hafta 1 - erseltarhan.com.tr · elektronik devreler notları. prof. dr. mehmet akbaba. 10.02.2016...
TRANSCRIPT
BLM 224 ELEKTRONİK DEVRELER
Prof. Dr. Mehmet Akbaba
Karabük Üniversitesi
Bilgisayar Mhendisliği Bölümü
Hafta 1
10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 1
KAYNAKLAR
1. Robert Boylestad and Louis Nashelski,
Elektronik Cihazlar ve Devre Teorisi, Palme
Yayıncılık
2. Mehmet Akbaba, Elektronik Devreler Ders
Notları
3. Thomas L. Floyd, Electronic Devices, Merill
Publishin Company
10.02.2016 2 Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba
ATOM’un YAPISI Tabiatta var olan her cisim atomlardan yapılmıştır ve her
atom proton, nötron ve elektron lardan oluşur. Sadece
hidrojen atomu bu yapıya uymaz. Hidrojen atomunda nötron
yoktur. Atomlarin yapısında merkezde çekirdek (nükleus) ve
onun etrafındaki yörüngeler (orbitler) vardir. Proton ve
nötronlar nükleus denen çekirdeğin içinde ve elektronlarda
çevredeki yörüngeler (orbitler) üzerinde yer alırlar. Elektronlar
eksi (negatif) elektrik yüklü, protonlar ise artı (pozitif) elektrik
yüklü parçacıklardır. Nötronlar yüksüz parçacıklardır. Peryodik
tabloda yer alan her bir elementin özel bir yapısı vardır ve
elektronların sayısı protonların sayısına eşittir. Bu durumda
atomdaki eksi elektrik yükü miktarı artı elektrik yükü miktarına
eşittir ve atomun toplam elektrik yükü sfırdır. Proton ve
nötronların ağırlığı yaklaşık olarak birbirine eşittir .
Protonun ağırlığı elektronun ağırlığının 8000 katıdır .
10.02.2016 3 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba
10.02.2016 4 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba
Atom Numarası
Sekil 3 deki Peryodik tabloda görldüğü gibi elementler
atom numarasına göre düzenlenmişlerdir. Bir elementin
atom numarası çekirdekteki proton sayısına ve aynı
zamanda yörüngeler üzerindeki elektron sayısına eşittir.
Örneğin bir Sodyum atomunun çekirdeğnde 11 proton ve
yörüngesinde 11 elektron vardır ve atom numarası 11 dir
veya bir Silisyum atomunun çekirdeğinde 14 proton ve
yörüngesinde 14 elektron vardır ve atom numarası 14
dür.
Bir Elektronun yükü -1.60217657 × 10-19 C dur ve buda
yaklaşık olarak = -1.6x10-19 C alınır.
Bir Protonun yükü = +1.6x10-19 C (C: kulomb)
Bir Silisyum atomunun yapısı Şekil 3 de görülmektedir.
10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.
Mehmet Akbaba 5
Şekil 1 de görüldüğü gibi, elektronlar çekirdek etrafında belirli
bir yörüngede yeralmaktadırlar . Bir malzemenin atomik
yapısı, onun iletkenlik ya da yalıtkanlık özelliğini
belirlemektedir .
Şekil 1: Atomun genel
yapısı
10.02.2016 6
Elektron Proton Nötron
Şekil 2: Bir Atomun Yapısından Başka Bir Görünüm
Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba
10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.
Mehmet Akbaba 8
Nükleusta (çekirdekte) 14 tane proton ve 14 tane nötron vardır (Şekilde tamamı gösterilmemiştir)
Şekil 4: Silisyum Atomunun Yapısı
10.02.2016 9
22nNe
elektron 82x2 ,2 2 eNnelektron 183x2 ,3 2 eNn
elektron 324x2 ,4 2 eNn
Yörüngelerde bulunabilecek en fazla elektron sayısı
Burada n yörünge numarasını, Ne ise n nolu yörüngede
bulunabilecek elektron sayısını göstermektedir.
Buna göre n nolu yörüngede bulunabilecek en çok
elektron sayısı aşağıdaki gibi olur:
elektron 21x2 ,1 2 eNn
Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba
Valans Elektronu
Nukleuse en uzak yörüngede bulunan elektronlar en
yüksek enerjiye sahiptirler ve atoma daha az bağlıdır.
Bu nedenle atomdan daha kolay kopabilir. Bunun
nedeni elektronlar eksi yüke nükleus pozitif yüke
sahiptirler ve dolayısiyle aralarındaki çekim kuvveti
uzaklık arttıkça azalıyor (zayıflıyor). Bu nedenle
nükleustan en uzakta bulunan en dış yörüngedeki
atomlar atoma çok zayıf bağla bağlıdır. En dıştaki
yörüngeye valans yörüngesi ve bu yörüngedeki atomlarada valans elektronu denir. Maddelere
dışarıdan herhangi bir etki yapıldığında, örneğin
dışarıdan enerji uygulandığında, ısıtıldığında veya
sürtünme yoluyla valans elektronlar yörüngelerinden
çıkartılabilir. 10.02.2016 Electronıcs notes Prof. Dr. M. Akbaba 10
10.02.2016 11
Valans elektronlar yörüngelerinden çıktıktan sonra bir
başka atomun son yörüngesine bağlanır. Böylelikle
elektron akımı dolayısıyla elektrik akımı oluşturulur.
Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba
Şekil 5 : Bir iletken ile bir yalıtkan arasında elektron
alış-verişi
Sodyum Atomu Klor Atomu
10.02.2016 12
Atomların son yörüngesindeki valans elektronların
sayıları elementlerin özelliklerini belirler. Elektrikte
kullanılan maddeler de iletken madde, yalıtkan madde
ve yarı iletken madde olarak isimlendirilir.
İletkenler
Valans yörüngelerindeki elektron sayısı dörtten az (1-
2-3) olan elementlere iletken denir. Bu elementler
elektrik akımını iyi iletirler. Tüm metaller, su ve insan
vücudu elektrik akımını iyi iletirler ve iyi birer
iletkendirler. Teknolojik açıdan iletken denince ilk
akla gelen metallerdir. Bakır, Aluminyum, Gümüş ve
Altın gibi metallerin valans yörüngesinde sadece bir
elekteron bulunur ve bunlar çok iyi iletkendirler.
Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba
10.02.2016 13
Yalıtkanlar
Valans yörüngelerindeki elektron sayısı 5 ve daha fazla
olan elementler yalıtkan sınıfına girerler. Ancak valans
yörüngelerinde 8 ve daha fazla elektron olan tüm
elementler iyi yalıtkandırlar . Yalıtkan maddeler elektrik
akımını iletmezler. Yalıtkan cisimlerde serbest
elektronlar yok denecek kadar azdır. Porselen, Plastik,
Neon, Cam, Kauçuk, Pamuk, ve Hava yalıtkan
maddelere örnek olarak verilebilir.
Yarı İletkenler
Valans yörüngelerindeki elektron sayısı 4 olan
elementlere yarı iletken denir. Silisyum, Germanyum,
ve Boron gibi maddeler tipik yarı iletken madelerdir.
Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba
10.02.2016 14
Silisyum Atomu Germanyum Atomu
Silisyum: 2+8+4 =14(yörünge elektronları)
Germanyum: 2+8+18+4=32 (yörünge elektronları)
Şekil 6: 2 adet tipik yarı iletken atomu
Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba
10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.
Mehmet Akbaba 15
a) n-tipi yarıiletken
b) p-tipi yarıiletken
P-N Jonksiyonu
Donor ions: Verici iyonlar Acceptor ions: Alıcı iyonlar Majority carriers: Çoğunluk taşıyıcılar Minority carriers: Azınlık taşıyıcılar
10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.
Mehmet Akbaba 16
N-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron
vererek pozitif yüklenen katkılama atomları “Donör
İyonları” olarak tanımlanır . Bu yapıda çoğunluk
akım taşıyıcıları elektronlar, azınlık
akım taşıyıcıları ise oyuklardır .
P-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron
alan katkılama atomları “Akseptör İyonları” olarak
tanımlanır . Bu yapıda çoğunluk akım taşıyıcıları
oyuklar, azınlık akım taşıyıcıları ise elektronlardır .
10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.
Mehmet Akbaba 17
(a) Merkezdeki atom elektronlarını etrafındaki 4 atomla paylaşarak her biriyle kovalent bağ oluşturmaktadır. Etrafındaki atomlar da diğer atomlarla aynı bağı oluşturmaktadır. Bu durum böylece devam etmektedir.
ATOMİK BAĞ (Kovalant bağ)
Bazı atomlar katı bir madde oluşturmak için moleküller
içinde birleştiği zaman kristal bir yapı oluştururlar.
Kristal yapı içindeki atomlar son yörüngelerindeki
elektronları ortak kullanırlar. Bunun sonucunda oluşan
bağa kovalent bağ denir. Silisyum ve Germanyumda
kristal bir yapıya sahiptirler.
(b) Bağ diyagramı. “ - - “ işaretler paylaşılan
valans elektronları temsil etmektedir.
10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 18
Silisyum atomunun oluşturduğu kovalent bağ
(a) (b)
ELEKTRONLARIN VE OYUKLARIN İLETİMİ • Oda sıcaklığında saf silisyum kristalinin bazı valans elektronları
valans bandından iletim bandına atlaması için gerekli enerjiye
sahiptir. İletim bandına geçen elektronlara serbest elektron
denir. Bu durum Şekilde enerji diyagramında gösterilmiştir. Bir
elektron iletim bandına atladığı zaman kristal içindeki valans
bandında bir boşluk bırakır. Bu boşluğa oyuk ismi verilir. Bu
şekilde iletim bandına geçen her elektron valans bandında bir
boşluk bırakır. Bunun neticesinde elektron-oyuk çifti meydana
gelir. Bir iletim bandı elektronu enerjisini kaybettiği zaman ve
yerine valans bandında bir oyuk geldiği zaman yeniden
birleşme meydana gelir.
KBUZEM Karabük Üniversitesi
Uzaktan Eğitim Uygulama ve Araştırma Merkezi
19
Enerji
Enerji aralığı
İletim Bandı
Valans Bandı
Isı
Enerjisi
Elektron-Oyuk Çifti
Oyuk
Serbest
elektron
Si
SiSerbest
Elektron
Isı
EnerjisiOyuk
(a) Enerji diyagramı (b) Bağ diyagramı
• Sonuç olarak, oda sıcaklığında saf silisyum kristali
herhangi bir anda, başka bir atoma eklenmemiş
olarak iletim bandında belli bir sayıda serbest
elektrona sahiptir ve bu elektronlar madde içinde
rastgele hareket ederler. Ayrıca bu elektronlar iletim
bandına atladığı zaman valans bandında eşit sayıda
oyuk bırakırlar. Bu durum Şekilde gösterilmiştir.
20
Si
Si
Si Si
Si
Si Si Si
Si
Si Si
Si Si Si
Si SiSi
Si
Si
Si Si
Si
Si Si Si
Si
Si SiSi
Si Si Si
Si SiSi
Isı Enerjisi
Serbest Elektron
Valans Elektron
Oyuk
Elektron - Oyuk
çiftinin oluşumu
Bir oyuk ile
elektronun yer
değiştirmesi
Bir silisyum kristalindeki elektron-oyuk çifti.
N-TİPİ YARI İLETKEN
• N-TİPİ yarı iletken 5 valans elektronu bulunan bir malzemenin örneğin antimonun bir dış yörüngesinde 4 valans elektronu bulunan örneğin silisyuma katkılanması ile elde edilir. 5 valans elektronlu malzelere örnek olarak : antimon, arsenik, fosfor
• Kovalant bond hala var fakat antimonun 5. valans elektonu serbest kaldı ve yeni oluşan yarı iletken malzeme içinde serbest dolaşabilir.
Figure 1: Antimon
katkılanmış n-tipi
yarıiletkenme
10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.
Mehmet Akbaba 22
Şekilden görüldüğü gibi 5 valans elektronlu bir
yalıkkan malzeme bir yarıietken malzemeye (4 valans
elektronu) katkılandığında yalıtkan malzemenin 5
valans elektronundan 4 tanesi 4 valans elektronu
bulunan mazeme ile kovalant bağ oluşturur 5. valans
lektronu serbest kalır. Elektronun yükü negatif (eksi)
olduğundan bu tip malzemeye n-tipi (N-tipi) yarı
iletken adı verilir. Görüldüğü gibi N-tipi yarı iletken 5
valans elektronlu bir yalıtkan malzemenin bir yarı
malzemeye katkılanması ile elde edilir.
Katkılama işlemine DOPİNG denlir ve yarı iletkenin
iletkenlik dercesi katkı maddesinin miktarı ile kontrol
edilir.
P-Tipi Yarıiletken
• P-tipi yarıileken bir yarıiletken malzemeye (4 valans elektronu), örneğin slisyuma, valans bandında 3 elektron bulunan Boron, Galyum, İndiyum gibi iletken malzeme katkılanarak elde edilir.
• Yandaki örnekte Silisyuma Boron katkılanması durumu görülüyor. Boronun 3 valans elektronu Silisyum atomu ile kovalant bağ oluşturur ve Silisyumun 4. valans elektronunun kar elektronunun karşılığı olmadığından kovalant üzerinde bir oyuk açığa çıkar ve bu oyuk yeni oluşan malzemede serbest dolaşabilir.
• Oyukların yükü Pozitif (artı) olduğundan bu tip yarıiletkene P-tipi yarıiletken denir.
Boron katkılanmış p-tipi
yarıiletken
10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.
Mehmet Akbaba 24
Görüldüğü gibi P-tipi yarıiletken Silisyum gibi
yarıiletken bir malzemeye 3 valans elektronu bulunan
bir iletken malzeme katkılanarak elde edilir.
P-tipi yarı iletkende serbest olan uyuk bir elektron
almaya hazır olduğu için bu tip atoma acceptor atom denir.
N-tipi malzemedede serbest kalan atom her an başka
bir atoma verilmeye hazır olduğundan bu tip atomada
donor atom denir.