FIZIKTE ZEL KONULAR Yar letken Maddeler Diyot Transistor

FIZIKTE ÖZEL KONULAR Yarı İletken Maddeler Diyot Transistor

ELEKTRONIK DEVRE ELEMANLARI � Elektron hareketine göre maddeler üçe ayrılır: İletkenler, yalıtkanlar ve yarı iletkenler. -Enerji bantları görülmektedir.

YARI ILETKENLER Yarı iletken madde, elektrik iletkenliği bakımından, iletken ile yalıtkan arasında kalan maddelerdir. � Normal durumda yalıtkan olan bu maddeler ısı, ışık, manyetik etki ve ya elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında bir miktar değerlik elektronlarını serbest hale geçirerek iletken duruma gelirler. Uygulanan bu dış etki veya etkiler ortadan kaldırıldığında ise yalıtkan duruma geri dönerler. Bu özellik elektronik alanında yoğun olarak kullanılmalarını sağlamıştır. � Yarı iletkenlerin değerlik yörüngelerinde dört elektron bulunur. Bu yüzden yarı iletkenlerle yalıtkanlar arasında yer almaktadır. �

YARI ILETKENLER Yarı iletken maddelerin periyodik tablodaki yeri; � Günümüzde yarı iletken maddeler adına tarihsel açıdan önce germanyum daha sonra da silisyum gelmektedir. Silisyum artık neredeyse tek kullanılan madde halini almıştır. Bunun nedeni hem doğada çok bulunması hem de germanyum kullanılan durumlara göre daha yüksek sıcaklıklara dayanıklı diyot ve transistör yapılabilmesini sağlamaktadır.

YARI ILETKENLER Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri ;

YARI İLETKENLER � Elektronik elemanlarda en yaygın olarak kullanılan yarı iletkenler germanyum ve silisyum elementleridir. Yarı iletken malzemeler; iletkenlerden 10 -10 defa az iletken, yalıtkanlara göre 1014 defa daha fazla iletkenlerdir. � İki tip katkılı yarıiletken vardır: n-tipi p-tipi

YARI ILETKENLER � n-tipi maddeler silisyum (ya da germanyum) atomlarını negatif yapar. � • p-tipi maddeler silisyum (ya da germanyum) atomlarını pozitif yapar.

YARI ILETKENLER p-n fonksiyon Silisyum ya da germanyum kristalinin bir kısmı p-tipi madde ile diğer kısmı ise n-tipi madde ile katkılandırılır. Sonuçta elde edilen fonksiyon p-n tipidir.

YARI ILETKENLER � p-n jonksiyonunda, n-tipi katmanın negatif yüklü atomları, p-tipi katmanın pozitif yüklü atomları tarafından hareketlendirilir. N tipindeki elektronlar -p maddelerine doğru akar.

YARI İLETKENLER � Tüm yarı iletkenler son yörüngelerindeki elektron sayısını sekize çıkarma çabasındadırlar. Atomlar arasında kovalent bağ germanyum elementine kristal özelliğini kazandırır. Silisyum da özellik olarak germanyum ile hemen aynıdır.

YARI ILETKENLER � Yarı iletkenli elektronik devre elemanlarında daha çok silisyum kullanılır. Silisyum ve germanyum devre elemanı üretiminde saf olarak kullanılmaz. Bu maddelere katkı katılarak değerlik bandı enerji seviyesi yukarıya veya iletkenlik bandı enerji seviyesi aşağıya çekilir. Değerlik bandının yukarı çekildiği yarı iletkenlere P tipi yarı iletken, iletkenlik bandının aşağıya çekildiği yarı iletkenlere ise N tipi yarı iletken denir. P tipi yarı iletkende yüklü boşluk derişimi, N tipi yarı iletkende ise elektron derişimi göreli olarak daha yüksektir.

YARI İLETKEN MADDELERIN ÖZELLIKLERI: 1. 2. 3. 4. İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alır. Normal hâlde yalıtkandır. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hâle geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır. Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına döner.

YARI İLETKEN MADDELERIN ÖZELLIKLERI: 5. Tabiatta basit eleman hâlinde bulunduğu gibi laboratuvarda bileşik eleman hâlinde de elde edilir. 6. Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptir. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. 7. Bu tür yarı iletkenler, yukarıda belirtildiği gibi ısı, ışık, etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli oranda iletken hâle geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleri artırılmaktadır.

DIYOT v Diyot akımın tek bir yönde ilerlemesini sağlayan devre elemanıdır. v P-N jonksiyonu diyot, transistör ve diğer yarı iletken elemanların temelidir. Bir diyot, anot ve katot şeklinde iki ucu olan bir devre elemanıdır.

DIYOT • Diyot, idealde bir yönde akım geçiren devre elemanıdır.

DIYOT İletim bölgesi Kesim bölgesi • Diyot üzerindeki gerilim 0 V’tur • Akım idealde sonsuzdur. • İleri yön direnci RF = VF / IF ile tanımlanır. • Diyot iletimde kısa devre gibi davranır. • Uygulanan gerilim diyot üzerindedir. • Akım 0 A’dir. • Ters yön direnci; RR = VR / IR • Diyot açık devredir.

DIYOT � Bir 1. 2. 3. diyotun üç çalışma durumu vardır: Öngerilimsiz İleri Öngerilimli Ters Öngerilimli

DIYOT 1. Öngerilimsiz � � Dışarıdan bir gerilim uygulanmaz: VD = 0 V Herhangi bir akım oluşmaz: ID = 0 A Çok az miktarda boşluk bölgesi vardır. Öngerilimsiz

DIYOT 2. Ters Öngerilim p-n jonksiyonuna ters yönde harici bir gerilim uygulanır. Ters polarma, boşluk bölgesinin genişlemesine neden olur. n-tipi maddedeki elektronlar pozitif uca doğru hareketlenir. p-tipi maddedeki oyuklar negatif uca doğru hareketlenir.

DIYOT 3. İleri Öngerilim � p-n jonksiyonuna, p ve n katmanları ile aynı yön � � � İleri polarma, boşluk bölgesinin daralmasına neden olur. Elektronlar ve oyuklar, p-n jonksiyonuna doğru itilir. Elektronlar ve oyuklar, p-n jonksiyonunu geçecek kadar yeterli enerjiye sahip olur.

DIYOT

DIYOT Diyot Karakteristik Eğrisi

DIYOT � Bir diyottan iki çeşit akım geçer: Çoğunluk Taşıyıcıları Azınlık taşıyıcı • n-tipi maddede çoğunluk taşıyıcıları elektronlardır. • p-tipi maddede çoğunluk taşıyıcıları oyuklardır. • n-tipi maddede azınlık taşıyıcıları oyuklardır. • p-tipi maddede azınlık taşıyıcıları elektronlardır.

DIYOT Zener Bölgesi � Zener Bölgesi, bir diyotun ters polarma bölgesidir. Zener bölgesinin sınırı aşıldığında, diyot bozulur ve ters yön akım ani bir şekilde artış gösterir.

DIYOT Diyot Türleri: � � � Zener Diyot LED Diyot dizileri

DIYOT 1. Zener Diyot � Zener Diyot, ters polarmada zener geriliminde çalıştırılır (VZ). Genel zener gerilimleri 1. 8 V ile 200 V arasındadır.

DİYOT 2. Işık yayan diyotlar (LED) � � LED diyot, doğru polarma durumunda foton yayar. Bu fotonlar, kızılötesi ya da görülebilir ışık spektrumunda olabilir. İleri yön gerilimleri genellikle 2 V ile 3 V arasındadır �

DIYOT 3. Diyot Dizileri � Bir entegre devre içerisinde birçok diyot yerleştirilerek oluşturulur. Ortak anot yada katot tipleri vardır.

DIYOT Diyot Sembolleri ve Paketleri Anot A kısaltması ile, katot ise K kısaltmasıyla gösterilir.

DIYOT Diyot Kontrolleri 1. Diyot kontrolcüsü; Bir çok dijital multimetrede diyot kontrol özelliği vardır. Diyot devreden ayırılarak test edilmelidir. Normal bir diyot için ölçülmesi gereken ileri öngerilim değerleri: Silisyum diyot = 0. 7 V Germanyum diyot = 0. 3 V 2. Ohmmetre ; Ohmmetre düşük bir ohm kademesine alınır. Doğru polarmada düşük direnç, ters polarmada yüksek direnç göstermelidir.

TRANSISTÖR Transistör sözcüğü transfer ve resistör sözcülerinin bir araya gelmesiyle oluşmuştur. Transistör yardımıyla elektrik sinyallerinin güçlendirilmesi veya anahtar olarak kullanılması sağlanmaktadır. İlk transistör nokta temaslı transistör adıyla anılmaktadır.

TRANSISTÖR Nokta Temaslı Transistör � İlk nokta temaslı transistör germanyum kristali kullanılarak elde edilmiştir. Çalışmanın başlarında temas noktalarını birbirine yakın olacak şekilde yapılandırmak zor olmuştur. Çözüm olarak inceltilebilen altının kullanımı olmuştur.

TRANSISTÖR Bu iki devre bir araya getiri lirse nokta temaslı transistör devresi elde edilmiş olur. İki lamba da yanmakta dır. Bunun nedeni olarak solda ki düz kutuplandırılmış devre yeterli sayıda oyuğu sağ taraf taki devrenin hizmetine sunması dır. Böylelikle transistör yardımıyla sol taraftaki devrenin yardımıyla sağ taraftaki devrenin kontrol edilmesi sağlanmıştır.

TRANSISTÖR � Nokta Temaslı Transistör Sembolü:

TRANSISTÖR Bu ilk transistörler PNP tipinde idi, yani kristal N tipi Whiskerler P tipi idi. Daha sonraları 'Yüzey Temaslı' transistörler yapıldı. . Bu transistörler PNP veya NPN olacak şekilde üç kristal parçası birbirine yapıştırılarak imal edildiler. Yüzey temaslı transistörlerin yapılması ile silisyumtransistörler piyasaya çıktı.

TRANSISTÖR Transistör Çeşitleri İki P tipi madde arasına N tipi madde veya iki N tipi madde arsına P tipi maddekonularak elde edilen elektronik devre elamanına transistör denir. Transistörler, kullanma amaçlarına göre üç çeşittir. � Anahtarlama devre transistor leri � Osilatör devre transistor leri � Amplifikatör devre transistor leri

TRANSISTÖR Transistörlerde yarı iletken maddelerin bir araya getirilmesinde çeşitli metotlarkullanılır. Bu metotlara göre yapılan transistörler üç çeşittir. � Nokta temaslı transistorler � Yüzey temaslı transistorler � Alaşım veya yayılma metodu ile yapılan transistörler

TRANSISTÖR Genelde elektronik devrelerde kullandığımız transistörler yüzey temaslı transistörlerdir. Bu yüzden bundan sonraki konularımızda bu transistörler üzerinde duracağız. Bu transistörler P ve N maddelerinin sıralanmasına göre iki tipte yapılır. Bunlar; � PNP transistorler � NPN transistorler

TRANSISTÖR Transistörün Yapısı ve Çalışması � Transistör imalatında kullanılan yarı iletkenler, birbirlerine yüzey birleşimli olarak üretilmektedir. Bu nedenle “Bipolar Jonksiyon Transistör” olarak adlandırılır. Transistörün temel yapısı;

TRANSISTÖR � BJT transistörler katkılandırılmış P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. Transistörler NPN ve PNP olmak üzere iki temel yapıda üretilir. NPN transistörde 2 adet N tipi yarı iletken madde arasına 1 adet P tipi yarı iletken madde konur. PNP tipi transistörde ise, 2 adet P tipi yarı iletken madde arasına 1 adet N tipi yarı iletken madde konur. .

� Dolayısıyla transistör 3 adet katmana veya terminale sahiptir. Transistörün her bir terminaline işlevlerinden ötürü; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve Kolektör (Collector) adları verilir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilirler

TRANSISTÖR NPN tipi transistör fiziksel yapısı, şematik sembolü ve diyot eş değer devresİ.

TRANSISTÖR PNP tipi transistör fiziksel yapısı, şematik sembolü ve diyot eşdeğer devresi

TRANSISTÖR � Transistörler genellikle çalışma bölgelerine göre sınıflandırılarak incelenebilir. Transistörün çalışma bölgeleri; kesim, doyum ve aktif bölge olarak adlandırılır. Transistör; kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar işlevi görür. Özellikle sayısal sistemlerin tasarımında transistörün bu özelliğinden yararlanılır ve anahtar olarak kullanılır.

Transistör � Transistörün çok yaygın olarak kullanılan bir diğer özelliği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistör aktif bölgede çalıştırılır. Yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarmalandırılmalıdır.

TRANSISTÖR � Transistörün kullanım alanları; Transistör yapısal bakımdan, yükselteç olarak çalışma özelliğine sahip bir devre elemanıdır. Daha yaygın kullanım amacı ise devrede anahtarlama yapmaktır. Elektroniğin her alanında kullanılmaktadır. Dolayısı ile teknolojinin en değerli elektronik devre elemanlarından biridir.

TRANSISTÖR Transistörde Çalışma Bölgeleri � Transistörlerde başlıca 3 çalışma bölgesi vardır. Bu bölgeler; aktif bölge, kesim (cutoff) bölgesi ve doyum (saturation) bölgesi olarak adlandırılır. Transistörün çalışma bölgeleri şekil 1. 7’de transistörün çıkış karakteristiği üzerinde gösterilmiştir. Bu bölgeleri kısaca inceleyelim.

TRANSISTÖR � � Aktif Bölge: Transistörün aktif bölgesi; beyaz akımının sıfırdan büyük (IB>0) ve kolektör-emiter geriliminin 0 V’dan büyük (VCE>0 V) olduğu bölgedir. Transistörün aktif bölgede çalışabilmesi için beyaz-emiter jonksiyonu doğru, kolektörbeyz jonksiyonu ise ters yönde polarm Kesim Bölgesi: Transistörün kesim bölgesinde nasıl çalıştığı şekil yardımıyla açıklanacaktır. Şekilde görüldüğü gibi transistörün beyz akımı IB=0 olduğunda, beyaz-emiter gerilimi de VBE=0 V olacağı için devrede kolektör akımı (IC) oluşmayacaktır. alanır

TRANSISTÖR � Doyum Bölgesi: Transistörün doyum (saturation) bölgesinde çalışma şekil yardımıyla açıklanacaktır. Transistöre uygulanan beyaz akımı artırıldığında kolektör akımı da artacaktır.

TRANSISTÖR � Akım, Gerilim Yönü ve IB Akımı IB : Beyz akımı (dc) Hesaplama IE : Emiter akımı (dc) IC : Kolektör akımı (dc) VBE : Beyz-emiter gerilimi (dc) VCB : Kolektör-beyz gerilimi (dc) VCE : Kolektör-emiter gerilimi (dc)

TRANSISTÖR Kırchhoff Gerilimler Kanunu; VBE=0, 7 wolt(silisyum) 1. Göz için kırchhoff gerilimleri kanunu denklemi; VBB=IB. RB+VBE Buradan IB akımı çekilirse VBB- VBE=IB. RB IB=VBB-VBE⁄RB

TRANSISTÖR ÖRNEK Yukarıda verilen devrede IB akımını bulunuz.

SORUNUN ÇÖZÜMÜ �IB=VBB-VB⁄ RB �IB=5 -0, 7⁄10 �IB=4, 3⁄10 �IB=430μA

HAZIRLAYANLAR � EBRU AKTAŞ � GÖZDE YALÇIN � SULTAN AYİKER � SEVBAL ÇELİK � YÜCEL AYYILDIZ