DENEY 1

Temel Yarıiletken Diyot Karakteristikleri

A. Amaç

Bu laboratuar çalışmasında yarıiletken diyot elemanı, diyot çeşitleri tanıtılacak ve akım-gerilim

karakteristik eğrileri elde edilecektir.

B. Temel Bilgiler

PN Eklemi

Katkılı veya saf bir yarıiletken taban üzerine n-tipi ve/veya p-tipi katkılama ile elde edilen eklem bir pn

eklemi olup diyot olarak adlandırılan devre elemanını oluşturur. pn eklemi oluştuğu anda Şekil 1’de

görüldüğü gibi difüzyon ile zıt kutuplu yük taşıyıcıları (elektron ve hole) bölgeleri arasında yük geçişi

olur. Bu işlem p tipi bölgede elektron, n tipi bölgede hole birikip elektrik alan oluşumu ve bu alanın

yeterince büyümesi sonucu difüzyonu durdurmasına kadar devam eder. Yüklerin toplandığı bu

bölgeye uzay-yük bölgesi veya taban yarıiletkenin taşıyıcı tipine ters yükler toplanması nedeniyle

azınlık (depletion) bölgesi denir. Uzay yük bölgesi harici kısımlarda ideal şartlarda herhangi bir yük

bulunmayıp nötr kabul edilirler.

Şekil 1 Difüzyonla yük geçişi geçişi ve uzay yük bölgesinin oluşması

Oluşan bu pn eklemine harici bir uyarım uygulanmadığı takdirde, yük difüzyonundan kaynaklı oluşan

elektrik alan bir potansiyel farkı oluşturur. Bu potansiyel farkına inşa potansiyeli (built-in

potential/ ) veya bariyer potansiyeli denir. Difüzyon işlemini durduran mekanizma zıt kutuplu yük

taşıyıcılarının oluşturduğu elektrik alan dengesidir. Bariyer potansiyelinin değeri germanyum için 0.3V

ve silisyum için ise 0.7V düzeylerindedir (Şekil 1).

Buradaki pn eklemi, akımın dikkate alınacak bir değerde tek yönlü olarak aktığını kabul eden diyot

davranışını oluşturur. Diyotta ileri yönlü akımın girdiği p bölgesi anot ve akımın diyottan çıktığı

terminal olan n bölgesi ise katot adını alır (Şekil 2).

Şekil 2 Yarıiletken diyot

Diyotun çalışması, kutuplanmasına bağlı olarak uzay yük bölgesinin (SCR) genişleyip daralması

prensibi üzeredir. Kaynağın pozitif ucu anoda negatif ucu da katoda bağlanırsa diyot ileri yönlü

kutuplanır. Bu durumda uzay yük bölgesi daralmaya başlar ve uygulanan gerilimin genliği belirli bir

eşik gerilim değerini aştığı zaman iletim akımı Di akar (Şekil 3). Bu eşik gerilimi öncesi de akım akışı

olmasına rağmen akım değerinin çok küçük olması nedeniyle ihmal edilir. Eşik gerilimini aşan bir

uyarım ile diyot akımı üstel bir artış gösterir.

Şekil 3 İleri yönlü kutuplanmış pn eklemi, azatlım bölgesinin daralması ve akımların gösterimi

Diyotun ters kutuplanması halinde uzay yük bölgesi daha büyüyecek, iletim ancak çok küçük değerli

(femto amperler mertebesinde) ters yönlü bir sızıntı akımından ibaret olacaktır (Şekil 4). Bu sızıntı

akımı ileri yönlü akım iletimi için önemli bir parametre olup ileri yönlü diyot akımı hesabında kendi

değeriyle, ters yönlü iletim hesabında ise ihmal edilerek kullanılabilir.

Şekil 4 Ters yönlü kutuplanmış pn eklemi, azatlım bölgesinin genişlemesi ve akımların gösterimi

İleri yönlü hesaplamada ters sızıntı akımı büyük değer alan TD nVve

/terimi ile çarpılmakta, böylece ileri

yönlü akımın makul bir değer alması söz konusu olmaktadır. Ters gerilimlemede ise iletim akımı

doğrudan doğruya femto amperler mertebesinde değer alan bu sızıntı akımına eşit olacağından ihmal

edilmesi makul olmaktadır. Bu ters yönde iletimin olmadığı kabulünü mümkün kılar.

Diyot elemanına ait devreden bağımsız diyot akım ( Di ) -gerilim ( Dv ) ilişkisi aşağıdaki ifade ile

modellenmektedir. Yarıiletken bir diyot için Di ve Dv arasındaki bağıntı;

)1(/

TD nVv

sD eIi

şeklindedir. Burada; sI ters yönlü satürasyon akımı ve TV ise termal gerilim olup;

qkTVT /

k Boltzmann sabiti = 1.38x10-23 Joule/Kelvin

T Kelvin birimli sıcaklık

q Elektron yükü = 1.602x10-19 Coulomb

n idealden uzaklaşma faktörü yada emisyon katsayısı

ifadesi ile hesaplanır.

Oda sıcaklığında (300ᵒK) yaklaşık olarak TV = 26mV alınır. Emisyon katsayısı veya idealden uzaklaşma

faktörü olarak adlandırılan n, diyotun fabrikasyonuna ve malzeme özelliğine göre genellikle 1 ile 2

arasında bir değer alır. n = 1 kabul edildiğinde diyot denklemi

)1(/

TD Vv

sD eIi

şekline gelir. Bu katsayı diyota ait üretici katalogunda belirtilir.

sI 10pA, T= 300ᵒK de ( TV =26mV ) tipik bir DD vi diyot akım-gerilim eğrisi Şekil 5’de gösterildiği

gibidir.

Şekil 5 Yarıiletken diyotun i-v karakteristiği

)1(/

TD nVv

sD eIi

yot denkleminde yer alan TD nVve

/terimindeki

üstelinin 3’e eşit veya büyük olması durumunda

ifadede yer alan 1 ihmal edilip denklem aşağıdaki şekle gelir.

)(/ TD nVv

sD eIi

T = 300ᵒK de TV = 26mV olduğuna göre n = 1 için geriliminin 0.078 V olması bu ihmal için yeterli

olacaktır. İleri yönde akım iletimi yapan bir Si diyot için gerilimi yaklaşık 0.7 V mertebelerinde

olacağından denklem -1 terimi ihmal edilmiş olarak kullanılabilir.

Şekil 6 İleri yönlü kutuplamalı diyot devresi ve devre denklemi

Yukarıdaki devre denklemi hem gerilimini hem de TD nVve

/terimi ile bu gerilimin üstelini içerdiği

için transandantal denklem olarak adlandırılır ve analitik bir çözüm yolu bulunmamaktadır. Bu

nedenle, pn eklem diyot devre elemanı içeren elektronik devrelerin analizi için elle çözümlemelerde

model bazlı yaklaşık çözümler, bilgisayar tabanlı çözümlemelerde nümerik analiz yöntemleri

uygulanır. El ile çözüm yöntemi ilk olarak ideal diyot modellemesi ile başlar. İdeal olarak kabul edilen

diyotta Şekil 7’de görüldüğü gibi Dv = 0 V ve ileri yönlü iletim direnci rf = 0 Ω kabul edilir. Böylece

diyot üzerinde herhangi bir gerilim düşümü oluşmaz. İdeal diyot sonraki modeller için tek yönlü

iletimi sağlayan bir anahtar işlevli bileşendir. Pratikte böyle bir diyotun bulunmadığı unutulmamalıdır.

Şekil 7 İdeal ve gerçek diyot karakteristiği

Diyot elemanının bir ileri modeli ideal diyot elemanına tıkama yönünde bağlanmış bariyer gerilimi

değeri kadar bir gerilim kaynağı içeren Şekil 8'de görülen sabit gerilim düşümü modelidir (constant

voltage drop model, CVD). Sabit gerilim düşümü modelinde, ileri yönlü kutuplanmış diyot üzerindeki

gerilim, diyot akımından bağımsız olarak Dv = Vγ V olarak kabul edilir. Şekil 8’de görüldüğü üzere pn

eklem diyot bir ideal diyot ve buna seri bağlanmış bir gerilim kaynağı ile temsil edilir. İleri yönlü iletim

direnci rf = 0 Ω kabul edilmektedir.

0

0

D

nV

V

ss

DDs

VeRIV

VRIV

T

D

Şekil 8 Sabit gerilim düşümü modeli ve CVD ile gerçek diyot modeli karakteristiklerinin karşılaştırılması

Diyotlu devrelerin analizinde sabit gerilim düşümü modeli genellikle AC girişli gerilim doğrultma

devrelerinde kullanılan bir yaklaşımdır. Ancak diğer diyotlu devreler için bu model de yeterli

doğrulukta olmayacağından, diyot üzerindeki gerilimin artan diyot akımıyla artışını yansıtan ilave bir

direnç ile modelin daha ilerlemesi sağlanır. Bu modele parçalı lineer model (piece-wise linear model,

PWL) denir ve daha yüksek doğruluk gösterir. Şekil 9’da görüldüğü üzere parçalı lineer modelde diyot,

bir ideal diyot, seri bağlı bir gerilim kaynağı ve yine seri bağlı bir direnç ile temsil edilir. Böylece hem

Dv hem de rf sıfırdan farklı olur. Bu model önceki iki modeli de bünyesinde barındırır.

Şekil 9 Parçalı lineer modeli ve PWL ile gerçek diyot modeli karakteristiklerinin karşılaştırılması

Şekil 9’dan PWL diyot model denklemi;

Olarak yazılır. Şekil 6’daki devre denkleminde PWL model denklemi yerine konulursa;

( )

ile ifade edilir. Böylece analitik bir çözüm ifadesine ulaşılmış, diyot belirli bir başarım ile el çözümüne

tabi tutulabilmiş olur.

LED (Light Emitting Diode)

LED, Light Emitting Diode kelimelerinin kısaltılmış halidir ve “Işık Yayan Diyot” anlamına gelir. LED’ler

foton yayan yarı iletken devre elemanlarıdır. Daha önce de belirtildiği gibi ileri yönlü kutuplanan pn

eklemde hole ve elektronlar birleşmektedir (rekombinasyon). Eğer yarıiletken, GaAs gibi doğrudan

(direct) geçişli bant aralığına sahipse hole ve elektronlar momentumlarında bir değişiklik olmadan

birleşir ve bunun sonucunda bir foton yayarlar. Buna karşılık, yarıiletken malzeme Si gibi dolaylı

(indirect) geçişli bant aralığına sahipse hole ve elektron birleşiminde momentum değişimi olur ve

foton meydana gelmez. Bu nedenle LED'ler GaAs gibi bileşik yarıiletkenlerden üretilirler. LED için

diyot akımı yarıiletkende meydana gelen rekombinasyon oranına bağlıdır. Bununla birlikte LED'den

yayılan foton yoğunluğu da diyot akımıyla doğru orantılıdır. Şekil 10 LED’lerdeki foton oluşturma

olayını göstermektedir.

Şekil 10 LED’de foton oluşma işlemi ve LED sembolü

LED’lerin ortama yaydığı fotonun frekansı, spektrumun görünür ışık bölgesine denk düşer. Bununla

birlikte gözle görülemeyen frekansta foton yayan kızılötesi (infrared, IR) veya morötesi (ultraviole,UV)

LED’ler de vardır. LED’lerin yaydığı foton, yarıiletken malzemedeki katkı maddeleri ile ilgilidir. LED’in

hangi renkte ışık yayması isteniyorsa galyum, arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum, nitrit gibi

malzemelerden uygun oranda yarı iletken taban malzemeye katkı yapılır (GaAIAs, GaAs, GaAsP, GaP,

InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LED'in istenen dalga boyunda ışıma yapması sağlanır. Örneğin kırmızı

renk (660nm) için GaAlAs, sarı renk (595nm) için InGaAIP, yeşil renk (565nm) için GaP, mavi renk

(430nm) için GaN kullanılır. LED'lerin genel görünüşü aşağıdaki gibidir.

Şekil 11 LED’in şematik görüntüsü ve farklı renklerde LED’ler

Zener Diyot

Daha önceki kısımlarda belirtildiği gibi diyotun ters yönlü kutuplanmasıyla, diyot üzerindeki gerilim

belirli bir limitin üzerine çıkamaz. Bununla birlikte bir noktadan itibaren ters yönlü kutuplanan diyotta

kırılma (breakdown) meydana gelir ve ters yönde akan diyot akımı hızlıca artmaya başlar. Bu olayın

oluştuğu gerilim değerine “kırılma gerilimi” denir. Ters yönde kırılmanın olduğu diyot akım-gerilim

grafiği Şekil 12’de gösterilmiştir.

Şekil 12 Kırılma geriliminin gösterildiği zener diyot i-v karakteristiği ve zener diyot sembolü

Zener olarak adlandırılan diyotlar, belirli bir kırılma noktası belirlenilerek tasarlanır ve üretilirler.

Şekil 12’de zener bölgesinde görülen direnci çok küçük değerlerde olup değeri birkaç ohm ile birkaç

10Ω arasında değişiklik gösterir. Zener diyotlarda zener potansiyeli katkılamaya bağlı olarak 1,8V

ile 200V arasında değişiklik gösterebilir. Şekil 12’de zener diyot sembolü görülmektedir. Burada

zener kırılma gerilimi ve akımı ise zener bölgesinde çalışan diyotun ters kutuplama akımını

göstermektedir.

Malzeme Listesi:

Dirençler : 10Ω, 1kΩ

Diyot : D1N4001

Standart deney teçhizatı

Kaynaklar:

1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010

2. Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011

3. Electronic Devices and Circuit Theory, Boylestad R., Nashelsky L.

Deney No

Deney Adı

Öğrenci No Ad-Soyad İmza

C. Hazırlık Çalışması 1. Aşağıdaki geriliminin zamana göre değişim grafiği verildiğine göre devrenin çıkış eğrisini

çiziniz.

2. Aşağıdaki devre için Vo çıkış gerilimini bulunuz.

T i m e

0 s 2 s 4 s 6 s 8 s 1 0 sV ( V 1 : + )

0 V

5 V

1 0 V

Vin

Deney No

Deney Adı

Öğrenci No Ad-Soyad İmza

D. Deney Çalışması

1. Dijital multimetreyi diyot ölçüm moduna getiriniz. İleri kutuplamada 1N4001 diyotu için açılma

gerilimini ölçüp boşluğu doldurunuz.

Şekil 13 Dijital multimetre ile diyot testi

2. Şekil 14’de görülen devreyi 1N4001, LED ve 3.3V zener elemanları için ayrı ayrı kurunuz. Aşağıdaki

tabloda verilen farklı kaynak gerilimleri için ve gerilimlerini ölçünüz. Ölçtüğünüz değerleri

yine tabloda ilgili alanlara yazınız. Tabloya yazılan değerleri kullanarak üç farklı diyot için akım-

gerilim ( ) grafiklerini çiziniz. ( ⁄ ifadesinden hesaplanacaktır.)

Şekil 14

1N4001

⁄

0.2V

0.4V

0.5V

0.6V

0.7V

0.8V

0.9V

1V

2V

3V

4V

5V

6V

7V

8V

9V

3. Şekil 15'teki devre, herhangi bir iki terminalli elemanın ya da devrenin akım-gerilim

karakteristiğini osiloskop yardımı ile elde etmekte kullanılabilir. Buradaki 1kΩ'luk direnç diyot

üzerinden geçen akımın değerini sınırlamak için kullanılmıştır. Osiloskop ile akım değeri

ölçülemediğinden, devreden geçen akım, diyota seri bağlanmış olan küçük değerli bir direnç

üzerindeki gerilimin ölçülüp direnç değerine bölünmesiyle bulunur. Buradaki dikkat edilmesi

gereken nokta, osiloskobun X girişindeki gerilim değerinin diyot ve 10Ω'luk direnç üzerindeki

gerilimler toplamı olduğudur. Fakat buradaki 10Ω'luk direnç üzerindeki gerilimin diyot üzerindeki

gerilimle karşılaştırıldığında çok küçük olması X girişindeki gerilimin yaklaşık olarak diyot

üzerindeki gerilime eşit olduğu anlamına gelir. Buna göre Şekil 15’te görülen devreyi 1N4001

diyot için kurarak osiloskop ekranında X-Y modunda çıkışı gözleyiniz ve koordinat düzlemi üzerine

çiziniz.

Şekil 15

1k

1015V

Y

X

GND

10V

f=100Hz

E. Tartışma

1. Teorik ve deneysel sonuçları karşılaştırınız. Sonuçlar arasında farklılıklar var ise sebeplerini

yazınız.

2. Üzerindeki çizgisi silinmiş olan bir diyotun anot ve katot ucunu dijital bir multimetre ile nasıl

belirlersiniz açıklayınız.