Yenilere Elektronik

Okurlarımızın yaptıkları katkılar sürüyor.
Bu ay okurlarımızdan Reşat Şekerin yazı dizisi başlıyor. Tamamen yeni başlayanlara yönelik.
Yarı iletkenler ve diyot çeşitleri bu yazının konusu.

Merhaba, sizlere bu ilk yazımda Analog Elektronik 1 dersinde öğrendiklerimi aktarmaya çalışacağım umarım ilginizi çeker. 
Sıra olarak yarı iletkenlerin elektronikte kullanılma şeklinden başlayıp, diyot, transistör, fet ile devam edeceğim.

ELEKTRONİĞİN TEMEL MALZEMESİ 
-SİLİSYUM-GERMANYUM-

Silisyum bilindiği gibi elektronik endüstrisinde en çok kullanılan yarı iletken materyaldir diğer bir malzeme ise germanyum dur  anlatılacak olan her şey germanyum içinde geçerlidir.

Germanyum ve silisyum mono kristal(tek kristal) bir yapıya sahiptir. Mono kristal  yapı her köşesinde bir atom bulunan düzgün dörtgen şeklindeki bir hücrenin dört yönde tekrarlanması ile oluşur bu karbonun elmas halindeki yapısına benzer.

Eğer kristal saf değilse, içinde yabancı atom varsa veya kristalin işlenmesi sırasında sıcaklığın etkisi malzemede düzensizlik oluşturur. Bu düzensizlikler kristalin elektriksel özellikleri üzerinde olumsuz etki yapar bunun için elektronikte kullanılacak malzemenin mümkün olduğu kadar saf olması istenir. On milyarda bir saflık yeterli bir saflıktır (yani on milyarda bir atom yabancı atom yeterli kabul edilebilir)

Doğadaki kristal yapıdaki malzemelerin çoğu polikristal (çoklu kristal yapıya sahiptir. Bu nedenle elektronik malzeme üretimine uygun değillerdir.

GERMANYUM �SİLİSYUM KARŞILAŞTIRMASI

Atomik yapıları dikkate alındığında silisyumun da germanyumun da son elektron yörüngelerinde 4'er elektron bulunur, fakat toplam elektron sayısı dikkate alındığında germanyumun 32, silisyumun14 elektronu bulunur. Bunun anlamı nedir?

Bunun anlamı, elektron sayısı fazla olan malzeme atomun çekim kuvvetinden daha çabuk kurtulacağı için daha küçük bir etki ile iletken olabileceğidir. Bir örnek vermek gerekirse germanyum diyotun iletime geçme voltajı 0,3 volt iken silisyumun 0,7 volttur. Yani iletim konusunda silisyum daha stabil  bir malzemedir. Germanyum yukarıda anlattığım atomik yapı yüzünden özelliğini daha çabuk kaybedebilen bir malzemedir. İşte bu nedenden dolayı silisyum daha çok tercih edilir.

P  VE  N TİPİ SİLİSYUM

Bilindiği gibi atomun yapısında elektronlar negatif değerlikli elemanlardı.
Hatırlatma: Son elektron yörüngesinde 4'den az elektron bulunan maddeler yalıtkan 5'den fazla elektron bulunan maddeler iletken 5 veya 4 elektron bulunan malzemeler yarı iletkendir.

Şimdi basit  bir kimyasal olaydan söz edelim. Silisyum son elektron yörüngesinde 4 elektron bulunan bir yarı iletkenle son yörüngesinde 5 veya 6 elektron bulunan bir malzemeyi (antimuan-arsenik-ya da fosfor) karıştırırsak ne olur?

Cevap: son yörüngesindeki elektron sayısı +1 artan silisyum fazladan bir negatif değerlik kazanır ve N tipi silisyum oluşur.

Yukarıdaki olayı aynen  bor-galyum-veya alimünyum ile tekrarlarsak  P tipi silisyum elde ederiz

Bu silisyumun katkılanması olayıdır ve katılan maddeye genel olarak doping denir. Bu maddelerden diyotun katkılanma oranına göre değişik diyotlar elde edilir. Örneğin: Tunel diyot ya da shottky diyot gibi.

P VE  N TİPİ MALZEMENİN ÖZELLİKLERİ
Peki elde ettiğimiz bu malzemeler ne ise yarar? Bir silisyumun  p tipi olması o malzemenin içerisinde oyuk diye tabir edilen elektron boşlukları olduğu ve malzemenin ancak ( – ) negatif polarite ile iletken hale geçebileceği anlamına gelir.

Aynı şey N tipi silisyum için de geçerlidir N tipi silisyumun iletime geçmesi içinde  (+ ) pozitif polariteye ihtiyaç vardır.

P-N    EKLEMİ    -DİYOT-

Biraz önce elde ettiğimiz iki  malzemeyi p ve n tipi silisyumu yan yana  bir üretim tekniği olan difüzyon yöntemi ile birleştirirsek  ne olur?

Tabi ki diyot oluşur.

Fakat iş iki parçayı yan yana getirmekten ibaret değil tabi ki bu iki parça yan yana geldiğinde birindeki elektron fazlası diğerindeki oyuk fazlası kısıtlı bir bölgede birbirini tamamlayacaktır.

Bu bölgeye tüketilmiş bölge denmektedir. Nedeni hem elektron hem de oyuk açısından nötr'dür işte tam burada karşımıza 0,7 volt değeri çıkar bu voltaj değerinin üstüne çıkıldığı anda eğer diyotun N ucu negatif P ucu pozitif ise  diyot üzerinden akım akmaya başlar . 0.7 volt bu tüketilmiş bölgeden elektronların geçmesi için diğer bir deyişle elektronların silisyum atomunun çekim kuvvetinden kurtulması için gereken voltajdır ve silisyumun özelliği olarak sabittir. standart  Diyotun sembolü aşağıdaki gibidir.

SIZINTI  AKIMI

Yazımın baŞlarında saflıktan bahsetmiştim , dünyada bilinen hiçbir şekilde  saf madde elde edilemiyor bu nedenle  %100 saflığa erişmek imkansız olduğuna göre elde ettiğimiz silisyumda da yabancı atomlar bulunacaktır. Bu maddeler silisyumun saflığını bozmakta ve kullanılırlığını azaltmaktadır diyot içerisinde de bulunan yabancı maddelere azınlık akım taşıyıcıları denir bunlar P tipi malzeme içindeki elektronlar N tipi malzeme içerisindeki oyuklardır. Peki bunları sakıncası nedir ?

Bir diyot iki şekilde polaritelendirilir 

1. Düz polarite
2. Ters polarite

1) düz polarite: bu konumda diyotun anotu + katotu � konumdadır ve  devre voltajı 0,7 volttan büyükse diyot iletime geçer (Şekil 1)

2) Ters polarite: bu konumda bağlanmış bir diyotun anotuna  �  katotuna  +  polarite uygulanmıştır. (Şekil 2)  bu durumda  diyot üzerinden akım akmaz   işte bu noktada azınlık taşıyıcıları devreye girer akım akmaması gerektiği halde az miktarda da olsa kutuplar arası akım taşıyıcılığı yaparlar bu nedenle  p tipi malzemedeki elektronlara ve n tipi malzemedeki oyuklara azınlık akım taşıyıcısı denir. Genellikle diyot üzerinden geçen sızıntı akımı, voltaj, toplam akım, ortam sıcaklığı gibi faktörlere bağlıdır ve mikro amper ya da nano amper seviyesindedir. Genellikle analizlerde dikkate alınmaz.

Sızıntı akımı her ne kadar normal şartlar da dikkate alınmasa da  sızıntı akımına yol açan azınlık taşıyıcıları (diyota göre değişir) diyot içerisindeki  atomik yapıyı bazı durumlarda bozabilir. Örneğin diyotun çalıştırıldığı ortam aşırı sıcak ise ya da diyot ters yönde büyük bir voltaj ile karşı karşıya ise  diyot içindeki azınlık taşıyıcıları ters yönde elektron hareketi sağlarken  diğer atomlara da çarparak yeni elektronların kopmasına yol açacaktır bu bir çığ hareketi gibi ilk önce yavaş başlayacak daha sonra zincirleme olarak hızlanacak  ve sonunda diyotun delinmesine(bozulmasına) yol açacaktır yani diyot bu olaydan sonra iki yönde de akım geçirir hale gelir.

Örnek: 1N4001 diyotu için  ters polarma gerilimi (PIV): 50 V  üzerinden geçebilecek max akım: yaklaşık 500mA'dir

DİYOTUN STATİK VE DİNAMİK DİRENCİ  (DC veAC)
Bir diyotun  özel bir çalışma noktasındaki  direncine o diyotun �DC direnci� veya statik direnci denir.

Rdc=Vd/Id     eşitliği ile hesaplanır. (Dikkat ederseniz sadece ohm kanunundan ibaret)

Bir diyotu ideal kabul etmek; o diyotun uçları arasında düşen 0,7 volt luk potansiyeli 0 kabul etmektir yukarıdaki formülde  hesaplanacak olan diyotu ideal kabul ederseniz  direncinin 0 olduğunu görürsünüz.

Diyotun silisyum olması halinde Vd=0,7   germanyum olması halinde Vd=0,3 volt olacaktır.

Bir diyotun uçlarındaki  gerilim değişiminin diyot içinden gecen akıma oranına �dinamik veya aç direnç denir ve   Rac=DVd/DId     eşitliği ile hesaplanır.

DİYOT ÇEŞİTLERİ, KULLANIM ALANLARI 

Bu bölümde sizlere en çok kullanılan diyot çeşitlerini ve kullanım alanlarını anlatmaya çalışacağım. Uygulamaları ayrı bir başlık altında  şematik olarak vermeye çalışacağım.

Diyot uygulamalarının başında sıradan diyotlarla yapılan doğrultucular gelir  doğrultma cinsine göre 2  çeşittir. Tam ve yarım dalga doğrultma tam dalga doğrultma da kendi içerisinde kullanılan trafo cinsine göre 2 çeşittir:

1. Köprü tipi tam dalga doğrultma.
2. Orta bacaklı trafolu tam dalga doğrulma.

• ZENER DİYOT: Bir çok yerde karşımıza çıkabilecek  nitelikte bir diyot tipidir. Belli bir kullanım alanı yoktur. Bunun nedeni kuşkusuz kullanışlı olmasındandır. En önemli özelliği bağlandığı elemanın uçlarındaki gerilimi kendi gerilimine sabitlemesidir yani bir zener her zaman bir ya da birkaç elemana paralel bağlanır ve bağlandığı elemanın üzerindeki voltajı sabitler, iki yönde de akım geçirebilir ve voltaj değerleri ile anılır günümüzde 1.8volttan 2000 volta kadar zener diyot bulmak mümkündür. Sembolü aşağıdaki gibidir.

• VARİKAP DİYOT (VARAKTÖR): Varikap diyotlar kapasiteleri gerilim ile değişen  kondansatör olarak kullanılırlar temeli ters yönde biaslanmış PN jonksiyonuna dayanır. PN malzemeleri arasındaki gerilim setinin tabii bir kapasitesi vardır. Bu bölge yalıtkan özelliğinden dolayı  kondansatör dielektriği gibi davranır. P ve N  bölgeleri ise kondansatörün plakaları gibidir. Ters bias gerilimi büyüdüğünde gerilim seti büyür ve dielektriğin kalınlığı artar ve kapasite düşer  ters bias gerilimi azaldığında gerilim seti daralır ve kapasite artar bir varaktörde kapasite diyot yapısının geometrisine boyutuna ve malzeme içindeki doping miktarına göre değişir. Kullanım alanları: Alıcı – verici devreler, otomatik ayar devreleri başlıca kullanım alanlarıdır. Rezonans devresinde kullanıldığında  değişken kondansatör gibi çalışır.  Aşağıdaki devredeki gibi kullanıldığında kondansatör gibi çalışır ve üzerindeki gerilimle orantılı olarak tank devresinin frekansını kontrol eder. Sembolü aşağıdaki gibidir.

• SCHOTTKY DİYOT: Bu diyotlar hızın ve anahtarlamanın önemli olduğu yerlerde  (Örneğin: swich mode güç kaynaklarında) kullanılırlar yapı olarak biraz farklıdırlar. En büyük farkları yapısında sadece N tipi malzemenin kullanılmasıdır. Kısaca  ağırca katkılanmış  N tipi silisyum ile altın gümüş ya da platin gibi bir metalin jonksiyon oluşturmasıyla elde edilir. En yaygın kullanımı yüksek frekans sinyallerin doğrultulması ya da işlenmesi şeklindedir.

• SHOCKLEY DİYOT: Shockley diyot dört silisyum katmanlı bir diyottur  aslında bazı kaynaklar bu elemanı bir gate'i olmayan tristör olarak kabul eder. çalışma şekli diyotun belli bir voltaja gelince kendiliğinden iletime geçmesi şeklindedir. Örneğin anot katot gerilimi 25 volta geldiğinde diyot kendiliğinden iletime geçer. Güç elektroniğinde osilatör elemanı olarak kullanılır.

• TUNEL DİYOTLAR: Tunel diyotlar negatif direnç olarak bilinen özel bir karakteristiğe sahiptirler. Bu özellik onların osilatör  ve mikrodalga uygulamalarında kullanılmasını sağlar tunel diyotlar P ve N tipi malzemeden oluşan klasik doğrultma diyotlarından  çok daha ağır katkılanmıştır. Galyum arsenik veya germanyumdan yapılırlar  bu ağır katkının sonucu olarak gerilim seti çok dardır ve çok küçük gerilimlerde iletime geçebilir. Tunel diyotlar anahtarın açılıp kapanması sonrasında sönümlü osilasyon elde etmek için (tank devresi) kullanılırlar.

• FOTO DİYOTLAR: Foto diyot da tıpkı zener diyot gibi ters yönde biaslanıp çalıştırılabilen bir diyottur. iletime geçme şartı olarak üzerinde bulunan küçük şeffaf bir pencereden ışık alması gerekir. Bu ışık tam Pekleminin birleşim yerine düştügünde diyotun iletime geçmesine sebep olur. Klasik diyotlarda olduğu gibi bu tip diyotlarda da sızıntı akımı vardır. Genellikle otomasyonda ve dijital kontrol sistemlerinde üzerine düşen ışığın 0 1 gibi bir sinyal değişikligi yapmasından faydalanılır.

• PIN DİYOTLAR: Bu tip diyotlarda PN eklemi ağır bir şekilde katkılanmıstır. Fakat bu iki malzeme katkısız bir silisyum ile ayrılmıştır. Ters yönde biaslandığı zaman pin diyotu hemen hemen sabit bir kondansatör gibi davranır. Düz yönde polarlandığında ise degisken bir direnç gibi çalışır bu özelliğinden dolayı modülasyon elemanı olarak, veya biasdaki hızlı değişiminden dolayı kontrollü mikro dalga anahtarı gibi, ya da direnci akım kontrollü olduğundan zayıflatma uygulamalarında kullanılırlar.

• LED�LER:  Led,  İngilizce Light Emiting Diode  (ışık yayan diyot) anlamına gelen kelimelerin baş harflerinin oluşturduğu bir kelimedir. Ledler bir yarı iletken P-N jonksiyonundan ışık yayma prensibi ile çalışır jonksiyon düz yönde polarıldığı zaman jonksiyon içerisindeki doping maddeleri cinsine göre parlak bir ışık şeklinde enerji açığa çıkarır. Aslında sıradan diyotlar da şeffaf olsaydı bir miktar parlaklık yine oluşacaktı ancak ledler genellikle şeffaf bir kılıf içerisinde üretildikleri ve galyum arsenik fosfat gibi bir madde ile dopinglendiği için yayılan ışığı daha rahat görebiliriz.

 

Ledler sanıldığı gibi kılıf rengine göre değil dopinglendigi maddeye göre renk alır. Genellikle 3 madde ile dopinglenir ve genellikle 3 renk olur. Sarı yeşil ve kırmızı fakat başka renklerde ledler de üretilmektedir.

Tipik olarak bir led 1.5 � 3.5 volt  aralığında çalışır. 100-120 mW civarında güç 20mA civarında da akım çekerler.