p-n KAVŞAKLARININ ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ

  Şekil 1 . p-n kavşağının oluşturulması ve

                        arınma bölgesinin meydana gelişi.

Arınma bölgesi elektronlar ve boşluklar için bir enerji engeli gibi davranır. Öyleki ne elektronlar ne boşluklar bu enerji engelini aşarak karşı tarafa geçemezler. Dolayısıyla kavşak arınma bölgesi oluştuktan sonra kararlı duruma ulaşır. Bu nedenle enerji engeline potansiyel engeli (potential barrier) adı verilmiştir.Boşlukların    p tipi taraftan n tipi tarafa; elektronların n tipi taraftan p tipi tarafa geçebilmeleri için bu potansiyel engelini aşacak enerji dışarıdan bir kaynaktan, örneğin bir emk kaynağından, onlara kazandırılmalıdır. Ancak bu kez de n veya p tarafının hangi tür gerilime bağlanacağı önem kazanır.

                                    p-n KAVŞAĞININ DOĞRU BESLENMESİ

                                                            (FORWARD BIAS)

            Bir p-n kavşağının iki tarafının bir emk kaynağının uçlarına bağlanması eylemine besleme (bias) adı verilir. Eğer kavşağın n tarafı emk kaynağının negatif terminaline, p tipi tarafı pozitif terminaline bağlanırsa bu besleme türü Doğru Besleme (Forward Bias) olarak bilinir.

Şekil 1.1. Bir p-n kavşağının doğru beslenmesi. Elektrik alandan enerji kazanan boşluklar potansiyel barajını n tarafına doğru aşarak negatif gerilim yönünde; elektronlar ise engeli p tarafına doğru aşarak pozitif gerilim yönünde hareket ederek elektrik akımının devre boyunca tamamlanmasına neden olurlar. Devreden geçen toplam akım elektron ve boşluk akımlarının toplamına eşittir.

            Şekil 1.1. dan görüleceği gibi doğru besleme durumunda elektronlar p tarafına doğru hareketlenerek elektrik alandan enerji kazanırlar ve potansiyel engelini aşarak p tarafında hareketlerine devam ederler. Benzer şekilde p tarafındaki boşluklar da elektrik alandan kazandıkları enerji ile potansiyel barajını aşıp n tarafında hareketlerine devam ederler. Böylece hem elektronlar hem de boşluklar elektrik akımının oluşmasına katkıda bulunurlar. Dolayısıyla devreden geçen akım için

                        i_toplam = i_elektron + i_boşluk                                                     (1.1)

yazılmalıdır.

            Elektrik alan arttırılırsa, başka bir deyişle kavşağın uçlarına uygulanan gerilim arttırılırsa, akım taşıyıcılarının enerjileri artacağından daha çok sayıda elektron ve boşluk potansiyel engelini aşacağından devreden geçen akım şiddeti hızla artacaktır. Bu durum Şekil 1.11. deki akım-gerilim karakteristiğinde gösterilmiştir.

                                    Şekil 1.2. Doğru beslenmiş bir p-n kavşağının

                                                akım-gerilim karakteristiği

                             p-n KAVŞAĞININ TERS BESLENMESİ

                                                             (REVERSE BIAS)

            Bir p-n kavşağına gerilim, n tarafı negatif, p tarafı pozitif olacak şekilde uygulanırsa fiziksel olaylar tamamen değişir.

Şekil 13. Bir p-n kavşağının ters besleme ile beslenmesi. Pozitif yüklü boşluklar negatif gerilime bağlı elektroda doğru; negatif yüklü elektronlar ise pozitif gerilime bağlanmış elektroda doğru hareket ederler ve arınma bölgesi genişler. Akım taşıyıcıların hemen tamamına yakını yeterli enerjiye sahip olmadıklarından bu genişlemiş potansiyel engelini aşamazlar ve devreden akım geçmez.

            p tarafındaki akım taşıyıcılar olan elektron boşlukları pozitif yüklüdür, oysa p tarafı emk kaynağının negatif tarafına bağlı olduğundan boşluklar bu elektroda doğru hareketlenirler. Diğer taraftan n tarafındaki negatif yüklü akım taşıyıcıları elektronlar da n tarafı pozitif gerilime bağlı olduğundan bu elektroda doğru hareketleneceklerdir. Bunun sonucu doğal olarak kavşak bölgesindeki arınma tabakası genişleyecektir, Şekil 1.12.. Bunun anlamı p ve n tipi malzeme kavşağındaki potansiyel barajının değerinin artmasıdır. Dolayısıyla akım taşıyıcılar bu engeli aşmak için daha yüksek enerjilere çıkarılmalıdır. Bu enerji akım taşıyıcılara sağlanamadığından akım taşıyıcılar engeli aşıp hareketlerine devam edemezler ve elektrik akımı oluşamaz. Başka sözlerle, bir p-n kavşağı bu şekilde, ters beslendiğinde, devreden elektrik akımının geçmemesine neden olan bir devre elemanı gibi davranacaktır.

            Elektronların veya boşlukların hepsinin aynı enerjide olmaları mümkün değildir. Belli bir istatistiğe dayalı olarak çeşitli enerjilerde akım taşıyıcıları bulunacaktır. Bunlardan yüksek enerjiye sahip olanlardan bazıları arınma bölgesindeki enerji engelini aşarak diğer bölgeye geçiş yapabilir. Dolayısıyla bunlar bir akım oluşmasına neden olabilirler. Ancak istatistiksel olarak böylesine yüksek enerjiye sahip olan akım taşıyıcılarının sayısı çok çok az olduğundan devreden geçecek akım da çok çok küçük olacaktır. O halde bir p-n kavşağı ters beslendiğinde çok küçük olsa da bir akımın devreden geçmesi yarı iletken kavşaklarda beklenmelidir. Buna göre bir p-n kavşağının  ters besleme durumundaki akım-gerilim karakteristiği Şekil  13. deki gibi olacaktır.

Şekil 1.4. Ters bağlanmış bir p-n

 kavşağının akım-gerilim diyagramı

            Şekil 1.1 ile 1 4 ün karşılaştırılmasından görülür ki, düz besleme halinde devreden geçen akım mA mertebesinde iken ters bağlama halinde A mertebesindedir. Pratik olarak bu nedenle p-n kavşağının ters besleme durumunda akım geçirmediği kabul edilebilir.

            Ters besleme geriliminin arttırılması ilginç fiziksel olaylara neden olur. Ters besleme geriliminin arttırılması ters elektrik alanın arttırılması anlamı taşır. Elektrik alan büyüdükçe elektronların kinetik enerjileri artar ve elektronların çapışmaları artar. Bu çarpışmalar sırasında elektronların birbirlerine aktardıkları enerji artar. Enerjileri kavşağın yapıldığı yarı iletken malzemenin yasak enerji aralığı değerini aşan elektronlar bundan sonra valens bandından iletkenlik bandına sıçramaya başlarlar ve bunların sayısı hızla artar. Böylece iletkenlik bandındaki elektron sayısı giderek arttığından devreden geçen ters yönlü akım da hızla artar. Bu olaya çığ (avalanche) adı verilir.

            Çığ olayının meydana gelmesine neden olan bir diğer etken de alan kuvveti olgusudur. Engel bölgesindeki alan kuvveti, ters gerilimin arttırılması ile artar. Yaklaşık olarak 10⁶ V/cm nin üzerindeki alan değerlerinde, alan kuvveti, elektronları valens bandından alarak iletkenlik bandına çıkartmaya başlar. Böylece iletkenlik bandındaki serbest taşıyıcı sayısı hızla artar ve geçen akım şiddeti çok hızlı biçimde fazlalaşır.

            Akım şiddetinin artması p-n kavşağının ohmik direnci üzerinde oluşan  i²R elektriksel gücünün artmasına ve kavşağın hızla ısınmasına neden olur. Akım şiddetindeki artma çok büyük olduğundan oluşan ısı enerjisi de büyük olur ve kavşak tahrip olur. Bu tür kavşaklardaki maksimum ters gerilim 10 V ile 10 kV arasında, geçen ters akım değeri de bir kaç nA ile bir kaç A arasında değişir.

            p-n Kavşakları difüsyon tekniği veya ince film teknolojisi kullanılarak yapılabilmektedir. Difüsyon tekniğinde n tipi veya p tipi malzeme başlangıç (ev sahibi) malzemesi olarak seçilir. Örneğin n tipi malzeme ev sahibi olarak seçilmiş ise bu malzeme bir metal taban üzerine yerleştirilir, Şekil 1.14.. p tipi malzeme n tipi malzeme üzerine konarak malzemenin difüse olabileceği sıcaklıkta uzun süre bekletilir. Böylece p tipi malzemenin n tipi malzeme içine difüse olması sağlanır. Daha sonra p tipi malzeme üzerinde gümüş boya, buharlaştırma veya ultrasonik çekiç yöntemlerinden biri kullanılarak ikinci metal kontakt hazırlanır.

                                    Şekil 15. Bir p-n kavşağının yapısı

            İnce film teknolojisinde ise metal taban üzerine ince film halinde n tipi yarı iletken vakum buharlaştırma tekniği ile kaplanır. Belirli maskeler kullanılarak ikinci kez p tipi malzeme n tipi malzemenin üzerine yine buharlaştırma tekniği kullanılarak kaplanır ve p-n kontaktı oluşturulur. Bunu takiben p tipi malzeme üzerine yine belirli maske yapıları kullanılarak metal buharlaştırması ile p tarafının metal kontaktı hazırlanır. İnce film teknolojisi ile çok küçük bir alana yüzlerce hatta binlerce p-n kavşağı yapmak mümkündür.

                                          Şekil 16. İnce film teknolojisi ile yapılmış

                                                                 p-n kavşakları

            Yukarıda açıklandığı gibi bir p-n kavşağı düz beslenirse elektrik akımını geçirmekte, ters beslenirse elektrik akımını geçirmemektedir. Buna göre, uygulanan gerilimin pozitif ve negatif bileşenleri varsa, örneğin uygulanan gerilim sinüsoidal gerilim ise, p-n kavşağı p pozitif, n negatif olduğu sürece devreden akımın geçmesine izin verecek, p negatif, n pozitif olduğu sürece devreden akım geçmesine engel olacaktır. Bir doğru akım devresinde ise p pozitif, n negatif gerilime bağlı ise devreden akım geçecek; tersi ise p-n kavşağının bulunduğu koldan akım geçmeyecektir. Akımın devrede tek yönlü olarak geçmesine olanak veren bu düzeneklere diyod adı verilmiştir. O halde bir p-n kavşağı elektronik olarak bir diyod karakteri taşır.

                                    Şekil 1.17. Bir diyodun akım-gerilim karakteristikleri

                                    Düz besleme halinde devreden akım geçerken, ters bes-

                                    leme durumunda devreden akım geçmemektedir. Diyo-

                                    dun uçlarına uygulanan gerilime bağlı olarak üzerinden

                                    geçen akımın değişmesini gösteren bu eğrilere akım-gerilim

                                    (I-V)  karakteristikleri denir.

Yorumlar (0)

Bu icerige ait yorumlari masaustune alabilirsiniz

Yorum Yazin

Adiniz

Email

Baslik

Yorum

eksi not | arti not

Bu yoruma abone ol (Sadece kayitli kullanicilar icin)

Okudum ve kabul ediyorum Yorum gonderim kurallari.

Lutfen resimdeki guvenlik kodunu girin

Yorum Ekleyin