Ankara Üniversitesi
Nallıhan Meslek Yüksekokulu
Elektron kabukları ve yörüngeler, N-Tipi ve P-Tipi yarı iletkenler
NE T 115- T E ME L E L E KT R ONIK Ö ğr . G ör . NUR I FUR KAN KOÇ AK
Elektron Kabukları ve Yörüngeler
Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki elektronlardan daha az enerjiye sahiptir. Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerdeki elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantları şeklinde gruplaşmış yörüngeler “kabuk (shell)” olarak bilinirler. Verilen her bir atom, sabit kabuk sayısına sahiptir. Kabuklarda barınan elektronlar ise belirli bir sistem dâhilinde dizilirler. Her bir kabuk, izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. Bu elektronların enerji seviyeleri değişmez. Kabuk içindeki elektronların enerji seviyeleri bir birinden azda olsa küçük farklılıklar gösterir. Fakat kabuklar arasındaki enerji seviyelerinin farkı çok daha büyüktür.
Elektron Kabukları ve Yörüngeler
Çekirdek etrafında belirli bir yörüngeyi oluşturan kabuklar, k-l-m-n olarak gösterilirler.
Çekirdeğe en yakın olan kabuk k dır. k ve l kabukları aşağıdaki şekil ‘de gösterilmiştir.
Yarıiletken, İletken ve Yalıtkan
Bütün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye bağlı olarak başlıca 3 gruba ayrılırlar. Bu guruplar; iletken, yalıtkan ve yarıiletken olarak tanımlanır. Valans elektronlarının sayısı bir maddenin iletkenliğini belirler. İletken : Dış yörüngelerinde 4' ten az elektron bulunan ve serbest elektron sayıları çok fazla olan maddelere denir (bakır, alüminyum, demir vb.).
İletkenlerin başlıca özellikleri:
• Elektrik akımını iyi iletirler. Son yörüngelerinde 1,2 veya en fazla 3 elektron bulundururlar.
Bakırın son yörüngesinde 1elektron vardır. Fakat saf olarak elde edilemediğinden altın ve gümüşe (1 ‘er valans elektronlu) göre kötü iletken olmasına rağmen bol ve ucuz olduğundan en çok kullanılır.
• Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı, ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılırlar.
• Metaller, bazı sıvı ve gazlar iletken olarak kullanılır.
• Metaller, sıvı ve gazlara göre daha iyi iletkendir.
• Metaller de, iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara ayrılır.
• Atomlarında 2 ve 3 valans elektronu olan demir (2 dış elektronlu) ve alüminyum (3 dış elektronlu) iyi birer iletken olmamasına rağmen, ucuz ve bol olduğu için geçmiş yıllarda kablo olarak kullanılmıştır.
Uygulamada iletkenler, elektrik akımını bir yerden başka bir yere iletmekte kullanılır.
Yalıtkan : Dış yörüngelerinde 6-8 elektron bulunan ve serbest elektron sayıları yok denecek kadar az olan maddelere denir (cam, kauçuk, hava vb.).
Elektrik akımını iletmeyen maddelerdir.
Bunlara örnek olarak cam, mika, kağıt, kauçuk, lastik ve plastik maddeler gösterilebilir.
Elektronları atomlarına sıkı olarak bağlıdır.
Uygulamada yalıtkanlar elektrik akımından korunmakta kullanılır.
Yarıiletken : Ne iyi bir iletken, ne de iyi bir yalıtkan olan ve dış yörüngelerindeki elektron sayısı 4 olan maddelere denir (karbon, germanyum,silisyum vb).
Silisyum (Si) ve Germanyum (Ge)
Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre elemanlarının üretiminde çoğunlukla iki tip yarı iletken malzeme kullanır. Bunlar; SİLİSYUM ve GERMANYUM elementleridir. Bu elementlerin atomlarının her ikisi de 4 Valans elektronuna sahiptir. Bunların birbirinden farkı; Silisyumun çekirdeğinde 14 proton, Germanyumun çekirdeğinde 32 proton vardır. Aşağıdaki Şekil’
de her iki malzemenin atomik yapısı görülmektedir. Silisyum bu iki malzemenin en çok kullanılanıdır.
Silisyum (Si) ve Germanyum (Ge)
Elektron sayısı fazla olan malzemede elektronlar atoma daha az çekim kuvveti ile bağlıdır.
Yani Ge’dan daha küçük bir etki ile elektronlar koparılabilir. Ge 0.3V, Si 0.7V ile iletime geçer. Si daha kararlı olduğu için yaygın olarak kullanılır. Ge yüksek sıcaklıklarda
kullanılamaz.
Her iki yarı iletken de doğadan elde edilmekte ve saflaştırılarak monokristal haline getirildikten sonra devre elemanların üretiminde kullanılmaktadır.
Germanyum başlıca iki kaynaktan sağlanır:
1) Bazı cins maden kömürünün baca tozlarından, 2) Çinko rafine endüstrisi yan ürünlerinden
N-Tipi ve P-Tipi Yarı İletkenler
Yarıiletken malzemeler, akımı iyi iletmezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede iyi bir yalıtkandırlar. Çünkü valans bandındaki boşlukların ve iletim bandındaki serbest elektronların sayısı sınırlıdır. Saf silisyum veya germanyum’un mutlaka serbest elektron veya boşluk sayısı artırılarak iletkenliği ayarlanmalıdır. İletkenliği ayarlanabilen silisyum veya germanyum, elektronik devre elemanlarının yapımında kullanılır. Germanyum veya silisyumun iletkenliği ise ancak saf malzemeye katkı maddesi eklenmesi ile sağlanır. Bu katkılar atom sayısı bazında 1/10Milyar oranındadır. Katkı maddesi eklenerek oluşturulan iki temel yarıiletken materyal vardır. Bunlara; N-tipi madde ve P-tipi madde denir.
N-Tipi ve P-Tipi Yarı İletkenler
N-Tipi Yarıiletken
Saf silisyumun iletkenlik bandındaki deliklerinin artırılması atomlara katkı maddesi ekleyerek yapılır. Bu atomlar, 5-değerli valans elektronları olan Arsenik (As), Fosfor (P), Bizmut (Bi) veya Antimon’dur. Silisyuma katkı maddesi olarak 5 valans elektrona sahip Fosfor belli bir oranda eklendiğinde, diğer Silisyum atomları ile nasıl bir kovalent bağ oluşturulduğu şekilde gösterilmiştir. Fosfor atomunun 4 valans elektronu, silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Fosfor’un 1 valans elektronu açıkta kalır ve ayrılır. Bu açıkta kalan elektron iletkenliği artırır. Çünkü herhangi bir atoma bağlı değildir. İletkenlik, elektron sayıları ile kontrol edilebilir. Bu ise silisyuma eklenen atomların sayısı ile olur. Katkı sonucu oluşturulan bu iletkenlik elektronu, valans bandında bir boşluk oluşturmaz.
N-Tipi ve P-Tipi Yarı İletkenler
N-Tipi Yarıiletken
N-Tipi ve P-Tipi Yarı İletkenler
P-Tipi Yarıiletken
Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3-değerli) atomların belli bir oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yapı oluşur. Bu yeni kristal yapıda delik (boşluk) sayısı artırılmış olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; Alüminyum (Al), Bor (B) ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz. Örneğin; saf silisyum içerisine belli bir oranda bor katılırsa; bor elementinin 3 valans elektronu, silisyumun 3 valans elektronu ile ortak kovalent bağ oluşturur.
Fakat silisyumun 1 valans elektronu ortak valans bağı oluşturamaz. Bu durumda 1 elektron noksanlığı meydana gelir (boşluk).
Silisyuma eklenen katkı miktarı ile boşlukların sayısı kontrol edilebilir. Bu yöntemle elde edilen yeni malzemeye P tipi yarıiletken malzeme denir. Çünkü boşluklar pozitif yüklüdür.
Dolayısı ile P-tipi malzemede çoğunluk akım taşıyıcıları boşluklardır. Isı, ışık gibi etkenlerle P-tipi malzemede bir kaç tane serbest elektron oluşur ki bunlarda azınlık akım taşıyıcılarını oluşturur.
N-Tipi ve P-Tipi Yarı İletkenler
P-Tipi Yarıiletken
KAYNAKLAR
1. Dr. Öğr. Üyesi Tarık Erfidan, Kocaeli Üniversitesi, Elektrik Mühendisliği, Elektronik Ders Notu, Kocaeli 2012
