Ne iletken
ne yalıtkan
Üzerinden geçen elektrik akımına karşı gösterdiği direnç iletken ve yalıtkanlar arasında olan maddelere yarı iletken maddeler denir. Normalde yalıtkandırlar; ısı, ışık, manyetik etki ya da gerilim altında iletken hâle geçerler. Elindeki telefonun içindeki milyarlarca transistör de, çatıdaki güneş paneli de bu tek cümlenin üstüne kurulu.
Üzerinden elektrik akımının geçişine izin veren maddelere iletken maddeler, elektrik akımının geçişine izin vermeyen maddelere ise yalıtkan maddeler denir. Üzerinden geçen elektrik akımına karşı gösterdiği direnç iletken ve yalıtkanlar arasında olan maddelere yarı iletken maddeler denir.
Yarı iletkenler, normal şartlar altında yalıtkan maddelerdir. Dışarıdan ısı, ışık, manyetik etki veya gerilim altında bırakıldıklarında iletken hâle geçebilmektedir ve dış etki kaldırıldığında tekrar yalıtkan hâle dönmektedir.
Bu “anahtar gibi davranma” özelliği elektronikte her şeyin temelidir: bir maddeyi istediğinde ileten, istediğinde iletmeyen hâle getirebilmek demek, 0 ve 1 üretebilmek demektir.
Yarı iletkenler, doğada basit hâlde bulunabildiği gibi bileşik olarak laboratuvarlarda da üretilebilmektedir.
Sık kullanılan örnekler: germanyum (Ge), silisyum (Si), selenyum (Se), bakır oksit (CuO), galyum arsenit (GaAs), indiyum fosfor (InP), kurşun sülfür (PbS). Elektronik sistemlerde en çok silisyum ve germanyum kullanılır.
Yarı iletkenlerin elektron diziliminde, son yörüngelerinde (valans yörüngeleri) 4 elektron bulunmaktadır. Yarı iletkenler, son yörüngelerindeki 4 elektronu 8 elektrona tamamlama eğilimindedir. Bu nedenle yarı iletkenler, kovalent bağ ile son yörüngelerindeki elektron sayısını 8’e tamamlar. Bütün ünitenin kilidi bu sayıdır: 4’ü olan atomun 8’e ulaşma çabası, hem saf kristali hem de katkılama sonucu doğan serbest elektron ve oyuğu açıklar.
Silisyum ve germanyum saf hâlde kullanılmaz. Silisyum ve germanyum başka maddelerle katkılanarak N tipi ve P tipi yarı iletken maddeler elde edilmektedir. Fark tek bir sayıdan çıkıyor: katkı atomunun son yörüngesinde 5 mi yoksa 3 mü elektron var?
Silisyum veya germanyumun arsenik (veya bizmut, fosfor, antimon) gibi son yörüngesinde 5 elektron bulunan bir madde ile katkılanması sonucu oluşturulan kovalent bağda 1 elektronun serbest kalması ile elde edilmektedir.
N tipi yarı iletkenin oluşumunda kullanılan katkı maddeleri elektron çoğalmasına neden olduğundan bunlara verici (donör) denir.
Silisyum veya germanyumun indiyum (veya galyum, bor, alüminyum) gibi son yörüngesinde 3 elektron bulunan bir madde ile katkılanması sonucu oluşturulan kovalent bağda meydana gelen oyuğun (boşluğun) elektron almak istemesi ile elde edilir.
P tipi yarı iletkenin oluşumunda kullanılan maddeler elektron azalmasına neden olduklarından bunlara alıcı (akseptör) adı verilir.
| Ölçüt | N tipi | P tipi |
|---|---|---|
| Katkı atomunun son yörüngesi | 5 elektron | 3 elektron |
| Örnek katkı maddeleri | Arsenik, bizmut, fosfor, antimon | İndiyum, galyum, bor, alüminyum |
| Bağda ne oluşur? | 1 elektron serbest kalır | Oyuk (boşluk) oluşur, elektron almak ister |
| Katkı maddesinin adı | Verici (donör) | Alıcı (akseptör) |
| Sebep | Elektron çoğalmasına neden olur | Elektron azalmasına neden olur |
“N tipi” adı, taşıyıcısının negatif elektron olmasından gelir; madde elektriksel olarak nötrdür. Aynı şekilde P tipi de pozitif yüklü değildir; yalnızca taşıyıcı olarak oyuk davranır. İkinci tuzak da hafızadadır: N → 5 elektron, P → 3 elektron. Kafa karıştıran nokta şu — “P” harfi 3 ile, “N” harfi 5 ile eşleşiyor; sayının büyüğü N’ye ait.
Yarı iletkenlerin katkılanmasıyla oluşturulan P ve N tipi maddeler, tek başlarına kullanıldıklarında elektrik akımını iki yönlü taşıyabildiklerinden elektronik devreler için yeterli olmamaktadırlar. Bu nedenle P ve N tipi maddeler birleştirilerek P-N eklemleri oluşturulmaktadır. P-N eklemleri kullanılarak farklı devre elemanları üretilir: diyot, transistör, LED ve güneş pili.
P ve N tipi yarı iletkenlerin birleşmesi ile oluşan ve tek yönlü akım ileten devre elemanına diyot denir. Diyotun bir yöndeki direnci ihmal edilebilecek kadar küçükken diğer yöndeki direnci çok büyüktür.
Diyot, tek yönlü akım iletmesinden dolayı tek yönlü bir anahtarlama elemanı olarak çalışmaktadır.
Diyotun P kutbuna “anot”, N kutbuna da “katot” adı verilir. Diyotun anodundan katoduna doğru akım gönderildiğinde akım geçişi olmakta fakat tersi yönde akım gönderildiğinde akım geçişi olmamaktadır.
Hafıza kancası: P = anot, N = katot; akım anottan katoda geçer, tersine geçmez. Diyotlar, alternatif akımı doğru akıma çevirmekten devre sinyallerini ayrıştırmaya kadar birçok alanda kullanılır.
Sınavda “P tipi yarı iletken akımı tek yönde geçirir” gibi bir ifade görürsen bu yanlıştır. P ve N tipi maddeler tek başlarına akımı iki yönlü taşır; tek yönlülük, ancak ikisi birleştirilip P-N eklemi oluşturulduğunda ortaya çıkar. Diyot, transistör, LED ve güneş pili — hepsi bu eklemin üstüne kuruluyor.
Aşağıdaki gezginde her elemanın ne yaptığını, hangi enerjiyi hangi enerjiye çevirdiğini ve nerede karşına çıktığını görebilirsin. En kritik ayrım LED ile fotodiyot arasında: biri elektrikten ışık, diğeri ışıktan elektrik üretir.
Elektronik sinyallerin akışını kontrol eden veya devrede anahtarlama elemanı olarak görev yapan, yarı iletkenlerden yapılmış bir devre elemanıdır. Günümüzde kullanılan elektronik cihazların en temel bileşenlerinden biridir.
Diyottan başlıca farkı, 3 yarı iletkenin birleşmesinden oluşmasıdır. Transistörler 2 P tipi ile 1 N tipi ya da 1 P tipi ile 2 N tipi yarı iletkenin birleşmesinden meydana gelir.
Transistörler 22 nanometre, yani saç telinin 5 binde biri boyutundadır. Bir işlemcideki transistör sayısı arttıkça o işlemcinin hızı ve yapabildiği işlem sayısı da artar; 4 çekirdekli yüksek performanslı işlemcilerde yaklaşık 1,7 milyar transistör bulunur.
LED kısaltması, “ışık yayan diyot” anlamına gelen Light Emitting Diode kelimelerinin baş harflerinden meydana gelmektedir. LED bir tür diyot olup LED’lerin devredeki temel görevi ışık yaymaktır. LED’ler farklı renklerde ışık yayabilir.
Akkor ampullere göre avantajları:
LED’ler ekranlardan mekân aydınlatmasına, araç farlarından kumandalara kadar birçok alanda kullanılır.
LED’lerin tersi olarak ışık enerjisini elektrik enerjisine çeviren devre elemanlarına fotodiyot denir.
Fotodiyotlar; alarm sistemlerinde, TV ve müzik seti gibi cihazların uzaktan kumanda aletlerinde, otomatik açılır kapanır kapı sistemlerinde ve otomatik çalışan gece lambalarında ışık algılayıcısı olarak kullanılır.
Üzerine düşen ışık yoğunluğu arttığında direnci düşen devre elemanına fotodirenç (LDR) denir.
Fotodirençler aydınlatma sistemlerinde kullanılır. En sık uygulama alanı sensörlü lamba sistemleridir. Dış kapı zillerinde bulunan buton aydınlatma devresinin içinde de fotodirenç vardır.
İkisi de ışığa tepki verir ama tepkileri farklıdır. Fotodiyot ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirir — yani ışık alınca akım üretir. Fotodirencin ise ışık altında direnci düşer — kendisi enerji üretmez, yalnızca devredeki direnci değiştirir. Kumanda alıcısı fotodiyot, sensörlü lamba fotodirençtir. Üçüncü tuzak: LED de bir diyottur ama işi tersidir — elektrikten ışık üretir.
Güneş pilleri veya fotovoltaik pil, güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır. Güneş pilleri, temel olarak yarı iletken malzemeler kullanılarak yapılmıştır ve genellikle silisyum tabanlıdır. Güneş pilleri N ve P tipi tabakaların üst üste getirilmesi ile elde edilir.
Güneş ışığına maruz kalan yarı iletken malzemelerde, güneş ışığının enerjisi elektronların hareketine neden olur ve fotonların yarı iletkenin valans bandındaki elektronları enerji vererek taşıma bandına (iletkene) çıkarmasıyla gerçekleşir.
Taşıma bandına çıkan bu elektronlar, devre üzerinde bir yük akışı oluşturmak için hareket ederler. Bu akış, güneş pili terminalleri arasındaki devre boyunca gerçekleşir.
Elektronların akışı, güneş pili terminalleri arasında bir gerilim oluşturur. Bu gerilim, elektriksel bir akımın devrede dolaşmasını sağlar. Akım, güneş ışığının yoğunluğuna ve güneş pili tasarımına bağlı olarak değişir.
Bir güneş hücresinin yapısında N ve P tipi yarı iletken maddeler bulunur. Güneş hücresine gelen fotonlar, N tipi yarı iletkenden elektronlar kopararak P tipi yarı iletkendeki elektronların alttan yukarı doğru hareketine neden olur. Böylece N tipi yarı iletkenden P tipi yarı iletkene doğru akım oluşur.
Bu olay, her iki tarafta yük dengesi oluşuncaya kadar devam eder.
Güneş pilleri, ışığı doğrudan elektrik akımına dönüştüren (fotovoltaik) araçlardır. Yarı iletken bir diyot olarak çalışan güneş hücrelerinin bir araya getirilmesi ile modül, panel ve diziler oluşur.
Güneş ışığının taşıdığı enerji, güneş hücrelerinde iç fotoelektrik reaksiyondan faydalanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüşür. Paneller evlerde, işyerlerinde ve endüstriyel tesislerde çatılara veya arazilere monte edilir; ayrıca uzay araçları, uydular ve taşınabilir elektronik cihazlarda kullanılır.
Güneş pilleri, temiz ve sürdürülebilir bir enerji kaynağıdır çünkü güneş ışığına dayanırlar ve yakıt tüketmezler veya sera gazları salmazlar. Bu nedenle güneş enerjisi giderek daha popüler hâle gelmekte ve yenilenebilir enerji üretiminde önemli bir rol oynamaktadır.
Günümüzde güneş enerjisi ile çalışan araba modelleri geliştirme çalışmaları devam etmektedir; bugüne kadar geliştirilen arabaların günlük yaşamda kullanımı pek mümkün olmamıştır. Güneş enerjisiyle çalışan deniz ve hava araçlarının geliştirilmesi de sürüyor. Ülkemizde güneşlenme süresi yeterli düzeyde olduğu için bu enerji kaynağının yaygınlaşması ülke kaynaklarının tasarruflu kullanılmasını sağlayacaktır.
Bu ünitenin konusu kelimenin tam anlamıyla elinin altında. Aşağıdaki dokuz sahnenin hepsi yarı iletken.
Kumandanın ucundaki LED kızılötesi ışık gönderir, televizyonun içindeki fotodiyot bu ışığı elektrik sinyaline çevirir. Yani tek bir kanal değiştirme işleminde ünitenin iki elemanı da çalışıyor: biri elektrikten ışık, diğeri ışıktan elektrik.
Akşam eve girerken kendiliğinden yanan lambanın içinde fotodirenç (LDR) var. Gündüz ışık düşünce direnci düşer, devre lambayı yakmaz; karanlıkta direnci yükselir ve lamba devreye girer. Kapı zilindeki buton aydınlatması da aynı elemanla çalışır.
Prizden gelen elektrik alternatif akım, telefonun bataryası ise doğru akım ister. Adaptörün içindeki diyotlar alternatif akımı doğru akıma çevirir — çünkü diyot akımı yalnızca anottan katoda geçirir.
Reklamlarda söylenen işlemci hızının arkasında tek bir sayı var: transistör sayısı. İşlemcideki transistör sayısı arttıkça hız ve yapılabilen işlem sayısı da artar. 4 çekirdekli yüksek performanslı bir işlemcide yaklaşık 1,7 milyar transistör bulunuyor.
Ders çalışırken kullandığın LED lamba, eski akkor ampule göre daha uzun ömürlü, daha az enerji harcayan ve daha az ısınan bir seçenek. Üstelik ultraviyole ışık yaymaz — göz için de fark eden bir ayrıntı.
Kapının üstündeki küçük kutuda fotodiyot var; ışık algılayıcı olarak çalışıyor. Sen ışının önünü kestiğinde sinyal değişiyor ve motor kapıyı açıyor. Aynı eleman alarm sistemlerinde de kullanılıyor.
O küçük panel bir güneş pilidir: gündüz ışığı doğrudan elektriğe çevirip pili doldurur, akşam LED’i yakar. Panel N ve P tipi tabakaların üst üste getirilmesiyle yapılmış; kendisi de aslında bir diyot.
Hücreler birleşerek modül, panel ve dizi oluşturur. Bulutlu bir günde üretimin düşmesinin sebebi de metindeki cümle: akım güneş ışığının yoğunluğuna bağlıdır. Ülkemizde güneşlenme süresi yeterli düzeyde olduğu için bu kaynak ülke kaynaklarını tasarruflu kullanmaya yarıyor.
Fotoğraflarda gördüğün o geniş mavi kanatlar güneş panelidir. Uzayda yakıt taşımak çok pahalı olduğu için uzay araçları, uydular ve taşınabilir elektronik cihazlar güneş pillerini tercih ediyor. Aynı fizik, senin hesap makinendeki küçük şeritte de çalışıyor.
48 soruluk test · yarı iletkenin tanımı ve geçici iletkenlik, son yörüngedeki 4 elektron ve kovalent bağ, verici ve alıcı katkı maddeleriyle N ve P tipi elde etme, P-N eklemi ve diyotun tek yönlü iletimi, transistör, LED, fotodiyot ve fotodirencin farkları, güneş pilinin üç adımlı çalışma prensibi
Üzerinden geçen elektrik akımına karşı gösterdiği direnç iletken ve yalıtkanlar arasında olan maddelerdir. Normal şartlarda yalıtkandırlar; ısı, ışık, manyetik etki veya gerilim altında iletken hâle geçer, dış etki kalkınca yeniden yalıtkan olurlar.
Ge, Si, Se, CuO, GaAs, InP, PbS. En çok silisyum ve germanyum kullanılır. Son yörüngelerinde 4 elektron vardır ve bunu kovalent bağ ile 8’e tamamlarlar. Kristal yapıdadırlar; atomları kübik kafes sistemine uygun sıralanır.
Si veya Ge’nin son yörüngesinde 5 elektron bulunan bir maddeyle (arsenik, bizmut, fosfor, antimon) katkılanmasıyla oluşur; kovalent bağda 1 elektron serbest kalır. Katkı maddesine verici (donör) denir.
Si veya Ge’nin son yörüngesinde 3 elektron bulunan bir maddeyle (indiyum, galyum, bor, alüminyum) katkılanmasıyla oluşur; bağda oyuk (boşluk) meydana gelir ve elektron almak ister. Katkı maddesine alıcı (akseptör) denir.
P ve N tipi maddeler tek başlarına akımı iki yönlü taşır; bu yüzden birleştirilerek P-N eklemi yapılır. Diyot, P ve N tipi yarı iletkenlerin birleşmesiyle oluşan ve tek yönlü akım ileten devre elemanıdır. P kutbu anot, N kutbu katot; akım anottan katoda geçer.
Elektronik sinyallerin akışını kontrol eden ya da anahtarlama yapan elemandır. 3 yarı iletkenin birleşmesinden oluşur: 2P+1N ya da 1P+2N. 22 nm boyutunda; işlemcideki sayısı arttıkça hız artar.
LED: bir tür diyot, görevi ışık yaymak (elektrik → ışık). Fotodiyot: LED’in tersi, ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirir. Fotodirenç (LDR): üzerine düşen ışık yoğunluğu artınca direnci düşer; en sık sensörlü lambalarda kullanılır.
Güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirir; genellikle silisyum tabanlıdır, N ve P tipi tabakaların üst üste getirilmesiyle elde edilir. Üç adım: fotovoltaik etki → elektron akışı → akım üretimi. Fotonlar N tipinden elektron koparır, akım N’den P’ye doğru oluşur ve yük dengesi kuruluncaya kadar sürer. Hücreler birleşip modül, panel ve dizi oluşturur.