Maddeler, elektrik iletkenliklerine göre üç farklı başlık altında toplanabilir. Bunların ikisi, çocukluk çağımızdan itibaren öğretildiği gibi yalıtkan ve iletken malzemelerdir. Üçüncü başlığımız ise elektronik çağının günümüzdeki gelişiminde çok önemli bir öneme sahip olan yarı iletken malzemeler. Bu yazımızda yarı iletken malzemeler üzerinde duracağız.
Yalıtkan Ve İletken Malzemeler
Yalıtkanlar, elektrik iletkenliği sıfır ya da çok zayıf olan ve üzerinden elektrik akımı geçirmeyen malzemelerdir. Cam, tahta, kauçuk, hava ve ya kağıt yalıtkan malzemelere örnek olarak gösterilebilirler. Yalıtkan malzemeler, genellikle elektrik ortamının izolasyonu için kullanılırlar. İletken malzemeler ise elektrik geçirgenliği yüksek olan ve üzerinden rahatlıkla elektrik akımının ve ısının geçtiği malzemelere verilen isimdir. İletkenler, katı, sıvı ve ya gaz halde bulunabilirler. İletkenlerin genel özelliklerine bakacaksak şu özellikleri görebiliriz;
.Elektrik ve ısıyı oldukça iyi iletirler.
.Son yörüngelerinde bulunan elektronları verme eğilimindedirler. Harici bir etkide (ısı ve elektrik alan), bu yörüngede bulunan elektronu kolaylıkla serbest bırakırlar.
.Son yörüngelerinde bulunan elektronlara valans ismi verilir. Bu elektronlar, lise zamanlarında öğretilen değerlik elektronlar olarak ta bilinir. Bunlar, bir elementin herhangi bir kimyasal tepkimede, diğer elementler ile nasıl etkileşeceğinin kararını veren yapılardır.
.Valans elektron sayısı, bir atomun kararlığını doğrudan etkiler. Valans elektron sayısı az olan atom, daha az kararlı iken etkileşime karşı daha fazla isteklidirler. Bu sebeple metaller arasında 1 valans elektrona sahip olanlar, kaliteli iletken olarak adlandırılırlar.
Şimdi ise sıra yarı iletken malzemelere bakmaya geldi.
Yarı İletken Teknolojisi
Yarı iletkenler, isminden anlaşılacağı üzere iletkenlik bakımından yalıtkan ve iletken arasında kalan malzemelerdir. Normal anlarında yalıtkan malzeme olarak görev yapan yarı iletkenler, herhangi bir dış etki meydana geldiğinde bir anda iletken malzeme gibi davranır ve üzerinden rahatlıkla elektrik akımı geçmesine izin verir. Yarı iletken malzemenin iletkenliğe geçmesine sebep olan dış etkiler, ısı, ışık, manyetik etki ve ya elektriksel gerilim olabilir. Malzemeye etkiyen kuvvetler ortadan kalktığı anda, malzeme tekrardan yalıtkan haline geri döner. İşte bu özellikleri nedeniyle, elektronikte çok yoğun olarak kullanılmaktadır.
Normal şartlar altında yarı iletkenlerin valans yörüngelerinde dört elektron bulunur. Tüm yarı iletkenler bu sayıyı sekize çıkarıp kararlı atom yapısına geçme eğilimdedir. Bu sebeple normal halde elektrik iletkenlikleri çok zayıftır. Ancak bu maddelerin iletken yapıya geçebilmeleri için, doping ve gating isimli bazı metotlar geliştirilmiştir.
Yarı iletkenler arasında en çok kullanılan ve bilinen malzemeler silisyum ve germanyum dur. Şimdi bu elementler üzerinden doping yöntemi ile bu malzemelere nasıl iletkenlik özelliği kazandırılıyor sorusunun cevabına bakalım.
N Tipi Doping
Silisyum, valans elektron sayısı dört olan bir atomdur. Eğer silisyuma valans elektron değeri beş olan fosfor elementi eklenirse, fosfor atomunun son yörüngesinde bulunan dört elektron ile silikon atomlarının birer elektronu arasında kovalent bağ kurulur. Bu işlemin ardından fosfor atomunun son yörüngesinde bir adet elektron boşta kalır ve bu elektron, bileşimin elektrik iletkenliğini arttırır. Bu doping yöntemine n-tipi doping ismi verilir. Aşağıdaki görselde bunu çok daha net anlayabilirsiniz.
P Tipi Doping
Diğer bir yöntem ise p tipi doping yöntemidir. Bu yöntemde ise valans elektron sayısı üç olan bir bor atomu kullanıldığını düşünelim. Bor atomunun son yörüngesinde bulunan üç elektron, silisyum atomu ile kovalent bağ içerine girer. Bu sefer silisyum atomunun bir elektronu boşta kalır. Oluşan bu bileşim sonunda, bir adet elektron ihtiyacı oluşur. Bu bileşime, p-tipi doping ismi verilir.
Doping yöntemi sonunda oluşan iki tip, tek başına kullanılırsa pek bir anlam ifade etmez. Bu iki tipin bir arada kullanılıp bir yarı iletken yapısı oluşturulması gerekmektedir. Bu işlem şu şekilde gerçekleşir.
Diyelim ki n ve p tipi yarı iletken malzeme birleştirilerek np tipi bir malzeme olsun. Yazıda anlatıldığı gibi, n tipi maddede elektron fazlalığı varken, p tipi malzemede ise elektron almak için boşluklar bulunuyor. Eğer yüklü bir bataryanın negatif ucu p tarafına, pozitif ucunu ise n tarafına bağlanırsa, np birleşimi malzemenin arasındaki boşluklar artar ve cisim yalıtkanlığına devam eder. Ama bataryanın negatif ucu n tarafına ve pozitif ucu p tarafına bağlanırsa n tipi malzemenin boştaki elektronu, negatif taraftan gelen itme etkisiyle, p tipi malzemenin boşluk bölgesine geçiş yapar ve sistem tamamlanarak madde iletken hale gelmiş olur. Bu işlem, tipik bir diyodun çalışma prensibini de oluşturur. Görüldüğü gibi, normal durumunda yalıtkan olan malzeme, dışarıdan verilen etki ile iletken hale getirilmiş oldu.
Yarı İletken Malzemelerin Önemi
Elektronik alanında yapılan çalışmalar, transistörlerin keşfedilmesiyle boyut atlamıştır. Transistörler, bir araya gelerek entegre devreleri , entegre devreler bir araya gelerek çipleri ve çipler bir araya gelerek günümüzün en önemli gelişimlerinden biri olan işlemcileri oluşturur. Bir işlemcinin bünyesinde milyonlarca transistör bulunabilir. Bu transistörler ise, yarı iletken teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Transistörler, npn ve ya pnp tipte yarı iletken malzemelerin bir araya getirilmesi ile meydana gelmiştir. İşte elektronik sektörünün bu hale gelmesine sebep olan gelişmelerin hepsi, yarı iletken malzemelerinin keşfedilmesi ve uygulamaya geçirilmesi ile meydana geldi.
Hem yalıtkan hem de iletkenlik özelliği gösterilme özelliği sayesinde, yarı iletkenler elektrikli aletler için adeta bir beyin vazifesi görüyor. Teknolojiyi mümkün kılan bu maddeler, hayatımızın değişmez bir parçası olan cep telefonlardan uzaydaki uydulara kadar her noktada modern ihtiyaçlarımızı karşılamamız hususunda insanlığa büyük bir hizmet sunuyor.
Kaynakça
depts.washington.edu
wikipedia.org
megep.meb.gov
