Metaller ve Yarı İletkenler (Malzeme Bilgisi)

Yazar

13 Şubat 2014

1708

Mikro elektronikte kullanılan malzemelerin tamamını yarı iletkenler oluşturuyor. Peki yarı iletkenleri bu kadar kullanışlı yapan malzeme özelliği nedir?

Öncelikle yarı iletkenlerin kullanılmasının temel sebebi iletkenliklerinin istenildiğinde arttırıp istenildiğinde azaltma şansımızın olmasıdır. Bu tabi ki atomik yapılarından kaynaklanıyor.

Doğadaki elementlerden her birinin elektron ve proton sayıları farklıdır. Fakat doğada nötr olarak bulunurlar. Nötr olmalarının sebebi elektron ve proton sayılarının eşit olmasıdır. Yani çekirdek tarafından oluşturulan çekim kuvvetinin elektronlar tarafından nötrlenmesi olayı atomu nötr atom yapar. Fakat kendi doğalarında ne kadar nötr olsalar da çekirdekleri tarafından oluşturulan çekim kuvveti, farklı element ya da farklı atomlara göre daha fazla ya da daha az olabilir. Bu sebeple atomlar yan yana geldiklerinde nötr olsalar bile arta kalan az bir çekim kuvveti sebebi ile komşu atomun elektronunu etkileyip kendisine yakınlaştırır. Böylelikle atomlar bağ yapmış olurlar. Bu bağa kovalent bağ deniyor. Bu durum elektrolitte olduğu gibi bir akım oluşturmaya da sebebiyet verebilir ki zaten bu günkü pil teknolojisi bu mantık üzerine çalışmaktadır.

Yarı iletken silikon atomları da yan yana geldiklerinde kovalent bağ yaparak bir kristal yapı oluştururlar. Bu kristal yapılar. Malzemenin iletkenliği, kullanışlılığı ve nereler için daha uygun olduğu hakkında yorum yapabilmemizi sağlar. Çeşitli kristal şekilleri oluşur.

Yarı iletkenler ile metalleri ayıran en önemli fark valans ve iletken bant yapılarıdır.

Bir yarı iletken atıyorum silikon atomunda elektronların bulunduğu son yörüngeye valans bant ve bu yörüngenin bir üstündeki geçici yörüngesine de iletken bant denir. Normal şartlar altında silikon yarı iletkeninin özdeş atomlarının oluşturduğu kristal yapı da elektronlar valans bandında atomlara bağlıdırlar. 2. ve 3. şekillerde gördüğünüz gibi valans bandındaki bu elektronlar dışarıdan herhangi bir enerji alarak iletim bandına atlarlar. Bu enerji herhangi bir dış elektrik alan, manyetik alan ve ya ısı enerjisi olabilir. İletim bandına geçen elektronlar serbest elektronlardır ve kristal yapılar arasında serbest bir şekilde dolaşırlar böylece yarı iletken meteryal iletken olmuş olur. Böylelikle yarı iletkenlerin sıcaklığı arttıkça iletkenlikleri de artmış olur.

Şekil bir deki şema metallerin yörünge yapısını gösterir. metallerde ya da iletkenlerde valans band ve iletken band birleşiktir. Bu yüzden valans banddaki elektronlar zaten serbest elektronlardır ve kristal yapı içinde serbest olarak dolaşabilirler. Fakat metallerin sıcaklıkları arttıkça iletkenlikleri azalır. Bunun sebebi, titreşimdir. Sıcaklık arttığında valans ve iletken band birbiri ile bitiş olduğundan ve elektronlar çok fazla titreştiklerinden birbirlerine çarparak enerji kaybederler böylece iletkenlik azalmış olur.

Yarı iletkenlerin çoğunda has özgün iletkenliğin değeri çok düşüktür ve elektronik devre elemanlarının yapılarında kullanmak için elverişli değillerdir. Pratikte kristalin özgün iletkenliği, katkı atomları ilave edilerek değiştirilir.

Mesela Fosfor, Arsenik ve ya Antimon gibi 5 valans elektronu bulunan elementler katkı atomu olarak kullanıldığında, silikon ve antimon elementi şu şekilde bir kovalent bağ gerekleştirir;

Bu kovalent bağ da fazladan 1 elektron moleküle çok zayıf bir şekilde bağlıdır. Bu yüzden kolaylıkla iletim bandına geçip serbest hale geçebilir. Böyle bir molekül n tipi yarı iletkeni oluşturur.

Katkı atomu olarak Bor, Aliminyum, ve ya Galyum gibi 3 tane valans elektronu bulunan elementler kullanılırsa; silikon ve bor atomu şöyle ir kovalent bağ oluşturur;

Böyle bir kovalent bağ da fazladan 1 elektron boşluğu oluşmuştur. Ve elektronların hepsi moleküle iyi bir şekilde bağlıdır. Böyle bir moleküldeki elektronları iletim bandına geçirmek tabi ki de daha zor olur. Bu yarı iletken tipine de p type yarı iletken ismi verilir.

Bu iki çeşit yarı iletkenin band yapıları şu şekilde değişir;