum filmlerinden yapılmış anot’u olan (alüminyum oksit Al2O3 εr =10 sıvı dielektrik görevini yapar) sıvı elekrolitik kondansatördür. Gerilim kutubunun değişimiyle katot alüminyum filmi ok-sitleşir. Bu olay kondansatörün özelliklerini bozar ve daha yüksek ters gerilimlerde die-lektriğin delinmesi meydana gelebilir. Kutupsuz alüminyum kondansatörlerinde böy-le sorunlar yoktur, çünkü her iki alüminyum filmi oksitleşmiş olduğundan dolayı hem doğru hem de alternatif akımla çalışabilirler.

Katı (kuru) alüminyum kondansatörlerinde elektrolit olarak mangan dioksit (MnO2) kullanılır. Mangan dioksit sıvı elektrolitlere kıyasen buharlaşmaz ve kimyasal ve sıcaklık kararlılığı vardır.



Tantalum elektrolitik kondansatörler alüminyum olanlarla benzerdirler, daha küçük boyutları ve daha az kayıpları vardır. Tantalyum oksit tabakası, alüminyum okside göre daha dayanıklıdır (εr ≈ 25). Tantalyum minyatür elektrolitik kondansatörler çoğunlukla resim 4.11. gösterildiği gibi damla şeklindedirler.

Ayarlanabilir kondansatörlerin plak yapısı vardır (resim 4.12). Bu döner kondansa-törlerde dielektrik olarak hava kullanılır. Kullanımdan önce, üretim sırasında devrenin ayarlanmasıyla kapasitesi değişen yarım ayarlanabilir kondansatörler (trimer) bulun-maktadır. Kondansatörlerin frekans özellikleri her şeyden önce kullanılan dielektriğin frekans özelliklerine bağlıdır. Bu sebepten dolayı en yüksek frekanslar için polimer ve seramik kondansatörler kullanılır.

Resim 4.12 Ayarlanabilir kondansatör (gerçek ve şema görünümü)

Resim 4.13 En büyük elektrolitik kondansatörlerden en mini seramik kondansatörle-re kadar değişik tür kondansatörler gösterilmiştir.

Resim 4.13 Değişik kondansatör türleri



Çip (yonga) kondansatörler büyük doğrulukla çalışan sabit kondansatörler şeklinde veya yarım ayarlanabilir çip – trimer kondensatörler olarak mini elektrik araçlarında kul-lanılır. Çip kondansatörlerin temel dielektrik malzemesi feroelektrik tabakalarıdır. Mak-simum gerilim 50 ile 200 V arası ve her üç boyutu birkaç mm olan çip kondansatörlerin kapasiteleri 1 pF ile 10 nF (bazan1μF kadar) arasındadır. Çip – kondansatörlerin kusurları sıcaklığa duyarlı olması (T< 40 оС) ve nemdir. Otomatik montaj için çip-kondansatörler yanı sıra, mangan dioksit katı elektrolitli tantalyum çip elektrolitik kondansatörleri de var-dır. Bu kondansatörlerin kapasiteleri, 6.3 ve 40 V arası gerilimler için 0.1 ile 100 μF sınırları içerisindedir.

Pratikte, gerçek kondansatörlerde kapasitesi genellikle üzerinde basılı olan bir sayı ile işaretlenmiştir. Düşük değerlere sahip kondansatörler, 100 pF değerine kadar, iki rakamlı veya üç rakamlı sayılar ardında toleransı gösteren harf kullanılır. Örnek ”22” ve “220” eti-keti, 22 pF sayısal değerini göstermektedir. Diğer etiket örnekler: “221” = 220 pF, “222” = 2.200 pF, “473” = 47.000 pF.

Standart elektrolitik kondansatörlerin daha büyük boyutları vardır ve bu kondansatör-lerde kapasite ve çalışma gerilimi kondansatörün üzerinde iki sayı olarak işaretlenmiştir.

Aynı tip ve aynı üretici tarafından üretilen kondansatörler kıyaslandığında, daha büyük değerleri veya daha büyük çalışma gerilimi olanların boyutları daha büyüktür. Ancak bu sonuç farklı tiplerden ve farklı üreticilerden üretilen kondansatörler için geçerli değildir.

Kondansatörlerin renklerle işaretlenmesinde, prensipte dirençlerde uygulanan renkli çizgilerle aynıdır. Tablo 4.5 yararlanarak kolaylıkla değişik tip kondansatörlerin kapasite değerini hesaplamak mümkündür.

Таblo 4.5 Kondansatörlerin işaretlenmesinde renklerin sayısal değerleri

0 x 1 pF ±20% x 1 μF 10V

1 x 10 pF ±1% x 10 μF

2 x 100 pF ±2% 250V x 100 μF

3 x 1 nF ±2.5%

4 x 10 nF 400V 6.3V

5 x 100 nF ±5% 16V

6 x 1 μF 20V

7 x 10 μF

8 x 100 μF x .01 μF 25V

9 x 1000 μF ±10%

? ? ? ? 35V

SarıSarı

BeyazBeyaz

PembePembe

SiyahSiyah

KahverengiKahverengi

KırmızıKırmızı

TuruncuTuruncu

YeşilYeşil

MaviMavi

MorMor

GriGri

Renk Çarpan

Disk–seramik ve silindirik kondansatörlerTantalyum miniyatür

elektrolit

ÇarpanTolerans Gerilim GerilimDeğer



4.11. ÖZEL DİELEKTRİK MALZEMELERİ

Özel dielektrik malzemeler grubuna şu dönüştürücüler girmektedir: piroelektrikler, piezoelektrikler, elektretler (dielektrik madde parçası) ve sıvı kristallerdir. Bunlar elektrik olmayan sinyalleri (ısı, mekanik, optik v.b.) elektrik sinyallerine ve tersi dönüştürmek için kullanılır.

4.11.1. PİEZOELEKTRİK, PİROELEKTRİK VE ELEKTRET DÖNÜŞTÜRÜCÜLER

Piezoelektriklerin temel özelliği bu maddelere uygulanan mekanik basınç sonucun-da, elektrik alan ya da elektrik potansiyel değiştirme yeteneğidir, daha doğrusu piezo-elektrik katsayılarıyla (dıj i=1,3; j=1,6) karakterize edilen mekanik gerilme değişimlerin-den dielektrik hareketliliğin (D) değişimidir. En önemli piezoelektrik 573оС kadar kalıcı piezoelektrik özelliklerini taşıyan monokristal kuvars’tır. Renksiz kaya kristali de denilen doğal kuvars şeklinde ve yapay kuvars biçiminde olabilir. Doğal kuvarsın çalışma özel-likleri yapay kuvarsa göre daha iyidir.

Piezoelektrik kuvars kristal rezonatörleri tek kristali ince tabakalar şeklinde keserek yapılır. Bu tabakalar metal elektrotlarla sarılarak, değişken elektrik alanı getirilmesiy-le, ters piezoelektrik etkisinden dolayı plakalarda mekanik titreşimler meydana gelir. Kuvars plakaları, metal yüzeylerini atom çözünürlüğüne kadar özelliklerini inceleyen Taramalı Tünelleme Mikroskopların (STM) aşırı ince iğnelerinin konumunu kontrol et-mek için bir sensör olarak kullanılır. Ayrıca kuvars, robotikte basınç sensörü olarak da kullanılır.

Piezoelektrik özelliklerinden dolayı kuvars günümüzde özel yüzey akustik dalgalı (PAB) araçların yapımında kullanılır. Bir sonraki konuda ele alınacak bu araçlar, modern dielektrik mikroelektronik veya dielektroniğin temelini oluşturmaktadır.

Piroelektriklerin ana özelliği sıcaklık (T)’nin etkisi altında dielektrik esnemesinin (D) değişimidir ve piroelektrik kat sayısı (p) ile ifade edilir. Piroelektrik malzemeleri ısı ve kızılötesi sesörler üretmek için kullanılır.

İşlenmesi tamamlandıktan sonra polarizasyon kazanan ve polarizasyonu koruyan malzemelere elektret denir. Yaygın olarak kalınlığı 5 mm v e çapı 100 mm kadar yapı-lırlar. Önce gereken sıcaklığa kadar eritilerek, ondan sonra elektrik dipollerin dış alanı yönünde sabitleninceye kadar, doğru elektrik alanında (~1КW/mm) yönlenmiş polari-zasyon katılaşıncaya kadar birkaç saat soğutulur. Elektretler genellikle piezoelektrik ve piroelektrik özelliklere sahiptirler. Elektret üretmek için genellikle farklı oksit bileşikleri kullanılır. Son zamanlarda zayıf elektret özelliklerine rağmen bazı avantajlara sahip olan polivinilden fl orür folyası kullanılmaktadır (geniş yüzey, 2 mm kadar kalınlık değişimi, hafif, daha iyi mekanik özellikleri, yüksek dielektrik dayanıklığı ve ucuz fiyatı).



Elektretler mikrofonlar, hoparlörler ve kulaklıklar, basınç ve nem ölçerleri, elektro-metreler ve dozimetreler, ultrasonik detektörleri, ısı ve kızılötesi sensörler vb yapmak için kullanılır.

4.11.2. DİELEKTRİK MİKROELEKTRONİK

Piezoelektrik malzemelerin uygulandığı en önemli alan dielektrik mikroelektroniktir. Dielektrik mikroelektroniğin temelini akustik yüzey dalgaları (AYD) üretimi oluşturur ve dielektronik de denir. Metal elektrodlarla gerçekleşen elektriksel uyarım etkisiyle akus-tik dalgalar (piezoelektrik efekti) meydana gelir. Bu dalgaların elektrik sinyale dönüştü-ğü (ters piezoelektrik efekti) çıkış elektrodlara kadar yüzeysel olarak yayılırlar. Malzeme olarak kuvars, PZT, vb. kullanılır.

Malzemelerde akustik dalgaların yayılma hızı yaklaşık 3000 m/s, yani elektroman-yetik dalgaların yayılma hızından 105 kat daha azdır. Bu husus resim 4.14.a) görüldüğü gibi dolu hatlarda gecikme sağlamak için kullanılır. Örnek olarak 1 mikrosaniye gecik-mek için 3mm kuvars gerekir.

Resim 4.14 Şematik gösterimi: a) gecikme hattı b) akustik yüzeysel dalgalar tabanlı rezonatör

Bunun yanısıra, resim 4.14. b) gösterildiği gibi iki yansıma metal çubukları kullanarak akustik yüzeysel dalgalar, yüksek kaliteli rezonatörler oluşturacak şekilde çoklu yansı-ma yapabilirler. Rezonatörün frekansı çubuk adımları d’ ye bağlı bir fonksiyondur. Ben-zer şekilde diğer elektronik araçlar da yapılabilir.

Kaynak

Kaynak

Harcayıcı

Harcayıcı

Piozoelektrik tabanı

Metal elektrodları

Metal Çubuklar

düşük frekanslı bölüm

a)

b)



Akustik Yüzey Dalgalı düzeneklerinin maksimum merkez frekansı litografi usuluyla tanımlanan çizgilerin genişliği ile sınırlıdır. 0,1 μm genişliğinde çizgiler sağlayan elekt-ronik litografi kullanarak 2 GHz cıvarında maksimum merkez frekans elde edilebilir. Band genişliği cihazın türüne bağlıdır ve genellikle maksimum merkez frekansın %2 ila %30 arasındadır.

Söylenenlerin haricinde dielektronik çerçevesi içerisinde geniş bir eleman yelpaze-sinin gelişimi öngörülmektedir: bellekler, mantık devreleri, yükselteçler, modülatörler, dönüştürücüler, detektörler vb.

4.11.3. SIVI KRİSTAL EKRAN

Sıvı kristaller sıvıların ve katı kristallerin özellikleri arasında özelliklere sahip olan ve parakristal (yarıkristal) da denilen kimyasal maddelerdir. Sıvı kristallerin yapısının düzenliliği, uzamış moleküllerin moleküller arası kuvvetlerin ince ayarından, yani mole-küllerin uzamış anizometropisinden kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla zayıf elektrik alan-ları gibi, küçük bir dış etki, sıvı kristallerin özelliklerinde çarpıcı değişikliklere neden ola-bilir. Sıvı kristal göstergelerin temeli olan optik efektler, alışılmışın dışında büyük ani-zotropik (kırılma indisin anizotropisi Δn= 0,005 ÷ 0,25) sonucunda oluşur. Moleküllerin yeniden yönlendirilmesi optik polarizasyonunda, emme, yansıma, yayılma ve renklerde çarpıcı değişimlere neden olur.

Sıvı kristal göstergelerin yapımında sadece nematik kristaller kullanılır, çünkü bu kristallerin en küçük uzaysal dizilişi ve sınırlı yönelme, en düşük viskozite, uygulanan elektrik alanlarına en çabuk tepki verme özelliği vardır.

Resim 4.15 Sıvı kristal ekran hücresinin şematik gösterimi

Aralarında en geniş kullanımı, moleküllerin kimyasal yapısında iki fenil halkası, 5CB etiketi ve nispeten geniş çalışma sıcaklık aralığı (22,5÷351ºC) olan bifenil malzemele-ridir.

Polarizasiyon 2

Sıvı Kristal Molekülleri

Polarizasiyon 1



Sıvı kristaller, sıvı kristal ekranlar, TV cihazları için tüpsüz sıvı kristal ekranlar, elektro-optik anahtarlar vb. yapımında kullanılır.

Bir tür sıvı kristal ekranın çalışma prensibi resim 4.15’ de gösterilmiştir. Sıvı kristal (~10μm kalınlığında) A ve B cam plakaları arası hermetik kapalı olarak bulunur. A ve B cam plakaları içten mikroskopik olarak karşılıklı x ve y eksenleri doğrultusunda oluklar kazınmıştır. Вöyle bir gravür yakın sıvı kristal moleküllerine yön vererek, resim-de gösterildiği gibi sonuç olarak en üst tabakası ile en alt tabaka 90º kıvrılmış şekilde dizilirler.

Polarizasyon 1’den çıkan ışık A cam plakasına düşerse, kıvrılmış sıvı kristal molekülleri sayesinde polarizasyonu değişir ve B plakasından 90º kıvrılı polarizasyonla çıkmaktadır. Sıvı kristal hücrelerinin arkasında parlak bir yansıtıcı yüzey varsa, ışık içinden geçerek hücreye geri yansır ve üst tarafından çıkar, öyle ki, yukarıdan bakıldığında hücre parlak yüzeyi gösterecektir.

A ve B cam plakaları üzerinde arzu edilen şekilde preslenmiş (metinsel – sayısal gös-terimler için uygun parçalardan oluşan) şeff af indium – kurşun oksitten yapılı elekt-rodlar yapıştırılmıştır. Elektrotlar arası (~5÷10V) alternatif akım bağlandığında, polari-zasyon özelliklerini harap ederek, z ekseni doğrultusunda elektrik alanı meydana gelir. Giriş polarize ışığı bu yerlerde dağılır ve polarize özelliklerini kaybederek geri yansıma olmaz. Böylece aktif saydam elektrotlar (rakam veya harf şeklinde) parlak arka planın üzerinde koyu şekiller olarak gösterilir.

Resim 4.15 iki küçük monokromat LCD veya LCD modülü denilen ekranlarda iki satır, yani dört satır metinin gösterilişi verilmiştir.

Resim 4.15 Metin iletilerini gösteren LCD ekranlar



4.11.4. OPTİK BELLEKLER

Verileri okuyup yazmak için laser ışını kullanılan optik bellekler olarak, optik diskler yapılmaktadır.

Laser demetinin gücü onlarca MW olup, verileri yazmak için kullanılır. Eğer, örne-ğin resim 4.16 а) şematik olarak gösterildiği gibi telür (Te) tabanlı eleman kullanılırsa, iki cam plaka arasında sandöviç – yapıda olan ince telür tabakasının küçücük bir alanı (kalınlık 10 – 30 nm) lazer demetiyle eritilerek verilerin yazılışı yapılır. Eğer lazer güç etkisi 400mW civarında ise, ısınma meydana gelir, ondan sonra telür’ün soğumasıyla buhar tabakanın diğer alanına (~%55) göre çok daha az (~%5) yansıma yapan kabar-cıklar oluşur.

Resim 4.16 c)’ de veri yazma lazer demeti gücünün değişimiyle, telür’ün yansıma katsayısı değişimi gösterilmiştir. Aynı resimde rodyum – silisyum (Rh – Si) bellek elema-nının uygun yansıma katsayılarının değişimi gösterilmektedir, resim 4.16 b). Verileri Rh-Si çift katmanlı elemanda yazdırmak için 40 mW gücünde lazer kullanıldığında çift katmanın yerel erimesine neden olur, sertleştikten sonra ışınlanmamış bölgeye (~ %1,5) kıyasen daha büyük yansıma katsayısı (~%43) olan silisyum kabarcıkları meydana gelir. Bu durumda da veriler birkaç mW gücünde lazer tarafından okun-maktadır. Aynı prensib üzere Rh, paladyum, platin, kobalt vb. değişmesiyle başka bellek elemanlar da yapılabilir.

Resim 4.16 Оptik bellekler: а) telür tabanlı b) rodyum – silisyum tabanlı c) Te ve Rh-Si tabakalarında yansıma katsayısı değişimleri verileri

belleğe yazma lazer demetinin güçüne göre fonksiyonu

Lazer demeti

Lazer demeti

(Cam)

(Cam)

Amorfen Si

Nokta

Kabarcık



Optik belleklerin yanında yoğun bir şekilde manyeto-optik bellekleri de kullanılmaya başlanmıştır. Manyeto-optik bellek elemanları optik belleklerin bütün özeliklerini taşı-makla beraber geri dönüşüm özelliklere de sahiptirler (kayıtlı verilerin silinme imkanı).

Resim 4.17 а)’da tabanı polikarbonat olan manyeto – optik belleğin kesiti gösteril-miştir. İki dielektrik katmanı arasında manyetik tiberium – demir – kobolt alaşımından yapılı ince film bulunmaktadır.

Resim 4.17 Manyeto-optik bellek elemanı (Tb-Fe-Co) а) kesit b) bu elemanın Kerr Etkisi yardımıyla çalışma prensibi

Veriler lazerle termomanyetik denilen yöntemle yazılmaktadırlar. Lazer yardımıyla Tb-Fe-Co tabakasında verinin kaydedileceği yer Curie sıcaklığı üzerinde ısıtılır. Güçlü bir manyetik alanda (~0,8·106 А/m) ışınlanmış bölge aynı zamanda etkilenmemiş bölgeye göre ters yöne yönlendirilir (daha önce sabit zayıf manyetik alanda tamamı bir yönde yönelikti). Böylece istenilen bilgi yazılmış olur. Kayıtlı bilgiler Kerr etkisinden faydala-narak okunurlar. Manyetik alanın yönüne bağlı olarak “okuyan” lazer demetinin farklı polarizasyondaki yansıması, resim 4.17.b) de, kaydedilen bilgi olarak taranmış şekilde gösterilmiştir.

Dielektrik

Polikarbonat



TEKRARLAMA SORULARI

4.1. Dielektriklerde enerji seviyesi ne kadardır?

4.2. Kökenine göre dielektrikler nasıl ayrılırlar?

4.3. Hallerine göre dielektrikler nasıl ayrılırlar?

4.4. İzolasyon özelliklerine göre dielektrikler nasıl ayrılırlar?

4.5. Kutupsal dielektrikler nelerdir?

4.6. Dielektriklerde kaç çeşit polarizasyon vardır?

4.7. Dielektrik geçirgenlik nedir?

4.8. Dielektrik kayıpları nedir?

4.9. Dielektrik delinmesi nedir?

4.10. Enerjetik kabloların yapısını açıklayınız?

4.11. Haberleşme kabloları nasıl ayrılırlar?

4.12. Optik kabloların temel bileşeni nedir?

4.13. Tek modlu ve çok modlu optik lifl er aralarındaki fark nedir?

4.14. Hangi malzemelerin en büyük hacimsel kapasitesi vardır?

4.15. Si – entegre devrelerinde kondansatörler hangi malzemeden yapılır?

4.16. Yapılarına göre kondansatörler nasıl ayrılırlar?

4.17. Kondansatörlerin frekans özellikleri neye bağlıdır?

4.18. Özel kullanımı olan dielektrik malzemelerini sayınız!

4.19. Sıvı kristallerin yapısı nasıldır?

4.20. Optik bellek en çok hangi şekilde görünür?

5.Manyetik

malzemeler

5.Manyetik


Bazı malzeme gruplarının manyetik özellikleri

Güçlü mıknatıslanma mekanizması

Manyetostriktif

Yumuşak manyetik malzemeler

Bobinler, transformatörler, röleler

Katı manyetik malzemeler

Manyetik mikroelektronik

MANYETİK MALZEMELER 119


5.1. BAZI GRUP MALZEMELERİN MANYETİK ÖZELLİKLERİ

Tüm malzemeler az da olsa manyetik özelliklere sahiptirler. Manyetik özellikler, sü-per iletkenlik gibi, malzemenin valans ve iletkenlik bölgesinin yapısına ve doluluk sevi-yesine göre açıklanamaz. Bu özellikleri açıklamak amacıyla, Amper on sekizinci yüzyılın başlarında atomları mikroskobik minik mıknatıslar olarak varsaymıştır. Bugün atomla-rın elementer manyetik momentlerinin varlığının açıklanmasını biliyoruz: bunlar ato-mun etrafında kapalı yörüngelerde elektronların hareketi sonucudur; bu elektronlar temel elektrik akımı, elektrik akımı manyetik alanını, yani manyetik momentini oluştu-rurlar. Yörünge açısal momenti ile beraber elektronun manyetik momentini oluşturan, spin manyetik momentini (kendi etrafında dönmesi) de ilave etmemiz gerekir. Atomun manyetik momenti elektronun kendi etrafındaki dönme hareketi ve çekirdek etrafında-ki yörüngesel hareketinin vektörsel toplamıdır.

Atom manyetik momentlerin (dipollerin) toplamı, vektörsel toplam olarak, malze-menin manyetik alanının bileşkesini oluşturur. Вu manyetik momentlerin etkileşim de-recesine göre, malzemelerde zayıf ya da güçlü manyetik etkinliği olabilir.

Zayıf manyetik özelliklere sahip olan malzemeler diyamanyetik ve paramanyetik malzemelerdir. Diyamanyetik malzemeler, herhangi bir mıknatıs tarafından, o mıkna-tısın manyetik alanı içerisindeyken manyetik alan çizgilerine zıt yönde mıknatıslaştırıl-maya uğrayabilen maddelere denir. Bir mıknatısa yaklaştırıldığında kuzey kutbu gören maddenin yakın tarafı kuzey kutbu olarak yönelecektir. İtkisel bir yapı oluşmasına se-bep olan bu malzemeler dış manyetik alanın etkisini yok etmek amacını taşımaktadırlar. Paramanyetik malzemeleri manyetik momenti sıfır olmayan atomlara sahip, aralarında zayıf tepki ve polar dielektriklerde olduğu gibi, kısmi olarak dış manyetik alanıyla aynı yönde yöneliktirler. Kendisini mıknatıslaştıran cisim tarafından çekilirler. Yalnız manye-tik alanda mıknatıslık özelliklerini muhafaza ederler.

Güçlü manyetik özelliklerine sahip malzemeler ferromanyetik, ferrimanyetik ve an-tiferromanyetik malzemeleridir. Bunlardan pratikte kullanımı en az olanlar antiferro-manyetik malzemelerdir. Bu malzemelerde komşu manyetik dipoller zıt yönlüdür ve birbirini yok ederler.

Ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerin manyetik yapıları neticesinde büyük pratik öneme sahiptirler. Harici manyetik alanın (H) etkisi altında, lineer ve kalıcı olma-yan mıknatıslaşma ve mıknatıssızlaşma göstermektedirler. Bu özellik manyetik indük-siyonunun manyetik alanı şiddetine bağlığını gösteren B(H) histerezis eğrisiyle belir-lenir. Manyetik malzemelerin polarizasyon özellikleri lineer olmayan bağıl manyetik geçirgenlik katsayısı μr ile karakterize edilir. Kritik sıcaklığın (Tkr) üzerinde bir sıcaklıkta bu malzemeler manyetik özelliklerini kaybederler ve paramanyetik malzemelere dö-nüşürler.

120 MANYETİK MALZEMELER


Histerezis eğrisinin B(H) şekline göre ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler şu şekilde ayrılırlar: yumuşak manyetik malzemeler (histerezis eğrisinin daha küçük alanı olan dikey dikdörtgen şekli vardır) ve sert manyetik malzemeler (histerezis eğrisi eğik ve daha büyük alanı vardır).

a) b)

Resim 5.1 Histerezis eğrisinin şekli

Manyetik histerezisin malzemenin manyetik enerjisiyle doğru orantılı olduğunu göz önünde bulundurursak sert manyetik malzemeler kalıcı mıknatıslar yapmak için kulla-nılırlar. Bunların en karakteristik parametresi maksimum değerini aldığı ikinci bölgede-ki noktaya karşılık gelen enerji çarpımı (B·H)max dır. Bunun yansıra, histerisiz eğrisinin x-ekseniyle kesiştiği noktayla belirlenen koersitif alanın (yok edici kuvvetin) (Hc) önemi büyüktür. Koersitif alan manyetik indüksiyonun sıfır olduğu manyetik alandır. Yumuşak manyetik malzemelerinde kurala göre Hc<1000A/m, sert manyetik malzemele-rinde ise Hc >1000A/m’dır. Aynı şekilde manyetik alan şiddeti sıfır olduğunda, manye-tik endüksiyon değerine remanence (kalıcı) indüksiyon (Br) denir ve manyetik malze-melerin bir başka önemli özelliğini oluşturur. Kalıcı indüksiyon mıknatıslaşma eğrisi ile ordinat ekseninin kesişiminde bulunmaktadır. Diğer taraftan, histerezis eğrisinin alanı manyetik enerjisinin bir manyetik döngüsü süresince histerezis kayıplarıyla doğru oran-tılı olduğundan, elektrik makinelerin çekirdekleri ve manyetik belleklerin (sürekli mıkna-tıslaşma ve mıknatıssızlaşma yapılır) yapımında kayıpları en aza indirmek için yumuşak manyetik malzemeler kullanılır.

Bu malzemelerde çekirdekte indüklenmiş fuko akımlarından dolayı meydana gelen kayıpların en aza indirilmesi gerektiğinden dolayı, yumuşak manyetik malzemelerinin daha büyük öz direnci (р) olması istenir. Bu malzemelerde önemli etken, bağıl mak-simum manyetik geçirgenliktir (μrm, verilen malzemenin ilk mıknatıssızlaşma durumu B(H) eğrisinin maksimum yanaşması). Bunun değeri hisreresiz eğrisi nekadar dik ise,



yani alanı ne kadar küçük ise o kadar daha büyüktür. Tablo 5.1 manyetik malzemelerin-de karakteristik parametrelerinin değerleri ve ekstrem değerleri verilmiştir.

Таblo 5.1 Manyetik malzemelerin karakteristik parametreleri ve ekstrem değerleri

μrm HC (A/m) (B·H)max (kJ/m) Р (0m) Tkr (°C)

Yumuşak manyetik malzemeler

103÷106 10-1 102 10-7÷106 100÷600

Sert manyetik malzemeler - 104÷107 1÷102 - 300÷900

Ekstrem değerler

1,5·106 (Fe-Ni alaşımları)

106 (SmCo5) 390 (Sm2Co17) 106 (Ni-Zn

feritler)920

(Sm2Co17)

Manyetik malzemelerin en çok polikristal ve bazen amorf şekilleri kullanılır

5.2. GÜÇLÜ MIKNATISLAŞMA MAKANİZMASI

Kompanse edilmemiş manyetik dipol momentlerin varlığında, malzemede kendili-ğinden makroskopik mıknatıslaşma (Ms) varsa, malzeme kendiliğinden mıknatıslanabi-lir. Bu tür mıknatıslaşmaya güçlü mıknatıslaşma denir.

Kompanse edilmemiş manyetik momentlerin güçlü karşılıklı etkileşimi, onların para-lel yönelmesine (ferromanyetikler) veya anti paralel yönlenmesine (antiferromanyetikler ve ferimanyetikler) resim 5.2 (a-c) gösterildiği gibi neden olabilirler. Ferromanyetiklerde komşu manyetik dipoller, antiferromanyetiklerde olduğu gibi Ms=0, kompanze edilmiş değiller.

(а) ferromanyetikler,

(b) antiferromanyetikler,

(c) ferrimanyetikler,

Resim 5.2 Manyetik momentlerin büyüklüğü ve yönünün şematik görünümü

Güçlü mıknatıslaşma temelde elektrostatik doğası olan komşu manyetik dipollerin karmaşık kuantum mekanik karşılıklı etkileşimidir. Aynı zamanda etkileşimin kuantum mekanik özelliklerinden dolayı kısa sürelidir.



Ferromanyetiklerin ve ferrimanyetiklerin kompanse edilmemiş komşu manyetik di-polleri olmasına rağmen, bazen bu malzemelerden rastgele alınan bir parça mıknatıs-laşmamış görünebilir. Ancak, dış manyetik alan ile etkileşimi, kalıcı mıknatıs yaklaştırıl-dığında, paramanyetiklerden önemli ölçüde daha güçlü mıknatıslaşırlar.

Bu olayı açıklamak için, kompanze edilmemiş manyetik dipollerin, manyetik dipol etkileşimlerini hesaba katmamız gerekir. Bu etkileşim elektrostatik kuantum mekanik etkileşimden daha küçük, fakat etkisi daha uzun sürelidir. Sonuçta manyetik yapılan-dırma (manyetik dipollerin uzaysal dizilişi), makroskopik numunede oldukça karmaşık olabilir, çünkü çok sayıda manyetik dipollerin dipol enerjisi önemli hale gelir ve onun etkisi manyetik dipollerin yapılandırmasını değiştirebilmektedir.

Örneğin, homojen manyetik yapı olarak resim 5.3 a) şematik olarak ferromanyetik gösterilmiştir. Dipol enerjisi bakımından ekonomik değildir ve resim 5.3 b)’de olduğu gibi manyetik momentlerin değişik yönleriyle, homojen manyetik makroskopik doma-inlere bölünmesi önemli ölçüde azaltılabilir. Böyle bir ayrılış enerji alışverişinin artması-na neden olur, çünkü ferromanyetik domainlerin duvarlarında ters yönlü momentlerin etkileşimi enerji açısından olumsuzdur. Ancak, diğer taraftan domain bölünmesi doma-inlerin her iki yönde zıt yönlü tüm momentlerin uzun süreli dipol etkileşiminden dolayı dipol enerjisinin azalmasına sebep olur. Genel olarak, ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerin, büyüklükleri 10-2÷10-3cm olan çok sayıda domainleri vardır.

a) b)

Resim 5.3 Makroskopik ferromanyetik numunenin şematik görünümü: а) homojen mıknatıslaşma b) daha uygun enerjili domain yapısı

Mıknatıslanmamış demirin mıknatıslanması, harici manyetik alanı H (Т<Тkr için) etkisi altında, biçimini ve domainlerin mıknatıslanmasını değiştiren bir süreçtir (resim 5.4). Harici manyetik alana bırakılmadan önce mıknatızsız malzeme domainleri kaotik sıra-lanmış ve kompanze edilmemiştir (1). Mıknatıslanma için gerekli manyetik alan uygu-landığında, manyetik alanın yönünde göre sıralanmış domainler, sıralanmamış doma-inlere göre artmaya başlar.



Resim 5.4 nokta 1’de görüldüğü gibi, başlangıçta domainler güçlükle büyürler. Eğer alan şiddeti artırılırsa, domainler daha kolay yönelirler ve büyürler, bu durum nokta 2 de verilmiştir. Son olarak, bütün dipoller sıralandıktan sonra mıknatıslanma değeri sa-bit bir değere ulaşarak yok olmaya gider (nokta 3).

H manyetik alanının şiddetini azatlığımız zaman mıknatıslanma şiddeti de azalacak-tır. Ancak bu durumda eğri farklı bir yol izleyecektir. H manyetik alanı sıfırlandığında, domain duvarları domainlerin kendiliğinden eski kaotik durumlarına dönmesini engel-ler. Bir çok domain, verilen manyetik alanın yönünde sıralanmış kalır, çünkü mıknatısın kalıcı (remanant) manyetik endüksiyonu Br vardır (nokta 4) ve kalıcı bir mıknatıs gibi davranır. Manyetik alanın yeniden etkilemesi, ilk durumdan farklı yönde domainlerin büyümeye ve ters yönde dizilirler. Domainleri yeniden kaotik sıralayacak ve karşılıklı sıfırlayacak (B=0) alana koersitif alan Hc denir (nokta 5). Alan şiddeti daha da arttırılırsa, domainlerin ters yönde sıralanmasına yol açar (nokta 6).

Alan yönünün devirli değişimiyle, B(H) fonksiyonun noktaları resim 5.4 gösterildiği gibi histerezis eğrisini (mıknatıslanma eğrisi) belirtmektedir.

Resim 5.4 Resim 5.4 Mıknatıslanmanın ferromaynetik eğrisi (histerezis eğrisi).

Mıknatıslanma şiddeti sadece uygulanan manyetik alana değil, numunenin önceki durumuna ve içinde bulunduğu koşullara da bağlı olarak değişir. Ferromanyetik mad-deler çok yüksek sıcaklarda ısıtılmaları durumunda paralel dizilmiş manyetik moment-ler bozulur ve malzemenin paramanyetik özellik gösterecek şekilde yapı değiştirir. Fer-romanyetiklerde malzemenin manyetik özelliklerini kaybettiği sıcaklığa Curie sıcaklığı (Tc), ferrimanyetiklerde ise Neel sıcaklığı (TN) denir.



5.3. MANYETOSTRİKTİF

Malzemenin, manyetik alanın etkisiyle mekanik özelliklerini veya geometrik şeklini değiştirme olayına doğrudan manyetomekanik etki, mekanik gerilmelerin etkisi altın-da malzemenin manyetik özelliklerini değiştirme olayına ise ters manyetomekanik etki denir. Manyetomekanik etkisini ilk olarak 1894 yılında Joule keşfetmiştir, fakat teorik olarak izah edememiştir. Manyetik alanın etkisi altında mekanik deformasyon etkisine Joule etkisi veya manyetostriktif denir.

Manyetik alanın yönüne göre cismin boyutlarının değişimine bağlı manyetostriktif enine veya boyuna olabilir. Bu iki manyetostriktif türü yanısıra hacimsel magnetostriktif vardır. Manyetik alanında bulunan ferromanyetik küre, hacminin küçülmesi ve manye-tik alanın yönüne doğru yarıçapın büyümesi eğilimini göstemektedir. Вu deformasyona form-etkisi denir. Manyetostriktifl e histerezis eğrisi ortaya çıkar ve koordinat sisteminin apsisinde manyetik alan (H), ordinatında analiz edilen malzemenin bağıl uzunluk de-ğişimi gösterilirse, devirli mıknatıslanmada manyetostriktif kelebek biçiminde bir eğri oluşturur ve bu eğriye manyetosriktif histerezis eğrisi denir. Manyetosriktif manyetik alanın yönüne bağlı olduğu durumda onun histerezis eğrisi manyetik histerezis eğri-siyle aynı şekildedir. Bu durum söz konusu olmadığı için, (III.) bölgede bulunan eğrinin bölümü (I.) birinci bölgeye eşleşir.

Resim 5.5 Kelebek şeklinde mantetostriktif eğrisi

Manyetostritif ilk önce ultrason elde etmek için kullanılmıştır. Ultrason önceden piezoelektrik kristalleri (kuars) osilasyonu ile elde edilirdi. Onların dezavantajı büyük amplitüdlerle osilasyon yetersizliğidir, çünkü kristal dağılabilir. Bunun yanısıra frekan, kristalin boyutlarına bağlıdır.



Manyetostriktif en çok yardımıyla, deniz ve okyanuslarda suyun altında bulunan ci-simleeri ortaya çıkarmak, derinlikleri ölçmek, balık sürülerini bulmak vb. için sonar ya-pılmasında uygulanır.

Değişik türden genleşme katsayıları farklı olan eşit iki metal yaprağın kombinas-yonuyla yapılan bimetallere benzer şekilde değişik manyetostriktifi olan iki metalin kombinasyonundan bimetal yapılabilir. Manyetik alanın etkisinde malzemelerin farklı gerilmelerine neden olur, onunla beraber bimetal’in şekli önemli ölçüde değişir. Man-yetostriktif alüminyumu lehimlemekte ve aynı şekilde kayaların kalınlığını ölçmekte ve duvarlarda kusurları tespit etmekte uygulanır.

5.4. YUMUŞAK MANYETİK MALZEMELER

Yumuşak manyetik malzemeler olarak demir ve onun bazı alaşımları (Fe-Si, Fe-Ni v b.), bazı feritler (Ni-Zi, Mg-Zn-feritler vb.) ve bazı amorf malzemeler (FexBySi1-x-y alaşım-ları vb.) yer almaktadır.

Küçük alanlı dikey histerezis eğrisi olduğu için onlar çok çabuk mıknatıslanma ve mıknatıssızlaşma oluyorlar. Bu malzemelerin küçük koersitif alanı (Hc) ve büyük kalıcı indüksiyonu (Br), büyük maksimum bağıl geçirgenlik (μrm) ve küçük histerezis kayıpları vardır. Fuko kayıpların azalması ve malzemelerin öz direnci (p) büyük olması gerekti-ği için bu nedenden dolayı transformatör ve elektrik makineleri çekirdekleri, manyetik bellekler ve benzeri üretiminde bu malzemeler kullanılır. Tabela 5.2 de yumuşak man-yetik malzemelerin önemli temsilcilerinin alınan parametrelerinin yaklaşık değerleri verilmiştir.

En iyi manyetik özellikleri mono kristal saf demir vardır, fakat seri teknolojik uygula-ma için pratik değildir. Polikristal demirin çok daha zayıf özellikleri olduğundan dolayı, önce silisyum (Fe-Si alaşımı, %0,1÷%5 Si) ve nikel (Fe-Si alaşımı, %80 kadar) alaşımlama yapılması gerekir.

Demir ve Silisyum alaşımları (Fe-Si) çok ucuz ve iyi özellikleri olan ve bundan dola-yı transformatör ve elektrik makineleri saçları yapmak için en çok kullanılan malzeme-lerdir. Silisyumlu alaşımların demire göre birkaç defa daha az fuko kayıpları vardır.

Demir ve Nikel alaşımların (Fe-Ni veya Ferro Nikel alaşımları) çok büyük μr ve çok küçük Hc olan malzemelerdir. Bu alaşımların bir özel kalitesi, bilgisayar teknolojisinde, elektroteknik ve haberleşmede kullanılmasında önemli olan, küçük manyetik alanda büyük başlangıç manyetik geçirgenliği (μri) olmasıdır.

En tanınmış Fe-Ni alaşımları şu isimlerle karşımıza çıkarlar, permalloy, supermalloy ve μ-metal. Bu alaşımların en büyük eksikliği mekanik gerilmelere duyarlı oldukları gibi, fiyatları yüksek (Nikelin pahalı olması) olmasıdır. Dikdörtgen histerisiz döngüsü ve kü-çük alan bu alaşımların bilgisayar manyetik bellekleri, manyetik güçlendiriciler, darbe transformatörleri vb. uygulanmasını mümkün kılır.



Таblo 5.2 Önemli yumuşak manyetik malzemelerin karakteristik parametreleri ve onların uygulanması

μrmBc(T)

Hc (A/m) �(�m) Tkr

(°C)

3.000÷20.000 0,8÷1,2 3÷120 10-7÷10-6 -

15.000÷1.500.000 0,4÷1 0,2÷30 10-7÷10-6 -

Ni-Zn 10÷10.000 0,1÷0,4 16÷1.600 1÷106 100÷600

(105÷109Hz)

Mn-Zn 10.000÷100.000 0.4 4÷60 10-1÷10 100÷200 (103÷106Hz)

FexBySil-x-y 230.000 1.2 4 10-6 400

Uygulanma

Fe - Si Alaşımı

Fe - Si Alaşımı

feritler

Transformatör ve dinamo saçlarıDarbe transformatörleri,Manyetik güçlendiriciler

Geniş bant transformatörler, güç transfor-matörleri Q-faktör yüksek bobinler

bellekler

Güç transformatörleri(50Hz÷400Hz),güç susturucuları,multivibratörler

Ni-Zn ve Mn-Zn türünden yumuşak feritler demir oksit (Fe2O3- manyetit) ve NiO ve ZnO, yansıra МnO ve ZnO metal oksitlerin karışımıdır. Seçilen karışımın preslenmesiyle, ondan sonra uygun ve nispeten yüksek sıcaklıkta sinterleme (küçük parçaları birleştir-mek için kullanılan bir yüksek sıcaklık ısıl işlemi) yapılarak, oksit tanelerini kompakt bir katı kristal – amorf yapıya dönüştürerek üretilirler. Bu malzemelerin, Fe-Si ve Fe-Ni ala-şımlarından 106 defa daha büyük öz dirençleri olduğundan dolayı, fuko akımlarından dolayı çok küçük kayıpları vardır. Nispeten büyük μri varlığından ötürü, elektroteknikte geniş bantlı transformatörlerin (Ni- Zn için f = 105 den 109 Hz kadar, Mn-Zn feritleri için 103 den 106 Hz kadar) çekirdekleri, mükemmel özellikleri olan bobinler, osilatör ve filt-reler ve güç transformatörlerin yapımında uygulanırlar.

Amorf yumuşak manyetik malzemeler demir – bor – silisyum (FexBySi1-x-y) alaşım türünden olanlar, erimiş kütlelerin genişliği 20 mm ve kalınlığı 20 ile 50 μm aralığın-da amorf filmler biçiminde hızlı soğutmakla (106°C/s) elde edilirler. Amorf alaşımlar elde etmek istiyorsak, silisyum oranı %5 silisyum oranı geçmez. Bu alaşımların dağıtım güç transformatörlerin (50 Hz’ lik) yapımında Fe-Si alaşımları yerine geniş kullanımı ve önemli ölçüde enerji tasarrufu ile sonuçlanması beklenmektedir. Şimdilik manyeto öl-çüm tekniğinde, sensorlar ve dönüştürücüler yapmak için kullanılırlar.



5.5. BOBİNLER, ТRANSFORMATÖRLER VE RÖLELER

5.5.1. BOBİNLER

Bobinleri nüveli (çekirdekli) ve nüvesiz olarak ayırabiliriz. İletken sargının biçimine göre bobinler, döngüsü olmayan yoğun, döngülü, tek katmanlı ve çok katmanlı, basılı ince katmanlı spiraller veya izolasyon tabanlı kalın katmanlı çip-bobinler olarak yapılır-lar (resim 5.6).

Resim 5.6 Çeşitli tür hava nüve bobinleri

Nüvesiz bobinler manyetik olmayan ve dielektrik geçirgenliği ile kayıplar açısının tanjantı minimum olan malzemenin bobin gövdesine sarılmasıyla yapılmaktadır (bobi-nin yeterince küçük parazit kapasitesi ve yeterince büyük kalite faktörü, yani Q-faktörü olduğunda). Bobin gövdeleri yapımında en çok kullanılan malzemeler plastik (polisti-ren, fenoplast vb.) veya seramik (steatit vb.).

Tek katlı bobinler, oda sıcaklığında gerilmiş teli (iplik) veya soğutulduktan sonra gövdeye sıkıca yapışacak kızgın ısıtılmış teli katlamakla yapılır. Çok katlı bobinler daha büyük indüktans değerleri elde etmek için kullanılır. Bobin ve transformatörlerin sarıl-masında en çok lake bakır teli kullanılır.

İndüktansı büyüterek, bobinlerin boyutlarının küçülmesi mümkündür. Bu, nüvesi ferromanyetik veya ferrimanyetik yumuşak manyetik malzemelerinden yapılan bobin-lerde elde edilir. Yapılarına göre, nüveler açık, yarım kapalı ve kapalı olabilirler.

Açık çekirdeklerin kısa ya da uzun silindirik bobinleri vardır. Çünkü onlarda manyetik akı (manyetik fl ux) bir bölümüyle havadan geçtiği için, manyetik kayıplardan kaçınmak için zırh ile korunması gerekir. Yarı kapalı türünden sarılı nüveli bobinlerde küçük ka-yıplar elde edilir.



Torus şeklinde veya zincirler biçiminde kapalı tip nüveler malzemelerin manyetik özelliklerinin en iyi kullanımını sağlamaktadır. Resim 5.7 birkaç tip ferrit manyetik nüve gösterilmiştir.

Manyetik nüvelerin sargılarında alternatif akımın frekansları artmasıyla, fuko akım-larından dolayı kayıpların artması sebebiyle nüvenin sınırlı frekansı vardır. Yüksek fre-kansların en iyi özellikleri yumuşak manyetoferritlerin (800 MHz kadar Ni-Zn fer-ritlerin ve 1 MHz kadar Mn-Zn ferritleri) vardır, fakat bunların düşük çalışma sıcaklıkları (100°C kadar), ancak manyetodielektriklerin büyük kayıpları olduğu için çok nadiren kullanılırlar.

Resim 5.7 Farklı biçim ve büyüklüklerde Ferrit nüveleri

Şebeke frekanslarında (50Hz) bobinlerin nüveleri (susturucular) Fe-Si alaşımlarından farklı kalınlıkta ve bileşimde profil sacdan yapılmaktadır. Sıcak haddelenmiş Fe-Si sac-larda kayıplar Si ile ters orantılıdır. Fe-Si saçların kalınlığı 0.35 i l e 0.5 mm arasındadır. Son zamanlarda dağıtım transformatörlerinde ve bobinlerinde kalınlığı 20 ve 50 μm olan amorf filmlerinden (FexBySi1-x-y) yapılan nüveler konuşulmaktadır. Bu nüvelerin ka-yıpları daha küçük frekanslarda Fe-Si saclarına göre daha azdır ve daha büyük frekans-larda da kullanılabilirler.

Fe-Ni alaşım saçları daha nadiren kullanılırlar (nikelin fiyatı yüksek olduğu için), yani bu alaşımlar sadece özel cihazlarda, manyetik nüvelerin kayıpları çok küçük olması ge-rektiğinde kullanılırlar.

Çip-bobinler çok katmanlı şekilde, ferrit nüvenin ve sarımların serigrafi baskı ve or-tak sinterlemeyle yapılır. İletken macunu Pd veya Mo tabanlıdır. Çip –bobinler 10nH ile 2.2 mH indüktans için yapılırlar ve frekans bandı geniş (1MHz - 1 GHz) aralığında kullanılır.

Çip transformatörler de benzer şekilde üretilirler.



5.5.2. TRANSFORMATÖRLER

Transformatörlerde, primer ve sekonder sargı arasında indüktif bağın mümkün ol-duğu kadar güçlü olması gerektiği için sadece manyetik çekirdekler kullanılır. Çalışma frekansına bağlı olarak, bobinlerde olduğu gibi aynı tür manyetik çekirdekler kullanılır.

Çok yüksek frekanslarda ferrit çekirdekler, şebeke frekanslarında ise Fe-Si alaşımlı profil sac çekirdekleri kullanılır. Bu sacların kalınlıkları en çok 0.35 ve 0.5 mm arasındadır.

Resim 5.8 Ferrit çekirdekli transformatörlerin değişik türleri gösterilmiştir.

Resim 5.8 Ferrit çekirdekli transformatörlerin değişik türleri

Manyetik çekirdekleri için malzeme seçimi transformatörlerin çalışma frekansına bağlıdır. Susturucular (yüksek indüktans bobinler) şebeke transformatörleri gibi hesap-lanır ve tasarlanırlar, ancak susturucuların uçlarında gerilim küçük olduğu için onların manyetik indüktansı da küçük (~ 0,5 T) olacağı göz önünde bulundurmak gerekir. Bu nedenden dolayı kayıplar çoğu zaman göz ardı edilir.

5.5.3. RÖLELER

Röleler, çalışma modunu kontrol etmek, uzaktan kumanda, otomatik koruma, ve sinyalizasyon amaçlı kontrol sinyalin etkisiyle elektrik devrelerini açıp kapatan bileşen-lerdir. Tüm rölelerin ortаk özelliği, elektromıknatısın manyetik kuvveti etkisinden bazı kontakların veya grup kontakların elekromekanik bağlantılarıdır.



Röleler genel olarak elektromanyetik röleler ve hermetik kapalı kontaklı röleler (reed röleler) olarak ayrılırlar.

Elektromanyetik rölelerde elektromıknatıs etkisiyle nispeten ağır olan manyetik ça-palar hareket eder. Doğru ve alternatif akımıyla çalışan röleler vardır. Daha düşük kon-tak direnci ve sağlam temas oluşturmaları olmak üzere rölelerin rölünde kontakların ayrıca önemi büyüktür. Kontaklar yapımında Аg, Au, Pd, Pt, Ir, W, Mo malzemeleri ve onların alaşımları kullanılır.

Resim 5.9 birkaç tür elektromanyetik rölelerin diş görünüşü gösterilmiştir.

Resim 5.9 Farklı tip röleler

Küçük bir cam tüp içinde asal gaz konarak minik bir kontakt olan röleler vardır. Or-tam asal gaz olduğu için oksitlenme ve korozyondan etkilenmez. Bu rölelerde mekanik hareket minimum seviyededir (10÷100μ) ve büyük akımlarda kontakların kaynak ol-mamasını engellemek için, ferromanyetik yayın rodyumla (Rh) kaplı uçlarının hareketli olması sağlanır. Bu röleler çok hızlı ve uzun kullanım ömürleri vardır (108 cıvarında açma kapamaya dayanıklıdırlar). Genellikle elektrik devrelerine bağlamak için yaldızlı teller çıkan delikleri epoksi reçine ile kapatılmış plastik bir muhafaza içine yerleştirilirler.

5.6. KATI MANYETİK MALZEMELER

Katı manyetik malzemeler arasında şu malzemeler sayılırlar: demirin bazı ferroman-yetik alaşımları (çelik, Al, Ni, Co vb. alaşımları), bazı ferritler (baryum ve stronsiyum Ferit), domaini taneciklı olan malzemeler vb.



Geniş bir alana sahip eğik histerezis eğrisi olduğundan, bunlar büyük koersitif alanı, küçük artık indükleme ve büyük enerji çarpımı (B·H) ile karakterize edilir. Bu nedenle, genel olarak kalıcı mıknatıslar yapmak için kullanılırlar, silindirik domainleri olan mal-zemeler, nükleer radyasyona karşı çok dayanıklı oldukları için manyetik mikro elekt-ronikte kullanılırlar. Tablo 5.3 en önemli katı manyetik malzemelerin söz konusu olan parametrelerin tahmini değerleri verilmiştir, resim 5.10 de bu malzemelerin mıknatıs-sızlaşma eğrisi (II. bölge) gösterilmiştir.

Таblo 5.3. Bazı tür katı manyetik malzemelerin önemli özellikleri

Manyetik Malzemeler

Özellikler

Br (T) Hc (A/m) (BH)max (kJ/m3) Tkr (°C) Uygulama

AlNiCo Alaşımı 0,5÷1,4 50.000÷100.000 10÷60 750÷900

Daimi mıknatıslar (Ölçüm tekniği, nispeten pahalı)

Ba- Ferrit 0,1÷0,4 80.000÷250.000 3÷30 450

Bellekler, daimi mıknatıslar (oto endüstrisi, mikrofonlar, ucuz)

Sr- Ferrit 0,3÷0,4 300.000 25÷30 450 Daha pahalı

SmCO5 1,1 1.000.000 240 725

Minyatür mıknatıslar (elektroteknik, ölçüm tekniği, otomatik, uçak endüstrisi, HI-FI)

SmCO17 1,4 500.000 290 920Çok pahalı, paslanmaya duyarlı

NdxFeyBl-x-y 1,2 1.000.000 300 300

Daha ucuz, daha iyi mekanik özellikleri, paslanmaya duyarlı

En eski katı malzemeler grubunu, içinde önemli ölçüde karbon ihtiva eden ve karbon çelik de denilen (0,8-1,5%), W, Cr ve Co alaşımlı çelikler oluşturur. Ancak, Al, Ni, Co ya da C u ile alaşımlı, az karbonu olan (%0,03 den az) çeliklerin büyük enerji çarpımı vardır, bundan dolayı ticari isimleri: AlNi, AlNiCo, AlNiCoCu, bazen sadece AlNiCo alaşımlarıdır.



AlNiCo alaşımları yaklaşık %50 demir içeren, diğer katkı maddeleri: Al, Ni, Co, küçük karbon ilavesiyle olan alaşımlardır. Bu alaşımlar nispeten pahalı fakat manyetik özel-likleri çok iyi olan malzemelerdir. Bunlar oldukça sert zımparalamakla işlenmektedirler. Ölçüm tekniğinde kullanılan sürekli mıknatısların yapımında uygulanırlar.

Resim 5.10 Birkaç katı manyetik malzemenin mıknatıssızlaşma eğrisi

Katı ferritler Ba ve Sr tipi ferritlerin demir oksit (Fe2O3) ve BaO metal oksit veya SrO karışımıdır. Bunlar yumuşak ferritler gibi yapılır, ancak seçilen karışımlar, güçlü bir manyetik alanda sinterlemeyle preslenir. Bunların manyetik özellikleri AlNiCo alaşım-larından daha zayıf olmasına rağmen (sadece Hc birkaç kez daha fazladır), daha düşük fiyatlar nedeniyle daha fazla kullanılır. Mikrofonlar ve oto motor marşlarının statorlarını yapmak için kullanılır.

Son 10 yıldır nadir elementlerin (Sm, Nd v b .) ile Co ve Fe bileşikleri ve alaşımla-rıyla büyük bir grup katı manyetik malzemeler geliştirilmiştir. Bu malzemelerin AlNiCo alaşımları ve katı ferritler gibi klasik malzemelerin özelliklerini aşan manyetik özellikleri vardır. Şimdiye kadar en çok uygulanan bileşikler SmCo5 v e Sm2Co17. Bu bileşikler nadir bulunan element samaryum (Sm) barındırdıkları için çok pahalıdırlar. Son zamanlarda Sm yerine önemli ölçüde ucuz olan neodimyum (Nd) değiştirilerek NdxFeyB1-x-y alaşımı yapılmıştır. Neodimyum alaşımların Sm-Co göre avantajı darbelere karşı daha dayanık-lı olmaları, eksiklikleri ise kritik sıcaklıkların düşük olmasıdır. Ortak dezavantajları ise paslanmaya karşı dayanıksız olmalarıdır. Bu nedenden dolayı bu malzemeler boyayla kaplanmaktadır. Bu malzemeler ucuz olduğundan dolayı, özellikle Nd-Fe-B alaşımları, elektronikte minyatür ve güçlü mıknatıslar, ölçme tekniği, HI-FI cihazları, otomatik, uçak ve uzay endüstrisinde vb. alanlarda geniş kapsamlı kullanılması beklenmektedir.

Özellikle manyetik malzemeler için ilginç bir sınıf olan kabarcık domainli malze-melerdir. Bunların kristal yapısı (ortoferritler. Onlar kristal yapılı (ortoff eritler, garnet ve heksaferritler) veya amorf yapılı olabilirler.



Ticari olarak, yaygın kullanılan bu tip malzemeler, garnetler sınıfına düşen ve genel formülü (RE)3Fe2(FeO4)3 olan, nadir element rolünde itriyum (Y) olan YIG’ dir. YIG ince monokristal bir tabaka biçiminde LPE (sıvı faz epitaksi) yöntemiyle Gd3Ga5O12 monok-ristal mıknatıs olmayan yüzeye sürmekle (aynı tip kristal yapı), silindirik domainlerin çapı yaklaşık 0,5 μm elde edilir. Heksaferritlerin daha küçük domainleri, yaklaşık 0,3 μm, katı amorf manyetik filmlerin, en önemlisi (Gd1-xCox)1- yMoy, 0,1 μm den küçük domainle-ri vardır. Bunlar pahalı monokristal yüzeyler kullanmadıkları için daha ucuzdurlar. Nük-leer radyasyona son derece duyarsız olan, kabarcık domainli malzemelerin manyetik mikroelektronikte uygulanmasını aşağıdaki metinde ele alacağız.

5.7. МАNYETİK MİKROELEKTRONİK

5.7.1. МАNYETİK BELLEKLER

Elektronik ve bilgisayar teknolojisinde manyetik bellekler (sabit diskler, disketler, manyetik bant birimleri vb.) yapımında manyetik malzemeler kullanılır. Bu amaca en uygun, küçük alanlı dar histerezis eğrisi olan, demir oksitlere benzer yumuşak manye-tik malzemelerdir. Ancak son zamanlarda özel domain yapısından ve girilen verilerin daha uzun zaman kalıcı olmasından dolayı, bazı katı manyetik malzemeler (Ba-ferritler, Co-ferritler ve MMD-malzemeler) kullanılmaktadır.

Manyetik disklerde bilgilerin kayıt ve okunması yumuşak manyetik bazında olan Fe-Ni alaşımı (permaloy ve benzeri) ve elektromanyetik indüksiyon prensibine daylı çalı-şan manyetik kafa ile yapılır.

Маnyetik diskler manyetik olmayan alüminyum disklerin üzerine manyetik tabaka uygulanarak yapılır. Маnyetik tabaka küçük manyetik parçaların polimer kütlesi içine daldırılarak hazırlanır. Bu tabaka elektro-manyetik kafanın manyetik alanı değişimiy-le, domainlerin hızlı rotasyonu sağlanır. Ses ve video kasetlerin bantları polimer şeritin manyetik parçacıklarından yapılır.

Yukarıda tarif edilen bellek diskler yavaş çalışırlar (~10 ms), çünkü diskin mekanik rotasyonuyla erişim sağlanır. Bu diskler çok pahalı yazma - okuma mekanizması gerek-tirir ve sadece büyük belleklerde ekonomik olabilir. Örnek olarak 2000 yıllarının sonuna kadar veri saklama aracı olarak öyle denilen 1,44 MB kapasiteli yumuşak diskler kulla-nılırdı. Bugün bunlar kullanımdan tamamen atılmış ve yaygın olarak EEPROM bellekler ile değiştirilmiştir. Sabit diskler söz konusu olunca, 20 yıl önce kapasiteleri birkaç MB geçmediğini vurgulamak gerekir. Buna karşılık, bugünün mevcut sabit diskleri yüz MB başlayarak 1 TB (terabyte) kadar kapasiteye sahiptirler.

Erişim süresinin azaltılması, manyetik ortamın silindirik domain yapısı olan kabarcık içeren belleklerle sağlanmıştır. Resim 5.11 sürekli polarize manyetik alana (Hp) göre ters yönde güçlü manyetik alanın verilmesiyle, plakanın büyük bölümüne göre ters yöne mıknatıslanmış birkaç silindirik domain gösterilmiştir (taranmış bölüm).



Manyetik kabarcıkların dağılması ters yönde süreçle mümkündür. Malzeme düzle-minde ters yönlü manyetik alan (~ 100kHz÷1MHz frekans) oluşturarak, manyetik kabarcıklar, manyetik malzemenin ince tabakasında kontrollü bir şekilde hareket ede-bilirler. Bu alan durdurulabilir, ondan sonra ters yöne dönerek erişim geleneksel dışsal manyetik birimlere göre daha kısa zamanda (~5ms) gerçekleşir.

Bellek verilerinin okunması (manyetik taneciğin varlığı 1, yokluğu ise 0) tanecikli bel-lek yongasının parçası olan manyetik filmin üzerinde bulunan dayanıklı manyetik bant-ların direncinin değişimiyle elektronik olarak kaydedilir.

Resim 5.11 Tanecikli (silindirik) manyetik domainlerin şematik gösterilişi

5.7.2. MANTIK DEVRELERİ

Kabarcıklı manyetik domainleri olan mantık devreleri (MMD mantık devreleri), ken-di manyetik kanallarında hareket eden iki manyetik domainin manyetik etkileşimlerine dayanır. Etkileşim iki kanalın kesişme noktasında ya da kanalların yaklaştığı yerde ger-çekleşir. Burada permalloy V- manyetik kanallı (devrenin ortasında yaklaşan) litografik manyetik tabakaya kazınmış VE- VEYA türü devreleri açıklanacaktır.

V- manyetik kanallar permalloy’dan (Fe-Ni alaşımı) yapılır, çünkü onun son derece yüksek maksimum bağıl manyetik geçirgenliği (μrm ~106) ve kabarcık manyetik doma-inli plakalarda büyük manyetik çekim kuvveti göstermektedirler. Permalloy katmanları ve MMD tabanları kalınlıkları ~1μm dir.

İki kabarcıklı domainin (döner manyetik alan tarafından permalloy V- manyetik ka-nalı boyunca sürülen) aynı zamanda X ve Y kanalları boyunca hareket etmeli durumda, yaklaştıkları noktada birbirini ittikleri için onlar kendi kanallarında kalacak ve Fx ve Fy çı-kışlarına devam edecekler. Alt kanalda domain varlığı, üstte boşluk yolculuk etmesi du-rumda Fx ve Fy çıkışlarında sırasıyla 0 ve 1 görünür. Eğer domain üst kanalda, boşluk alt kanalda yolculuk ederse, etkileşim noktasında daha yoğun V-tipi permalloy elementleri tarafından çekildiği için üstteki domain alt kanala geçer.



Her iki kanalda boşluk yolculuk ettiğinde, boşluklar çıkışlarda da görünecektir. Do-mainin varlığı mantıksal 1(bir), yokluğu mantıksal 0 (sıfır) olarak alındığında Tablo 5.4 elde edilir. Bu tabloda farklı girişler (X ve Y) için Fx çıkışı VE işlevini Fy çıkışı ise VEYA işle-vini yapar.

Таblo 5.4 MMD de VE ve VEYA mantık devrelerini giriş ve çıkış durumları tablosu

X Y FX(I) FY(ILI)

0 1 0 1

1 0 0 1

1 1 1 1

0 0 0 0

Bileşik mantık fonksiyonlarını gerçekleştirmek için üç ya da fazla kanalın etkileşimin-den yararlanmak mümkündür.

MMD mantık devrelerin avantajları mantık 1 ve 0 iyice ayrılması, elektriksiz etkileşim yüzünden düşük israf (elektrik sadece domaini hareket ettirmek için döner manyetik alan oluşturmak için harcanır), nükleer radyasyona karşı dirençli, döner manyetik alanın sonlanmasından sonra verilerin korunması vb. Ayrıca, bunlar MMD devreleriyle aynı çip üzerine entegre edilebilir ve mikro elektronikte yarıiletken elemanı ile bağla-nabilirler.



TEKRARLAMA SORULARI

5.1. Manyetik malzemelerde manyetik alan neye bağlıdır?

5.2. Manyetik malzemelerin en önemli parametreleri hangileridir?

5.3. Manyetik histerisiz nedir?

5.4. Manyetostriktif nedir ve uygulanması nelerdir?

5.5. Yumuşak manyetik malzemelerin özellikleri nedir?

5.6. Saf monokristal demirin manyetik özelliklerinin geliştirilme yolu nedir?

5.7. Malzemelerin manyetik özelliklerine sıcaklığın etkisi nedir?

5.8. Bobin çeşitleri hangileridir?

5.9. Yüksek frekanslı transformatörlerin çekirdekleri hangi malzemeden yapılır?

5.10. Katı manyetik malzemelerin özellikleri nelerdir?

5.11. Manyetik malzemelerin bilgisayar tekniğinde uygulanması nedir?

Ek A.Devre plakların

hazırlanması

Ek A.Devre plakların

hazırlanmasıBu ek çalışmada amatör şartlar altında devre plakların elde edilme yöntemleri

işlenecektir

Malzeme seçimi

Güçlü mıknatıslanma mekanizması

Bakır yüzeyin temizlenmesi

İletim hatlarını oluşturan bakır iletkenlerin kaplanması

Gereksiz bakırın yüzeyden temizlenmesi

Bakır yüzeyin koruma tabakasının kaldırılması

Elemanların yerlerinin hazırlanması

Hazır haldeki PCB plakanın korunması ve final işlemleri

DEVRE PLAKLARIN HAZIRLANMASI 139


A.1. GİRİŞ

Baskı devre plakası veya kartı (BDP) (ing. Printed Circuit Board – PCB) dendiğinde bir-kaç milimetre kalınlığında plastik maddeden yapılmış ince bir plak düşünülmektedir. Bu plakın bir tarafındaki veya her iki tarafındaki yüzeyi tamamen ince bakır bir tabaka ile kaplıdır. Bakır tabakası bir veya birden fazla katmandan oluşabilir bu katmanların bir veya daha fazlası iç katmandır fakat bu tür yapılar sadece özel makineler ile işlenebil-mektedirler. Plakın bir tarafına elektronik elemanlar dizilir, bu elemanlar aralarında pla-kanın diğer tarafında bulunan bakır iletkenlerin lehimlenmesi ile bağlanmaktadırlar. Bu bağlantılar aracılığı ile daha sonra pratiksel anlamda kullanılması gereken devre şeması icra edilmiş olunur. Elemanlar arası oluşturulan bağlantıları sağlayan iletkenler, farklı kalınlık ve şekillerden oluşan ince bakır tabakadan oluşur. (Şekil. А-1)

Şekil. А-1 Baskı tarafı (bakır folyo)ve elemanlar tarafından işlenmiş devre şeması

görüntüsü

Şekil. А-2 PCB devrenin lehimlenmiş elemanları ile son şekli

PCB plaklar elle veya makine yardımı ile yapılabilir. Bu ekte bu plakların el yardımı ile yapıldıklarında uygulanan temel teknikler ve izlenen adımlar açıklanacaktır. Bu plakla-rın el yardımı ile yapımı, daha çok elektroniği hobi olarak kullanan amatörler tarafından uygulanır, bazen profesyoneller de prototip uygulamalar için bu yöntemi izleyebilir. Prototipler ilk defa uygulanacakları için onların çalışmasını ve doğruluğunu test etmek için elle uygulama yöntemi tercih edilmektedir. Makine uygulaması genelde çok sayıda PCB plakanın üretilmesi veya seri üretimin yapılması gerektiğinde uygulanır.

А.2. ÇALIŞMA MALZEMESİNİN SEÇİMİ

Her şeyden önce oluşturacağımız PCB plak için gerekli olan uygun malzeme seçimi-ni yapmalıyız daha sonra onun yapım aşamasına geçebiliriz. Uygulama için pertinaks veya vitroplast plaklar seçebiliriz.

140 DEVRE PLAKLARIN HAZIRLANMASI


Pertinaks genelde prototip ve hobi uygulamalar için kullanılır, fakat daha kaliteli ve profesyonel uygulamalar için kesinlikle daha pahalı olan vitroplast plaklar seçilmelidir. Vitroplast şeff af görüntü bakımından perinaksa göre farklılık göstermektedir. Pertinaks kahverengi ve şeff af değilken, vitroplast plaka bakır tabakasını kaldırdığınızda şeff af olduğu fark edilir.

А.3. BASKI PLAKANIN KESİLMESİ

PCB baskı devresini uygulanmasına geçmeden önce, uygulanacak olan elektrik dev-resinin elektrik şeması ile beraber montaj edilecek olan şemanın da baskısı hazır olması gerekmektedir. Bu amaçla “EAGLE” ismindeki uygulama programının kullanabiliriz. Bu uygulama sunduğu mükemmel imkanlarla beraber, basit bir ara yüze sahip ve yaygın kullanılan her üç işletim sistemi (Linux, Windows ve MacOS) ile de uyumlu çalışmak-tadır. Bunun dışında, bu uygulama eğitim ve hobi amaçlı kullanım için ücretsizdir ve sırada bağlantı adresi verilen WEB sitesinden indirilebilir. http://www.cadsoftusa.com/download.htm (CadSoft Computer ABD üretici şirketi WEB sitesi adresi)

Pertinaks malzemesinin çok sert olduğunu göz önünde bulundurarak baskı devresi kesme işlemi sırasında istemediğimiz bir yerden patlamaması için çok dikkatli olmalıyız. Her şeyden önce alkollü işaretleyici (marker) ile baskı devresine uygun olarak kesilmesi istenen bölge kare veya dikdörtgen şeklinde işaretlenir, bunun kullanacağımı parçanın (PCB baskı devesinin) sınırlarını belirlemiş oluruz. İşi sağlam almak adına plakayı kesti-ğimizde onu bir yere sabitlememiz gerekir, çünkü kesme işlemini yapacağımız sırada hareket etmesi halinde kullanacağımız bölgeyi keserek plakaya zarar verebiliri. Kesme yapmak için birkaç farklı yöntem kullanılır, fakat her durumda daha önceden işaretledi-ğimiz çerçeveye dikkat etmeliyiz.

Demir testeresi kullandığımızda çerçeve çizgilerini takip ederek basit bir şekilde kes-me işlemi yaparız. Eğer maket bıçağı kullanacaksak o zaman çizdiğimiz çerçeve üzerin-den bıçakla birkaç defa geçtikten sonra dikkatli bir şekilde plakayı kestiğimiz yerlerde kırarak ayırırız. Kesme işlemi için ayrıca saç makasları ve dairesel testereler kullanabi-liriz. Eğer makas kullanacaksak o zaman plaka kıyılarının bükülmemeleri için dikkatli olmalıyız, dairesel testere kullanırken çok büyük dönme hızları olduğundan kaza ile yaralanmamız söz konusu olabilmektedir. Her durumda kestiğimiz PCB plakasının ke-narlarını törpü veya zımpara kağıdı kullanarak temizlememiz gerekecektir.

А.4. BAKIR YÜZEYİNİN TEMİZLENMESİ

Eğer bakır parmaklar ile tuttuğumuzdan dolayı yağlanmış ise veya oksidasyona uğ-ramış ise o zaman daha sonradan baskısı oluşturulan plakta kalan bakır yüzeyin ter-temiz olması gerekir. Oksidasyon temizliği yapmak için ince zımpara kağıdı, bulaşık temizleme teli veya cif gibi abrasif temizleyiciler kullanılabilir. Yağları temizlemek için herhangi bir deterjan veya alkol kullanılabilir. Her durumda PCB plaka tertemiz olmak zorundadır.



А.5. İLETKEN BAĞLANTILARIN ÖRTÜLMESİ

Bakır yüzeyi ve lehimleme noktaları ile element bacakları arasındaki iletken bağlan-tıların korozyona karşı korunmaları için onların örtünmesi gerekir. Bu bağlantılar çok önemlidir, çünkü bu bağlantılar sayesinde elemanlar arası bağlantı oluşturulur ve ta-sarladığımız devre bu elemanların çalışması ile gerçekleşmiş olur. Pratik uygulamalarda aşağıda sayacağımız teknikler kullanılmaktadır.

Aşağıda saydığımız tekniklerin hepsinde önce lehim yapacağımız tüm noktalar (le-him yapılacak yer) işaretlememiz gerekecek böylelikle bağlantı hatlarının nasıl ve nere-den çekileceği belli olmuş olacak. Bu bağlantı hatları belli olduktan sonra plaka üzerin çizim yaparız. Bundan sonra ikinci adıma olan delme işlemine geçeriz. Lehim yapılacak olan noktaları ve orada oluşturulacak bağlantı hatlarını işaretlemek için yani bakırdan oluşan hatları oluşturmak için plak üzerinde devre şemasında olduğu gibi çizmemiz gerekir. Bunu yapmak için en kolay yöntem devre şemasını ilk önce bir kağıt üzerine çıkartırız daha sonra bu kağıt parçasını daha önceden kestiğimiz ve elemanları monte edeceğimiz PCB plaka üzerine yapıştırırız (PCB plakanın bakır tarafı üzerine). Daha son-ra özel baskı devre kalemi (punch) ile lehimlenecek olan noktalar oluşturulur, kağıdı uzaklaştırırız ve plaka üzerinde gereken çizim yapılır. Bu işlemi yaparken sıradaki aletler kullanılabilir:

İşaretleyici (Marker): Bu yöntem, görüntünü fazla bir önemi olmadığı durum-larda en hızlı yöntemlerden biridir, fakat bağlantı hatları ve lehimleme nokta-ları estetik görünmeyecektir. Eğer bağlantı hatların daha düzgün gözükmele-rini istiyorsak cetvel kullanarak daha iyi görünmelerini sağlayabiliriz. Asitlere dayanıklı olan farklı kalınlıklarda işaretleyici (marker) kullanmamız gerekir. Bu amaçla genelde alkol işaretleyiciler olarak adlandırılanlar kullanılır. Fakat her bir işaretleyici kimyasallara karşı aynı dayanıklığı göstermeyebilir, bu yüzden daha kaliteli firmaların ürettiği (örneğin EDDING) işaretleyicilerin kullanılması tasfiye edilir.

Oje: İşaretleyici yerine oje kullanabilirsiniz. Oje aşınmaya karşı daha dayanıklı-dır fakat yapılan işlem estetik görünmeyebilir.

Yapışkan bant: PCB plakların ilk işaretleme tekniklerinden biri üzerine yapış-kan bantlar kullanarak bağlantıların oluşturulması idi. Yapışkan bant kullanır-ken dikkat edilmesi gereken şey, daha sonra içine kimyasalların kaçmaması içi onun iyice bastırılarak yapışması gerekir. Bu tekniği geniş bağlantı hatların ya-pımında veya büyük yüzeyler üzerinde işlem yaparken kullanabiliriz.

Letraset: Letraset özel bir işaretleyicidir (yapışkan) ve özellikle PCB plakların yapımında kullanılırlar. Farklı şekil, kalınlık ve boyutlarda üretilirler. Yapışkanlar normal bir şekilde plakanın bakır yüzeyine yapıştırılırlar ev her hangi bir cisimle üzerlerine baskı uygulanır. Bu teknik için birazcık zaman gerekebilir fakat elde edilen sonuçlar mükemmele yakındır.



Aşağıdaki resimlerde gösterilen uygulama teknikleri için, daha sonra oryantasyon açısından bazı referans (sınır) noktalarını belirtmemiz gerekmektedir. Eğer kullandığı-mız plaka iki katmanlı PCB ise kesinlikle işleme geçmeden önce referans noktaları oluş-turmamız gerekmektedir.

Folyo veya kağıt: Laser yazıcılarda, en az 600 dpi baskı çözünürlüğünde, ve özel sıcaklığa dayanıklı folyo üzerine uygulayacağımız devrenin şeması basıla-bilir (PCB üzerine monte edeceğimiz şekil). İki farklı şeff af folyonun mevcut ol-duğunu belirtmeliyiz: Biriler fotokopi makinelerinde kullanılırlar ve daha düşük sıcaklıklarda çalışırlar, laser yazıcılarda kullanılan şeff af folyolar daha yüksek sı-caklıklara dayanıklıdırlar. Ayrıca folyo kağıt da kullanılabilir (ing. glossy photo paper).

Şekil А-3 Basılmış devre şeması

Şekil А-5 Baskı devresi üzerine devre şemasının sabitlenmiş hali

Şekil. А-4 devre şeması ile folyonun uygulanması

Şekil А-6 Taşınabilir montaj şemalı PCB (bağlantılar toner kullanılarak yapılmıştır)

PCB’yı elektrikli ocak üzerinde ısıttıktan sonra üzerine folyoyu yerleştiririz, sabitleriz ve üzerine kauçuk veya plastikte her hangi bir cisimle (örneğin plastik presleme rulosu) baskı uygularız. Bu şekilde folyo üzerindeki toneri (boyayı) PCB plakanın bakır yüzeyi üzerine aktarmış oluruz. Eğer basınç uygulamak için ütü (buharsız ütü) kullanırsak daha



iyi sonuçlar elde ederiz. Ütü en fazla 5 6 dakika önceden ısıtılmalıdır. Bu teknik mükem-mel sonuçlar verir, fakat alışmak için biraz zamana gerek vardır.

Ütüyü uyguladıktan sonra folyonun soğuması için 10 15 dakika bekleyebiliriz, daha sonra onu PCB plak üzerinden çıkarırız. Bir diğer yöntem ise PCB plakayı folyoyla bera-ber kaynar su içine sokarız bu şekilde folyo kendisi ayrılacaktır..

Şekil А-7 Ütü ile devre şemasının aktarılmasıŞekil А-8 Plastik presleme rulosu

Bu teknikte sıcaklığın belirlenmesi ve folyo ile bakır yüzeye devre şemasının aktarıl-ması birazcık problemlidir. Bunun için iyi tecrübeye sahip olmamız gerekir. Tecrübeyi kazanmamız için bunu defalarca uygulamamız gerekir.

А.6. AŞINDIRMA (BAKIR ERİTME)

Bağlantı noktalarını, iletim hatlarını oluşturup onları koruma altına aldıktan sonra plaka üzerindeki fazlalık olan bakırı oradan uzaklaştırmamız gerekir. Bu sürece aşındır-ma veya bakır eritme süreci denir ve sıradaki iki kimyasaldan biri ile yapılır.

Birincisi ferohlorid (FeCl3) kimyasalıdır ve bu tür maddeler satılan dükkanlardan iki halde alınabilirler (sıvı halde ve kristal halde). Eğer sıvı halde satın almışsak baskılı devre plakasını hemen içine sokabiliriz, eğer kristal halde ise o zaman kullanım kılavuzuna uygun şekilde hareket etmemiz gerekir. PCB plaka boyut-larına uygun plastik derin bir kab içerisine uygulayacağımız plaka batırılır. Bir çözeltiyi birkaç sefer kullanabiliriz.

Diğer kimyasal, (HСl) tuz ruhu, hidrojen peroksit (H2O2) ve su kullanılarak elde edilir. Bu sıvı zehirlidir ve kolayca buharlaşır bu yüzden kullanılacak olan ka-bın daha derin olması ve pencerelerin açık olması tavsiye edilir (şekil. А-9). Tuz ruhunu herhangi bir markette, hidrojen peroksit herhangi bir eczanede veya güzellik salonunda bulunabilir.



Şekil А-9 Gereksiz olan bakırın temizlenmesi

Bir litre civarında bakır temizleme çözeltisi sıradaki oranlar dikkate alınarak hazırla-nır: 770 ml su, 200 ml 35% tuz ruhu ve 30 ml 30% hidrojen peroksit. 35% tuz ruhu bul-mak zor olduğu için, su oranını düşürebilir tuz ruhu oranını artırabiliriz. Ayrıca 18% tuz ruhu ve 30% hidrojen peroksit hiç su katmadan kullanabiliriz. Hidrojen peroksit oranını reaksiyona bağlı olarak belirleriz. Temizlenecek PCB baskı devreyi kimyasala batırdığı-mızdan 10 saniye sonra eğer rengi yeşile dönmemiş ise o zaman biraz daha hidrojen peroksit ekleriz, eğer reaksiyon fazla ise yani köpüklenme var ise o zaman biraz daha tuz ruhu ekleriz.

А.7. BAKIR ÜZERİNDEKİ KORUMANIN SÜKÜLMESİ

PCB baskı devre plakası hazır olduktan sonra, yani gereksiz olan tüm bakırın temiz-lenmesinden sonra kalan iletken hatların (daha önce aşınmaktan korumak amacı ile üzerini örüttüğümüz) temizlenme süreci uygulanması gerekir. Bunu için ilk önce pla-kayı soğuk su altında iyice durulamamız gerekir. Daha sonra işaretleyicileri temizlemek için en iyi yöntem %70 oranında alkol içeren aseton (oje temizleyici) kullanmamız gere-kir. Yapışkan bandı, letraset veya toner boyasından temizlemek için, su alkol veya tiner kullanabiliriz. Daha sonra bulaşıkları temizlediğimiz bulaşık süngeri, temizleme bezleri kullanabiliriz, fakat kesinlikle zımpara kağıdı kullanmayız, çünkü ince olan bağlantı hat-larına zarar verebiliriz.



А.8. DELME İŞLEMİ

Plaka üzerinde delikler açmak için en kolay yöntem şekil A 10’dan gösterilen sabit-lenmiş matkap kullanmaktır. Kullanılan matkap hobi veya profesyonel olabilir. Açılan deliklerin çapı genelde 0,7 mm ile 1,2 mm arasında olması gerekir, bazen ise daha ge-niş çaplı 1,5 mm, 2 mm ve 3 mm çapında delikler gerekebilir. Standart ve özel matkap uçları vardır. Standart matkap uçları pertinaksın delinmesinde, özel matkap uçları ise vitroplastın delinmesinde kullanılır. Delik açtığımız zaman dikkatli olmalıyız çünkü kul-lanılan matkap uçları ince ve sert yapılıdırlar, kolayca kırılabilirler. Plakanın bir yer sabit-lenmiş olması daha iyidir.

Şekil А-10 Amatör ve profesyonel matkaplar

А.9. FİNAL İŞLEMLERİ VE KORUMA

Final işlemi olarak plaka üzerinde lehimleme yapmada önce yapılması gereken tüm işlemleri kapsamaktadır. Bu adımda daha önceki adımlar herhangi bir hata veya ihmal yapılıp yapılmadığı kontrol edilir, örnek olarak delmeyi unuttuğumuz herhangi bir de-lik veya plakanın kenarlarının düzgün olup olmadığı kontrol edilir. Şekil А-11’de amatör bir şekilde pertinaks kullanılarak yapılmış PCB plaka gösterilmiştir.

Yaptığımız kontrol sonucunda fark ettiğimiz herhangi bir hatayı veya eksikliği gi-derdikten sonra elemanları yerleri belirlenir ve işaretlenir ve son adıma geçebiliriz, bu adımda PCB plakanın kullanım ömrünü arttırmak amacı bakır folyoyu oksidasyondan korumalıyız. Amatör uygulamaları için en kolay yöntem alkol ve kolofoniyum kullanabi-liriz. Bu yöntemle korumanın dışında kalayın eklenmesi daha kolay hale gelecektir, yani elemanların lehimlenmesi daha kolay olacaktır.



Şekil A-12’de gösterilen lehimleme işlemi sürekli koruma elde etmek için daha iyi bir yöntemdir, tabii daha önce alkol ve kolofoniyum sürmemiz gerekir. Uygun ucu olan lehim aleti kullanarak daha öne açtığımız delik ev iletkenlerin üzerine ince kalay tabaka ekleriz ve daha önceden sürdüğümüz sıvının taştığı yerleri temizleriz. Bu son işlemden sonra artık PCB plaka lehimleme yapmaya hazır hale gelmiştir.

Şekil А-11. PCB plakın son hali Şekil А-12 Bağlantı hatları kalay tabakası ile korunması

Örnek alıştırma:

Yandaki resimde bir gitarın ön yükselteci-nin montaj ve devre şemaları verilmiştir ve elemanlarının yerleşim yerleri verilmiştir. Bu devreyi seçmemizin sebebi maliyetinin dü-şük olması ve basit bir uygulama olmasından dolayıdır.

Montaj şemasının gerçek büyüklüğü te-min edeceğiniz devre elemanlarına bakarak belirlemeniz mümkün olacaktır.

Ayrıca son olarak belirtmemizde gerekir ki daha küçük boyutlu PCB’lerin seri üretimi için foto tekniği, daha büyük boyutlu olanlar için ise serigrafi tekniği kullanılır.

KULLANILAN KAYNAKLAR

1. D. R. Askeland, The science and Engineering of Materials, PWS – KENT Publ. Co., Boston, 1989, 1996.

2. Kuzmanic, R. Vlašic, I. Vujovic, Elektrotehnicki materijali, Visoka pomorska škola u Splitu, Split, 2001.

3. M. M. Ristic, Osnovi nauke o materijalima, Naucna knjiga – Beograd, 1977.

4. R. Markovic, Poznavanje elektrotehnickih materijala, Naucna knjiga – Beograd, 1981.

5. S. Ristic, Pasivne elektronske komponente, Naucna knjiga – Beograd, 1989.

6. SK Bhattacharya, Electrical and Electronic Engineering Materials, Khanna Publis-hers, New Delhi, 2000

7. V. Knapp, P. Colic, Uvod u elektricna i magnetska svojstva materijala, Školska knjiga, Zag-reb, 1990.

8. Проспекти на компаниите: Hitachi, Siemens, NEC, TDK, Sony и други.

9. http://www.uofaweb.ualberta.ca/cme/pdfs/

10. http://www.mikroe.com/eng/categories/view/4/publications/

11. http://www.electronics-tutorials.ws/

12. http://www.radioshack.com/home/index.jsp

elektroteknİk malzemelerİ ve elemanlari · doğada temel elektrik yükü birimidir değeri ise...

Documents