Elektronik - Dr. Serkan Aksoy Elektronik Elemanlar Ders Notları

ffi§,EKT§ğ.üNğK

ffitHh/flANtARI DERS

NoTLARn

Dr. Serkan Aksoy 2012 Revizyon'],.B.7

içiwnnrir,nn ELEKTRoNirc ELEMANLARI

--------_----

1

-_-_----

1

DERS

1

NoTLARI

1

Dr. Serkan Aksoy

1

ELEKTRoNix ELEMANLARI r. r. raRiusnı, crcr,işiıvr

5

1.

----_----6

Elektronik ve Bilgi Çağı 1.2. TEMEL Br,grrnİr DEVRE ELEMANLARI 1.2.1. Direnç 1.2.2. Kondansatör 1.2.4. indııktans 1.2.5.

6 7 7 9

--------------Transformatör--------2. ELEKTRoN ve İyox HAREKETLERİNİN 2.1.

ELEKTRİK Ar-axDA

YAPISI---HAREKET-----___-----

Elektrik Alan Kavraml --------------.2. Elektrik Kuıııet Kavramı

2.1 . 1. 2.1

HAREI(ET Kavramı Kaıramr

2.2. MANYETİK ALANDA 2.2.I.Manyetik Akı Yoğunluğu

2.2.2.ManyetikKuwet

BOHR ATOM

MODELİ--

YAPILAR 3.1. KRiSTALLER---3.

-*--

_____-

14

_--__**_= 14 ----- 15

----------_--,l7 ------------|7

-----Teorisi 3.2. ELEKTRON EMİSYONU-----3.2.1. Termo-ElektronikEmisyon------3.2.2. Foto-Elektrik Emisyon --------------3.2.3. İkincil Emisyon---3.2.4, AlanEmisyonu

----,---"----" 17

3.1.1. Kübik Kristal Geometrisi 3.1.2. Kristallerin Enerji Bant

4.

-------- |2 -------------- 12 --------- 12

-----------__---- 14

KATI

3.3.

-----l2

------- 13

ELEKTnİK errıu KAVRAMI_-----------2.4. ELEKTRİKve MAGNETİKALANDA HAREKET, 2.5.1. Enerjinin Elektron Volt (eV) Birimi

l0 l0

-_--- 13 -------------- 13

2.3.

2.5.

--------------------------

------------------- 18

----------- 18 -------------- 18 -------------- i9

ELEKTRONLARIN İr,rrİnr BANDI DAĞILIMLARI

YALITKANLAR

-------_-

,------,------,20 -------------"--",-20

----------------2|

-------------2|

5.ILETIM----_ 5.1. ELEKTRIKSEL ILETKENLIK BAKIMINDAN KATI MADDELER 5.1.1. Metallerde Iletim

22 71 22

5. 1.2.

Yarıiletkenlerde İletim

')7,

5. l .3.

Yarıiletken Akımı

27

---

5.1.4. Yarıiletkenlerde Üreme ve Birleşmeler 33

5.2.

6.

PROBLEMLER

34

PN JONKSIYONU

6.1.

35

PN JONKSiYONUNDA DENGE DURUMU

---------_-------- 38 1

KARAKTEnİsrix Öz Bcnİsİ

6.3.

PN JONKSiYONUNU

6.5.

LİI.{EERLEŞTiRİLMİŞ EŞ

DEĞERDE\aRE

DiYoT DiRENCİ-6.7. PN JoNKsIYoN KAPASITESI 6.s. ÇIG OLAYI ve ZENER DİYODU---

--------44 -------------44

6.6.

6.9.

--43

-----46

TÜNEL DİYODU

6.10.

DIYOT IIYGULAMALARI

._----------------- 48

----___

6.10.1. Doğrultucular

48

1 0.3. Fotodiyot ---------* 6.10,4. Işık Veren Diyot 6.10.5. Diyot Testi ve Katalog

--

6.

bilgileri

----------------- 50

PROBLEMLER 7. TRANSISTOR 7.1. BİPOLAR JoNKsİyor*r,u TRANSİSTÖR (BıD -7.2. BİPOLAR TRANSİsrönüx ÇALIŞMA İı-xrsİ-_--6.11.

7.2.LBaz (Ara) Bölgesinin Geniş Olması

Durumu-------

7.2.2.Baz (Ara) Bölgesinin Dar Olması Durumu

7.2.3. BJT Emetör Verimi 7.2,4. BIT Taşıma Katsayısı

ORTAK BAZL| DEVRE

62

_*___-64 *64

----

67

--

KÜÇÜKİŞanrr

----

EŞ DEĞERİ

BILGILERI

7.8.

BJT KATALOG

7.9.

BJT SAĞLAMLIK TESTİ

PROBLEMLER 8. ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR 8.1. MoSFET ve BJT TRANSİSTÖnÜxÜx KARŞILAŞTIRILMASI 7.10.

8.2.

66

-------_------------ 68

BİPOLAR TRANSİsrÖn MODELLERİ

7.7.Bxİ

.---_----_- 65

-.----- 67

7.5.1. Giriş Öz Eğrisi 7.5.2. Çıkış Öz Eğrisi 7.5.3. Geçiş Oz Eğrisi -

Ebers-Moll Modeli

------------- 58 59

-----------63

nBvnE

7.4.4.Early Olayı - Etkin Baz Genişliği --7"4.5. Gerilim Kuwetlendirici olarak Ortak Emetörlü Devre

7.6. 1,

--_----------58

62

7.4"1. Ortak Emetörlü Devre Akım Kazancı 7.4"2. Ortak Emetörlü Devre Geçiş Iletkenliği 7.4.3. Ortak Emetörlü Devre Kazanç bağıntılan----

7.6"

57

62

-_

Bağıntıları

ORTAK EMETÖRLÜ

57

61

7.3.1. Gerilim Kuwetlendirici olarak Ortak Bazlı Dewe 7.3.2. Ortak Bazlı Dewe Gççiş Iletkenliği 7.3.3. Oılak Bazlı Dewe Kazanç

7.4.

-----*-.-"52

--- 61

7.2.5. BJ't lleri Akım Kazar,ı;

7.3.

48

MOSFET TRANSİSTÖR

72

-------------74 /5

-------------76

79 __-----_-_-__---------------79 79

8.2,

l. MOSFET Çalışma Prensibi------

8.2.2. MOSFET'de I/DS'nin Etkisi 8.2.4. MOSFET Tanım Bağıntısı 8.2.5. MOSFET Küçük İşaret Eş 8.2.6. MOSFET Katalog Bilgileri

8l

-----

82 84

JONKSIYONLU FET ( JFET) TRANZiSTOR

8.4.

UNIJUNCTION (UJT) TRANZİSTÖR

8.3.1. JFET Çalışma Prensibi ve Kanal Oluşumu -------

Prensibi 8.5. PROBLEMLER 9. ANAHTAR DEVRE ELEMANLARI 8.4.1. UJT Çalışma

9.1. Anahtar Devre Elemanı olarak

BJT

9.2. Anahtar Devre Eleman ı olarak MOS-------9.4.

Diyodu-----

Tiristör

9.5. Divak

Triyak---10. KAYNAKÇA

9.6.

87 90

----

8.3.

9.3. PN-PN

85

Değeri-----

----

91

9l

---_-- 93 ------------- 93

____-__94 97 97 98 98 ----------_--- 99 100 100 101

1.

ELEKTRONIK ELEMANLARI

Elektroniğin gelişimi temelde aşağıdaki gibi gösterilebilir. Elektronik Elemanlar - Direnç, Kondansatör - İndiiktör, Transformatör -

Diyot

- Transistör

Elektronik Devreler -

Doğultucular Kuwetlendiriciler

Eleklronik Sistemler

- AnaloğSayısal Sistemler - Bilgisayarlar

Şekil 1.1. Elektronik Sistemler.

Elektronik devreleri direnç, indüktans, transformatör, diyoÇ transistör vb. devre

elemarüarrndan oluşur. Burüar aktif ve pasif devre elemarılar olarak iki gruba ayrrlrrlar.

Eş değer devrelerinde kaynak bulunan ve devreye enerji veriyormuş gibi düşünülebilen diyot, transistör, entegreler vb. devre elemarüarrdrr.

Akti_f Derı,e Elenıarıı:

Pesif T)eıre EIeıııanı:Eş değer devrelerinde kaynak bulunmayan ve devreden enerji çekiyormuş gibi düşünülebilen direnç, kondansatör, indüktans, transformatör vb. devre elemarüarrdrr.

Devre elemarüarınrn bir başka sruflandırılma şekli ise Tenıel Eleldrik Dezıre Elenıııılrırı ve Elektrtnik Der,ıre EleıııaııIıırı o|arak yapılabilir. Aşağıdaki bölümde öncelikle temel elektrik devre elemanlarrndan bahsedilecekfu . Devre elemarılarr üzerlerinden akan akrm 1 (Amper) ve üzerlerine düşen gerilim 7 (VoIt) arasrndaki matematiksel ilişkiyi belirleyen ve tanıın bağıııhsı olarak bilinen denklemlerle karakterize edilirler.

Tüm elektronik devre ve sistemler, belirli bir amacr gerçekleştirmek üzere ortaya konan matematiksel modeli (işlemleri) belir]i şartlar altında gerçekleştirmek amacr ile tasarlarurlar.

1.1.

TARIHSEL GELIşIM

Vakumlu diyot (ilk elektronik devie elemanr), Fleming 1904. - Triyoğ Forest, 1907, - Vakumlu devre elemanlarr (vakumlu ttipler), 195O'lere kadar. - Transistör (ilk yarıiletken devre elemanı), Bardeen, Brattain ve Shockley,1947. - İlk entegre devre ve hesap makinesi, Jack Kilby, 1958. -

Yarr İletken Devre Elemanlarr Teknolojisi

Uzun ömür Az güç ti.iketimi Küçük boyutlar Seri üretime uygunluk (Düşük maliyet)

Yarı İletken Tüm Devre Teknolojisi (Tümleşik Devre)

Elektronik ve Bilgi Çağı Şekil 1.2. Elektfoniğin kısa tarihsel gelişimi.

1.2.

TEMEL ELEKTRİK DEVRE ELEMANLARI

Direnç Direnç üzerinde belli

1".2.1.

bir gerilim düşümü ile devreden akırn geçmesini güçleştiren (sınnlayan) devre elemanıdrr. R Ohm (O) cinsinden direnç değeri olmak izere, direnç sembolü aşa$daki gösterilmiştir.

RR

q/Vvt-o o--r-}-o Şekil 1.3. Direnç sembolü. Direnç taıııııı bağntı

sı1

V=RxI olarak verilir. Tarurn bağıntısına göre içinden 1 akrmr akan bir R direnci uçlarr arasnda 7 değeriııde bir gerilim düşümü olur. Eğer direnç değeri akrma, gerilime, srcaklığa vb. bağlı olarak değişmiyorsa (yani sabit ise), o zaman bu direnç Liııeer bir devre elemarudrr, Lineer dirençte akan akım, direnç uçlarındaki gerilimin değişimini zamarra (t) göre aynen izleyeceğinden, direnç tarum bağıntısı zamuma bağlı olarak

v(t)=RX,(t) şeklinde genişleülebilir. Direnç akrm ve gerilimi çarplmr olan elektriksel güç (P : V x I Watt) açığa çıkarak, rsrya dönüşüp lıarcaı.ırr. Isrya dönüşen bu güç direnci rsrtarak etrafa yayılrr. Direncin özelliklerini bozmadan üzerinde harcayabileceği ınaksiııııını güç direncin yaprsrno boyutlarına/ _l.sr ya,}/ma yeteneğine vb. bağlı olup aşılmamasr gereken bir değerdir. Brı değerin aşrlmasr irairrtde ıii,enÇ yanarak tafuıp olur. 1.2|l,

|L. Di.renç Çeşitleti

Dirençler temelde üç farkh yapıda olup, bunlar:

1) Karbon film dirençler, 2) Metal veya metal oksit film dirençler, 3) Yarıiletken kullanrlaraküretilen dirençler. Yaygın olarak kullanılan dirençlerin görünümü aşıdaki şekilde gösterilmiştir.

Şekil 1.4. Bazr dirençlerin görünümü. l

Olım Yasası, (1827)

'|.2.1,1.-l.

Varistor

Uçlarındaki gerilime bağlı olarak, direnç değeri değişen elemarüara Valtaja Duyarlı Direnç lzDR) adr verilir. Titanyum oksit vb. maddelerin, çoğurılukta disk biçiminde preslenmesi ile elde edilirler. Bağlantı terminalleri, diske bağlanıp, dşı plasük malzeme ile kaplanır. Diski oluşturan maddenin kristalleri arasrndaki kontak direncinin voltajdan etkilenmesi, varistöre gerilime duyarlr olma özelliği kazandur. (Valiage Dtperıdent Jtesıstor,

V,

V"

*W"" Gq-< Şekil1.5, Gerilime duyarh direnç.

Varistör belli gerilim değeri ve üstündeki değerleri algrlayarak aktif duruma geçer. Gerilim arthkça iletkenliği artar (direnci azalır), gerilim azaldıkça iletkerıtiği azalır (direnci artar). Böylece uçlarrna uygulanan gerilimdeki aşrrrlıklarn etkileri, bir sonraki devre katınr etkilemez. Besleme gerilimi algrlama değeriniır alhnda olduğu sürece, varistör yüksek direnç değerindedir (prıtik alnrık ıs*lıtkıiıı), Varistör enerji sistemlerinde, değişken gerilim kaynağı ile gerilime duyarlr alrcr devreler araslna paralel bağlanarak kullarulrr. 1,2.1.1.2.

Termistör

Çevre §rcl veya üzerinden akan akrmın oluşturduğu rsr sonucu direnç değeri sıcaklıkla değişen devre elemarüarrdır. Sıcaklığrn değişimi ile ilgili olarak direnç değerleri azalan termistörler Negatif Sıcaklık Kıtsayılı {Negatiıe Teııı,perature Coeİficieııt, Nrq ve srcakhk değişimine bağlr olarak direnç değerleri artan termistörler Pozitif Sıcaklık Kntsnyılı (Positirıe T eıııp er n tur e C o effi ci en t, P TC) olarak bilinirler.

_ ^ r--=,--T o# FTı: !H

/

H]

+ L-,

Şekil1.6. Isrya duyarlı direnç. "J,.2

|J..1.3.

Fotoresistör

Çevredeki ışık şiddetine göre direnç değeri değişen devre elemarüarrdrr. Genel görünümü ve devre sembolü aşağıda verilmiştir. (:]adıııitıııı Sulphirle

\ çf]--o

Şekil 1.7. Işığa duyarlı diıenç.

1.2"1.1.4.

*

Memristör

L. Chua tarafindan 1971'de teorisi verilen ve HP laboratuvarlarrnda 2008'de gerçeklenmiş devre elemanrdrr. Menııistör (Memory - Resistor) tarum bağnhsı elemandan geçen yük değişimi ile ilgili olarak Memistans, M(t) = M|q(t)] adr verilen parametre üzerinden

v(t)=M|q(t)Jxi(t) olarak verilir. Eğer yük değişimi yoksa gerilim ve akım arasrnda lineer bir bağıntı vardır. Akımın akmaması durumunda i(t) = 0 iken v(t) = 0 ve M(t) sabit değer a|acağından,hafızaetkisi mevcuttur.

"*@l* Şekil 1.8. Memristör sembolü.

Kondansatör Kondansatör elektrik yükü biriktiren ve C (Farad) kondansatörün kapasitesi olmak üzere biriken,elektrik yüküniin Q (Coulomb), kondansatöriin uçları arasındaki gerilimle orantı]r olduğu bir elemandır. Çeşitli kondansatör sembolleri aşağıdaki şekilde görüldüğü gibidir. 1.2.2.

+Jt ]l- Jt+lt Şekil 1.9. Çeşitli kondansatör sembolleri. Buna göre kondansatörün tanrm bağıntısı

Q=CxV olarak verilir. Eğer gerilim ve yük miktarr zamiına bağlı değişiyorsa, kondansatörün tanrm bağınhsr zarrıarıa bağlı olarak

q(t):Cxv(t) biÇiminde genişletilir. Elektronik devrelerinde büyüklüklerin ölçüIebitirliklei nedeni ile akrm ve gerilim cinsinden ifade edilmesi tercih nedenidir. Buna göre birim zamanda taşrnan yük miktarı akrmr gösterdiğinden tanrm bağınfusı yardrmı ile

dv6(t) . /ı\ dq(t) + tc(t)=; ic(t)=r_ff olarak düzenlenir. Bu bağıntı kondansatör çalışma prensibi hakkında aşağdaki bilgileri verir:

1) 2) 'L.2.2|],.

Kondansatörden akan akrm, uçlarr arasrndaki gerilimin zamana göre tiirevi ile (zamana i: ığlı de ğişinı lıizı) orantıJrdır. Kondansatöre uygulanan gerilim zaman]a değişmiyorsa (DC), kondaısatörden akrm akmaz. Kondansatör Çeşitleri ve Yaprları

Kondansatörler temelde dört çeşit olup, burüar:

1) Stirofleks kondansatör, 2) Seramikkondansatör,

3) Poliesterkondansatör, 4) Elektrolitik kondansatörler. Yaygın kullanılan kondansatörlerin görünümü aşağıda gösterilmiştir.

Stri *t Ö*. ü!rş ı_*t,

Şekil 1.10. Çeşitli kondansatörlerin görtinümleri.

İndüktans Manyetik akı değişikliği bir iletkenin uçlarr arasrnda bir gerilim indüklenmesine yol açar. İndüklenen gerilim manyeük alanrn değişim lrızr ile oranhlrdır. Manyetik alanı oluşturan akrm gerilimiır indükleırdiği iletkenden akmakta ise bu ilişkiye göre oluşan orantr katsayrsrna ındıilttnııs dcğeri,l denilir. Böylece uçlarr arasındaki gerilimin, içinden geçen akrmın zamana göre tiirevi ile oranhlr olmak üzere tanrm bağıntısrna sahip iki uçlu devre elemanı o|an bobiıı Qı ı dı' ikt öı;) tanrml anrr. B obin tarum ba ğrntısı 1.2.4.

vL(t) =

(t\

di, ,_#

olarak veriiir. Bu bağıntı bobinin çalışma prensibi hakkında aşağıdaki bilgileri verir:

i) 2)

Bobiı.jıı_ uçlarr arasındaki gerilirn, bobin,Jen akan akrmm zaınaila göre fJrevi i|ç {,znınına.

arıtı|ıdır, Bobiırden akan akrm zamarüa değişmiyorsa (DC), bobinin uçlarr arasrnda gerilim düşümü oluşmaz. b a

ğ! ı, ıie

ğişiı ı ı i ıı zı) or

Bobin sembolü ve çeşitli görünümleri aşağıda gösterilmiştir.

ir*^: ı:.4

ö

!

o

Şekil 1.11. Iııdüktans sembölü ve çeşitli görüırümleri.

Transformatör Transformatör giriş ve çıkrş kapıları arasrnda gerilim ve akrm dönüşümü yapmayl sağ|ar. ve n2 sarlm sayrlarr olmak üzere transformatörün tanrm bağıntısr 1.2.5.

U2 L1 U1 L2

TL2

n1

olarak verilir. Transformatörün sembolü ve çeşitli görünümleri aşağıda verilmiştir.

10

n1

at)*;_. _;"/r(i)

ğıH *,-§|ry.,-

Şekil 1.12. Transformatör sembolü ve çeşitli görünümleri.

Transformatörlerin kontrol, emniyet yalrhmlr, iç fazlı vb. çeşitli modelleri mevcut olmakla beraber, elektronik devre uygulamalarr bakmından en yaygn olarak kullanrlaru PCB ttirü transformatörlerdir. L.2.5.7. Baskrlr Dewe Kartr Türü Transformatörler

Baslcilı T)ezıre .Kartı (Pinted Circuit Board, PCB) tiirü transformatörler plastik bir kutu içerisine

aş etkenlere karşr Yerüeştiiiümlş döküm ma_lzemesi ile doldurulmuş nem, toz, darbe korunan 0.5 VA ile 16 VA arasrnda değişik güçlere sahip iğne şeklindeki "U. ayaklar ile baskılı devre kartlarırra kolayca yerleştirilebilen devre elemarılarrdrr.

Şekil 1.13. PCB transformatörleri genel göriinümü.

ELEKTROI§ ve İYoN HAREKETLERİNİnı 2.1. ELEKrnix ALANDA HAREKET

2.

Elektrik Alan Kawamr Hareketsiz elektrik yüklerin oluşturduğu stntik elelttrik

yar,ısı

2.1"1.

E(V

/m) =

(elektrostatik) ılaıı2

7a

on*ii

formülü ile tarumlanır,

4

yükü (Coulomb)

Şekil2.1. q yükünün oluşturduğu elektrostatik alan çizgileri. 2.1.2.

Elektrik Kuwet Kawamr

tteKlrlK A.lan, L

Şekil 2.2. q yüküne etki eden elektrostatik kuwet. Elektrostatik Kuwet, F(Newton) = qE

Elektrik kuwet etkisi altında kalan m kütlesine sahip q yükü belirli bir ivme kazanrr. Bu durumda kuwetle ivme arasrnda aşagrdaki bağıntı geçerli olur. F = qE

=md=*#=*Ü{.

Buna göre uo ilk hrzına sahip bir elektronunu hareket denklemleri Kartezyen koordinatlarında ilk konumu xg,lg,zg olmak üzere aşağıdaki gibi ifade edilebilir.

x=vort*xo ,

2

y=-+Et2 /.m

Coulomb Yasası (1785) 12

+vout+yo

,

z=vaz+zo

Örnek: Hidrojen Atomu

Pozitıf yüklü çekirdek ile negatif yüklü elektrorüar arasında Coulomb yasasl gereği çekme kuweti mevcutfur. Elektron v lrıızı ile dönüyorsa, yöriingede katabilmesi için aşağıdaki eşitliğin sağlanması gerekir. (e : -1.602 x 10-19 Coulomb, m = 9.11x 10-31 kg)

- e yüklü

elektron

Elektronun yöriingesi

* e yüklü çekirdek Şekil2.3. Hidrojen atomu yaprsr.

lFl 2.2.

=

I e2 regrz

mvz

r

MANYETIK ALANDA HAREKET

Manyetik Akı Yoğuniuğu Kavramr Sabit hızla hareket eden (znıııına göı,e d"eğişıneyeıı) elektrik yüklerinin (sabit DC akım) oluşturduğı st atik ınnııyetik (ııııııı1 etostatik) alanı 2.2.1.

biçiminde verilir.

Şekil2.4. Sabit akım akan bir telin oluşturduğu manyetostatik alan (Sağ el kuralı). 2.2.2.

Manyetik Kuwet Kavramr

Şekil2.5. İetken bir tele etki eden manyetostatik kur,,vet.

F =IdIxpoH 3

Biot-Savart Yasasr (1820-1821) 13

2.3.

ELEKTRIK AKIMI KAVRAMI

N: Hareketli taşıylcl yoğunluğu

q: Bir taneciğin eleldrik yükii

Toplam Yük:

Şekil 2.6. A kesitli bir telden geçen elek

Q:qANxdl Akım taşıyıcrlarrn bir yüzden diğer yüze ulaşmalarr için geçen sire, dt -J+ _ u, -;

dl

olmak izere, birim sürede geçen yük miktarına eşit olan elektrik akrmr değeri,1

' Q 2+=AdMql + '-a-odü-"-"''rüü olur [i?.aııııı"

1Ç3r}].

I:ANqv

Bu durumda 1dJ birim elemanrna etkiven toplnın ıııaıııleiilt kuazıet, F

F =,4NqvBdlsin(u) olacağından, tek bir yüklü taneciğe etkiyen kuvvet ve ivme, d

P=qvBsin(a)=qixB =

a=+:a drm

6rE1

olacaktrr. Manyetik kuvvet (ae iame) hem lırz, hem de alan vektörüne diktir. Bu nedenle Luzın büyüklüğü (yami taneciklerin kineük enerjisi) değişmez.

2.4.

ELEKTRİK ve MAGNETİK ALANDA HAREKET

Yüklü tanecikler elektrik ve manyetik alanrn birlikte olduğu ortama girerse, elektrik ve manyetik kuwetin birlikte etkisi altında kalrrlar. Bu ku,ı,,vetler aşağrdaki gibi gösterilebilir.

F=n+F^:*#; 2.5.

- dr' L(E+l"B\ *1

dt'

nI

'

)

BOHR ATOM MODELI

Rutherford atom modelinirr, elektronlarrn ayrık enerji dağılımına sa}rip olmasr, atom]arın kararlrlrğı (elektronun atoma düşmenıesi) ve elektron yörüngesi yarlçapl hakkında slruI belirtmemesi vb. çeşitli yetersizlikleri Planck'ın Kuantum teorisini kullanrlarak Niels Bofu tarafindan 1913'de Bohr atom modeli ile ortadan kaldırilmrştıı. Kuantum teorisine göre Kuanta 14

denilen bir birimin tam katlarr olarak elektron enerji yörtingeleri meydana gelir. Enerjinin bilinen birimlerinden farkh olarak bir kuanfum enerjisi seviyesi frekansrn fonksiyonu olarak

E=lıf gibi verilir. Burada ğ kuanfum enerjisini (Joule), h Planck sabitini, 1)

/

frekansıru (Hz) gösterir.

Bir atom sadece belirli enerji durumunda bulunabilir. Böyle bir atomun elektronlarının yörünge yarrçaplarr açrsal momentumunun tam katlarr (n değerleri) ile ilgili olarak nh mvrh _-+

2ır

nh 'n 2ırnıv ' "ı1

biçiminde belirli yarıçap ve enerji değerlerine sahiptir (k = 2)

2n2k2meo

n'h'

I/

ııercg).

Elektron söz konusu yörüngelerden birinde kaldığı sürece ivmeli hareket yapnrasrna rağmen, hiçbir enerji yayma veya alma olayr meydana gelmez. Ancak elektronlar mevcut yörüngelerden birinden diğerine slçrarsa oluşacak radyasyon frekansr

ı Er-E, J: h

olarak bulunur. Burada kalite faktorü Q çok yüksek olduğundan, L/f = I/Q^f ilişkisi gereği, yüksek doğrulukta atomik saat'in temellerini oluşturur.

Enerjinin Elektron Volt (eV) Birimi 1 eV' |ıık enerji bir elektronun bir volt]uk bir potaırsiyel farkının kat etmesi için gerekli enerji olup 1.6 x 10-19 Joule'e eşrtnr (Hidrojen atomu içın eV brimi n = L iken Et 13.6 eV bulunur). Tek bir elektron çok düşük bir enerji'ye sahip olmasrna rağmen küçük bir akrmrn akmasr için bile çok sayıda elektron gerektiğinden eV birimi bu ttir olayların ifadesi için uygundur. Atomların elektron-ları belli enerji seviyelerine sahip olan kabuk ve alt kabuklara belirli kurallar ile yerleşirler (Shrodinger dalga denklemi çözümü). Bu durum ana ve alt kabuk yapılarr biçiminde aşağıda verilmiştir (Atom nuftMrası = Elektron Sayısı), 2.5.1.

Ana kabuklar:

Alt kabuklar:

1s2

2s2 ,

2po

3s2

4s2

^6 Jp

4pu

3d10

4d10

4f4

Tablo 2.1 Ana ve alt kabuk yapdarı.

a

Atomun büyilklügü yaklaşık 10-rı m ikerı, evrenin büyüklüğiiniin 1028 m civannda olduğu tahmin editnektediı. l5

Örnek: Silisyum IV- grubu atomu: 14 elektronlu: 1s2 zsz 2p6 3s2 3p2 valans elektronları

"'A

içsel kabuklar

Ş

eki| 2.7 " Silislıu11 atomun un elektron

d

ağrlrrrrr.

İçsel kabuk elektronlarr atoma çok srkı bağlanmış olup kolayca atomdan ayrrlmazlar. Çekirdeğe en yakrn elektronlar çekirdeğe en srkı bağlı olarüardrr. Atomun son yörüngesindeki elektronlar zıalaııs elektronları olarak bilinir. Atomik yapısında kabukları ve alt kabukları tamamen dolmuş olan Srıy.gıız gibi elementler (He, Ne, A ab.) kı.rnrlı bir yapı oluştururlar. Silisyum, Germanyum vb. ise son kabuklarr tamamen dolmamrş elementler olup yarıiietkeıı atomlarr olarak bilinirler. Gerçekte atom çekirdek ve elektron bulutundan oluşur. Çekirdek ve elekhorüar arasındaki kuwetler eiektı,oırıanyetik teori ile açıklanrr. Buna göre aralarındaki 1,ı,-iig!li5i;ıg| aralarındji ..tesafeiür i,,isi İle aza\ıp, aralarında aluır-,-.73i;len büyüklükler fotonlardır5.

s Çekiıdek 10-1a m civarlannda büytiklüğe sahip olup, nötron ve protondaı oluşuı. Burüar aralannda çekidek kuwetleri ile bağlrdırlar. Aralarında alınrp-verilen büyükliik piyorıiardır. Proton 10-15 m civarııda büyüklüğe sahip olup, kuarklardan oluşur. Kuarklar aralannda güçlü etkileşme ile bağlr olup, ara_laıındaki potansiyel aralarındaki nıesafenin karesi ile

artar.

_J.6

3.

KATI YAPILAR

-

Katı yaprların atomlarr aşağrda gösterildiği gibi üç farklı biçimde srralanmış olabilir.

,;;;-. .6-ı-},-. ,r:;;. ,;;;; ı ı..O

(ü iti.,{ö, _O, ,1,3-t

Ifuistal Yapı

Poli-kristal Yapı

Amorf Yapı

(Düzenli)

(Düzensiz)

Şekil3.1. Çeşitli Katı Yaprlar. 3.1.

KRİSTALLER

Atomlarr düzgün bir şekilde srralanmrş katı cisimlere kristal denilir. Kristal yaprda atomlar birbirlerine kimyasal olarak bağlanmıştır. Atomlar arası bağlar;

Kuvvetli bağlar - Iyonsal Bağlar

1)

- Koaalan BağIar -

Metalsel Bağlar

2} 7ayrt -

bağlaı

Geçici Kutuplaşma

Yarriletkende atomların birbirlerinin elektrorüarını ortak kullanrmr nedeni Lle kovglaıı tıağtnr mevcutfur. 3.1".1.

Kübik Kristal Geometrisi

Kristal geometrileri Kübik, Tetragonal, Ortorombik, Monoklinik, Hekzagonal vb. olabilir.

b)

a)

Basit Kübik yapı

Merkezi Kübik yapı

Şekil 3.2. Kübik kristal geometrisi.

L/

Şekil3.3. Silisyum ve Germanyumun kristal geometrisi yapsı. 3.1".2.

Kristallerin Enerji Bant Teorisi iüetim Bandı q

Yasak Band (6 e7) (^

valans Bandı

rİ]

Şekil3.4. Elmas kristali için enerji bantlarr (Yalıtkanlara benzerdir). 3.2"

ELEKTR.ON EMİSYONU

Bir katı maddenin serbest elektronlarından enerjisi yeterince yüksek birinin veya bazrların:n yaplyı terk ederek katı madde yüzeyinden çrkmasr olayına elektı,aı eıııisyoııu (sı'iııııını) adı verilir. Bu olay aşağıdaki gibi çeşitli yollarla meydana gelir.

Termo-Elektronik Emisyon Termo-Elektronik emisyonda yüzeyden çıkan elektrorüarın oluşturduğu akrm yoğurüuğu, /

3.2.1.

J:a,T2ei

(A/ınr)

malzemeye bağlı bir katsayı, T Kelvin olarak srcaklrk, k = 8.62 x 10-5 eV /"K olarak Boltzmann sabitini, ğ ise malzeme çrkrş enerjisini gösterir.

olarak verilir. Bu deırklemde

q,

Herhangi bir yolla rsrtrna

Şekil 3.5. Termo-Elektronik emisyon. 18

3.2.2.

Foto-Elektrik Emisyon

\

Şekil 3.6. Foto-Elektronik emisyon.

/ frekanslı bir elektromanyetik rşlrum]n foton

enerjisi:

Enerji = hf olmak izere, Foto-elektrik emisyon şarh:

hf >W olarak verilir. Eşik frekansı

f

(Hz) ve Eşik dalga boyu 7 (m)

).:

= "

)u

hc W

--} Jf: Jef

:

W h

burada c = 3 x 108 m/sn şrk hrzınr göstermektedir. Yüzeyden çrkan elektronların kineük eneriilerinin frekansla değişimi asağıda göstcrilrniştir.

I,

-my 2o

.fo

Şekil 3.7. Yüzeyden çıkan elektrorüarın kinetik enerjilerinin frekansla değişimi.

79

S.Z.3.

İkincil Emisyon

Katı bir maddenin yüzeyine hrzlandrrrlmış elektrorüar çarptığında (en az 20 - 30 eV enerjiye sahip) yüzeyden elektronlar çıktığı görülür. Bu olay aşağıdaki gibi çeşitli sebeplerden meydana gelebilir: - Gelen elektrorüardan bir bölümü yüzeyden yansrr.

- Gelen elektronlardan bir bölümü yüzeyden içeri girdikten sonra çarpşmalarla yön

değiştirerek tekrar dqarr çıkarlar.

- Gelen elektronlardan bazrları enerjilerini

yapıdaki elektrorılara vererek onların

drşarı çrkmasna neden olurlar.

Bir çeşit elektronik emisyon olan bu olaya ikiııcil eırıisyoıı adr verilir. Bu prensip kullanilarak aşağrda gösterilen ve çoğaltmalı tiip adr verilen cihazlar yapılabilir.

V3)V2)V1 Şekil3.8. Çoğaltrnaiı foto ttip. 3.2.4.

Alan Emisyonu

İüetken

bir yizey üzerindeki elektrik alan şiddetı ynzey negatif olmak üzere 709V/m

mertebesine ulaşhrrlrrsa, iletkendeki serbest elektronlar koparak elektron emisyonu meydana getirirler. Alan emisyonunda akım yoğurüuklarr çok yüksek değerler alabilir. Sivri uçlardan elektriksel boşalmaların daha kolay meydana gelmesi olayr, alan şiddetinin sivri iletken uçlarrnda çok yüksek değerler almasr nedeni büyük değerlere ulaşan alan emisyonunun bir sonucudur.

3.3.

ELEKTRONLARIN ILETIM BANDI DAGILIMLARI

İletim bandındaki elektronlar kristal yapı içerisiırde serbest hareketleri esnasrnda enerjileri sürekli değişerek dolaşırlar. Enerjisi bilinen bir yerin, bir elektron tarafndan doldurulmuş olma ihtimali için Feııııi Fnktİ,ijyıden, F (ğ)

F(E)' =

I + g(E-Ei/kr

formülü ile yararlarulır. Burada E enerjisi bilinen bir yer için enerji değeri, Ep Fermi enerji seviyesi, k Boltzman sabiti, Z ise Kelvin cinsinden sıcaklık değerini gösterir. F(E) değeri 0 ile 1 arasında olup; 0 olmasr E enerjisindeki yerin boş olnınsıııı, 1 olmasr ise dolıı olınasını gösterir. Ep Fermi enerji seviyesi yaniletken elektroniği için referans bir büyüklük olup büyük önem taşır. Özel olarak 0 derece Kelvin sıcaklığında F(E)

E)Er E)Er

F(E)

=

I*e*

1 + F(E)= 1+r*

değerlerini alır. Fermi enerji seviyesi has yarriletken]erde yasak bandu,ı ortasnda, N tipi yarriletkenlerde yasak bandın ortasrnrn biraz yukarrsında ve P tipi yarıiletkerılerde yasak bandın ortasrnrn alhndadır. 4.

YALITKANLAR Yalıtkanlarda elektron]arrn serbest elektron haline geçmeleri için çok yüksek enerji

gerekmekte dit. (Örneğiıı; SiOz_(K.ııwı) içir," 8 eıl), Bu neden]e yalıt}ıai-Jarin oda sıcaklrğirrda serbest elektron yoğurüukları düşük ve dolayrsr ile özgül dirençleri çok yüksektir. Yalıtkan]arın enerji bant dağılımı aşağıda gösterilmiştir. I]etim Bandı ö

0)

Yasak Band

aJ

U) k

0)

E

Şekil

valans Bandr

4. 1 .

Yalıtkarıların enerji bant d ağılrmı.

21

s.

iıEriivt

İüetim (akım akıtma) çeşitli ortamlarda şu şekilde sağlanrr.

. vakum: Elektron hareket kurallarr geçerli olup elektronlarla. -

Vakumlu tüpler.

. Gaz: Gaz atomlarının iyonlaşmasl ile ortaya çrkan pozitif iyonlar ve elektroııIarla.

-

Gaz|ı gerilim regülatörü tiipleri, Gaz|ı doğrulfucu tiipler, - Yüksek güçlerde anahtar olarak kullanrlan tiratron tiipleri.

. srvrlarda: İnorganik bileşiklerin çözürrerek iyonlaşmasryla oluşan pazitıf ve negatif iyonlarla. . Kahlarda: Elektronlarla -

5.1.

Kah hal elektroniği elemanları.

ELEKTRİKSEL İıarxgNLİK BAKIMINDAN KATI MADDELER

Aşağıda maddeler iletim mekanizmalarr ve iletkenlik dereceleri birbirinden farklrdır. 1. İletkerüer 2. 3.

Yarriletken]er Yalıtkanlar

Metallerde İletim Metallerde dış kabuk elektrorilarınn çekirdek ile bağları çok zayıf olduğundan dış etki ile (rsr, rşrk vb.) bu elektronlar kolayca koparak kristal yapı içinde serbest ve rastgele dolaşan bir elektron gaz bulutu oluştururlar. Elektroırların elektik alan etkisi altında hız kazrıarak sürüklenmeleri sonucu oluşan akrma sı'irı,ikJeıııııe ıskıını adıverilir ve 5.1.1.

ü -- *pE olarak ifade edilir. Burada ü (m/s) ortalama sürüklenme lıı.zıtıı, p Çmz /Vs) mobiliteyi (hareket yeteneği), E elektrik alarıı (V /m) gösterir. Formülde ki negatif işaret elektronların a|ana zıt hareketini simgeler. Mobilite akrm taşryrcrlarrn hareket yeteneği olup malzemenin cinsine ve sıcaklrğa bağlıdır. Dış etki ile elektron kaybederek pozitıf iyon haline dönüşen metal atomlarr kristal yapıda sabit yerde kaldıklarından akrm iletimine katkılarr yoktur. Metallerde akım iletimi sadece elektrorılarla sağlanrr. 5.1.1.1. Metallerde Atoınik Yapr ve Enerji Bantlaır

Metal atomlarr son yörüngelerinde tek elektron bulunduran bakır vb. atomlardrr. Metallerin atomik yap61 aşağıda gösterilmiştir.

22

Şekil 5.1. Metallerin atomik yapısl.

Iletirn Bandı

o 0.)

>, ,a O

Va]ans Bandı

Cn

L (]

tr

t!

Şekil 5.2. Metaller için enerji bantlarr.

Metallerde iletim bandı ile valans bandr iç içe geçmiş olduğundan/ son yörüngelerindeki elektronlar ısr, rşrk vb. bir dş etki ile kolayca kopartılabilir. Yarriietkenlerde İletim Silisyum (Sü, Germanyum (Ge) vb. elementler yarıiletkenler olup bunlarda valans elektronun serbest elektron haline geçmesi için gerekli dış enerji (ısı, ışık zb.) sıcaklık|a aza7ır (Örneğin; Si:1.2LeY, Ge:0.7BeV). Özel olarak ayrıca/ Garyum Arsenid (GaAs) ve Garyum Fosfid (GaP) vb. bileşik kristallerde yardletken özelliği gösterirler. Yarriletkenlerde iletim olayı dış etki sonucu yarriletken atomunun son yörüngesinden kopan elektroıılar ve yerinden kopan bir elekfuonun yerinden ayrrlmasr sonucu meydana ge|en eleltran noksaıılığ nedeni ile o yerde bir pozitif yükün varlığı şeklinde yorumlanabilecek delik adıverilen sözde pozıtıf yüklerle sağlarur. Delikler de elektronlar gibi bu boş elektron yerlerinin komşu atomlardan alınan elektronlarla doldurulmasr sonucu rastgele hareket ederler. 5.1.2.

5.1.2.1. Elektron - Delik Cifti Kavramr

Şekil 5.3. Silisyum atomlarınrn birlikte bulunmalarr. 23

Yarıiletkenlerin iki ana çeşidi mevcuttur: 1) Has yarıiletkenler 2) Katkılı yarıiletkerüer -

N tipi yarıiletken_ler P tipi yarıiletkenler

Yaygın olarak kullanrlan yarriletkerüerin periyodik tablodaki yerleri aşağıda verilmiştir. ıV C

Zı

Cd

si

,.{l

[ia Iiı

Gc

Da

As Sb

§c ']'e

Tablo 5.1. Yaygın yarıiletkenlerin periyodik tabloda yerleri. 5

|l""2.Z. Has Yarriletken

Has yarıiletkenlerin atomlarrnda valans elektron]arı yeterli dış enerji ile

ışık

vb.) uyarrldığında yerlerinden koparak serbest elektron haline dönüşürler. Elektrorüarın serbest elektron haline geçmeleri için gerekli enerji yarriletken maddenin cinsine bağlıdır. Drş uyarrlma sonucu yerinden kopan elektronun o yerde meydana getirdiği elekkon noksarürğr o yerde bir (rsr,

pozitıf yük etkisi oluşturmuş gibi yorumlanarak sözde pozltıi yüklü kabul edilip delik olarak adlandrrrlrrlar. Has yarıiletkerüerin elektron ve delik sayıldfl TLi ve p; ile gösterilir. Has yarriletken için atomik yapı aşağıda gösterilmiştir.

Şekit 5.4. Has yarıiletken için atomik yapı. Yirre has yarıiletken için enerji bant dağılımı aşağıda gösterilmiştir,

Iletim Bandr Yasak Band

o

0J

valans Bandı

(.)

(r) L 0,)

t!

Şekil5,5. Has yarriletken enerji bant dağılımı. aA

5.1.2.3. Aı -

Tipi Katkılı Yarıiletken Fosfor Atomu

Fosfor atomu nedeni ile oluşan fazla

elektron Elektron Si Atomu

Şekil5.6. Beş elektronlu "Fosfor" atomu katkılanmasr (Veren atomlar). 5.1.2,3.1.

Pozitif YükIü İyon Oluşumu

N tipi yarıiletkenlerde Fosfor atomu katkıIanması ile oluşan serbest elektron ve pozitif yüklü iyonlardan başka rsrl uyarmalar nedeni ile delikler ve elektronlar da mevcuttur. Böylece N tipi yarıiletkerü

er

de ah ın

t

a

şıyıcıl ar,

- Çoğunluk Taşıyıcılar: Elektronlar, n - Azınlık TaşıyncıIar: Delikler, p

olarak mevcuttur. Bu durumda belirli bir srcaklrk için N tipi yarıiletkende

nP=niPi=T7 formülü geÇerli olacaktır. I{aikıl*i,.jikitiit sonra Fosftr,. ıi,-ıırıu Li, elckirrrl vermiş olacağındary sistemin dengede olabilmesi bakrmından + yüklü iyon haline dönüşür. Yine N tipi yarıiletken için enerji bant dağılımı aşağıda gösterilmiştir.

+1

pozitif

yüklu Fosfor iyonu

Şekil 5.7. Pozitif yüklü hareketsiz iyon oluşumu. iletlm Bandı o 0J

a

Yasak Band

0J

u]

valans Bandı

qJ

Şekil5.8. N tipi yarriletken enerji bant dağılrmı. 25

5"1.2.4. P -

Tipi Katkılr Yarriletken Delik

Alüminyum Atomu

YElektron

->

Si Atomu

Şekil 5.9. Üç elektronlu Alüminlum atomu katkılanması (Alan atomlar) 5.1.2.4.1,.

Negatif Yüklü İyon Oluşumu -

l negatif

yüklü Alüminyum iyonu

Şekil 5.10. Negatif yüklü hareketsiz iyon oluşumu. A]j!.pip.n11n

atomu i Inss veyaVgg >> Ç olduğundan 16 akrmr yaklaşık olarak aşağıdaki gibi yazıIabilir. IB

=

,Igg,e-Vrı/Vr

BIT Emetöt Verimi BJT'de hakim elektron akrmr lB,-'nin toplam emetör akrmr /E'ye oranffra eınetör z,eriıııi, (yr) denilir ve

7.2.3.

_ !", _( r, -Wu ., lF IE-l I l Z,

Do N,, )-'

p,N*)

l

olarak hesaplarur. Emetör veriminin ideal değeri olan bire yaklaşmasr için,baz bölgesi genişliği (I4l3) mümkün olduğu kadar dar ve emetör katkı yoğunluğu baz katkı yoğunluğuna göre mümktin olduğu kadar çok yüksek olmasr gerektiği (Nıa

'

I veVgB ))

Ç

Fr*|'

olduğundan, /g yaklaşık olarak

I_=I'u, DD

_vEB /Vr

"

biçiminde yazılır. Ortak emetörlü devrenin giriş akrmı olan bu akrm ortak bazlr devrenin giriş akrmr olan emetör akrmr ile karşrlaştrrrlrrsa Pp kadar daha küçük olduğu görülür. Bu tiir devrelerde transistör için çıkış gücü P = VcrIc ile hesaplanr. 7.4.2. Ortak Emetörlü Devre Geçiş İtetkeırliği

Ortak emetörlü devrede için giriş gerilimi olan Vnr'nin çıkrş akrmnr olan

yeteneği arüamı gelen 5eçiş ileikeııliğ aşağıdaki gibi ifade edilir.

16.'yi

kontrol etme

Sr=

Irg ^Ic

l,b

Vr

^V-^

Ortak Emetörlü Devre Kazanç bağrntrlarr Gerilim Kazancı, Ky: AV", K,,=J=-o^_R,, " LVrs Akım Kazancı,K1: AI. Kı =;} = Bp : hpr Als Güç Kazancı, KG: Ko= KnK, =-g,&Fr 7.4.3.

7.4.4.Early Olayr - Etkin Baz Genişliği Normal kutuplanmrş ortak emetörlü devrede 16'nin daha öncede ifade edildiği gibi Vgg bağımlrlığı

l" =Pe-vrs/vr PF olarak ifade edilir. Bu bağınhda gerçekte tıkamada kutuplanan C-B jonksiyonunun baz akrmr üzerindeki etkisi ihmal edilmiştir. Aslında C-B jonksiyonunu trkama yöniinde kufuplayan 763 gerilimi artrrrlrrsa bu jonksiyonun geçiş bölgesi genişlikleri artar. Dolayısr ile etkin baz genişliği aza7ır (Fakirleşmiş bölgenin baz içinde kalan bölümtiniin genişliğinin artrnasr nedeni ile). Farklı 769 gerilimleri için etkin baz genişliğinin değişimi grafikte gösterilmiş olup, buna göre Vçg'nin daha büi.ük değerleri için (I/632 > l,c".) baz bölgesinde etkin baz genisliüi aza|,,r. Yani tı]lvcul

Şekil 7.11. Farklı 766 gerilimleri için etkin baz genişlikleri.

Gerilim Kuı.vetlendirici olaıak Ortak Emetörlü Devre Ortak emetörlü devre kollektör kolu üzerine bir yük direnci konularak kuwetlendirici olarak kullanılabilir. Bu durumda Ygg giriş geriliminde oluşan 4769 değişimleri giriş ve çrkrş 7.4.5.

akrmlarrnda da 416 ve 416 kadar değişimlere yol açar.

Ing+hIı

Vcc

VagQ

Şekil7.12. Gerilim kuwetlendirici olarak ortak emetörlü devre.

Ortak emetörlü devrede B-E jonksiyonu geçirme yönünde kutuplanmş iken, C-B jonksiyonunun trkama yönünde kutuplanmasr gerekir. Bu tiir kutuplamaya noııııal kıtııpiııııa (nktif çıiışıııa bölgesi) denilir. Ortak emetörlü devre normal kufuplama bölgesinde kuvvetlendirici olarak kullanılabilir. Normal kutuplamann sağlanabilmesi için Vcg ) Vsı(VcıGot)) şarh sağlanmalıdr. Aksi ha|de V6g 1Vgg(V6gçrot;) iken BJT do!ıma bölgesinde çal.şil,ı-.ı ıii*1,: licr iki jonksiy,-,n ıia 5cçiı,iitt^. i,,öııiiflde kutuplanmışhr. Simetril 1000 V) çalışacak şekilde güç elektroniği uygulamalarrnda da (M E S F ET) kullanılmaktadrrlar. MOSFET'Ierin yapımlarında kullanılan yarıiletken maddenin türüne bağlı olarak,

. .

N kanallr MOSFET (NMOSFET) P kanallı MOSFET (PMOSFET)

olmak üzere iki tiirlüdürler. NMOS transistörün genel, üstten ve yandan olmak üzere üç farklr görünümü aşağıda verilmiştir. Geçil 6ç1

Kanı[

{ğ.}

Şekil

Aİ{irİi

8.3. N M

Yol$

O S

F

K*ynük

(.

ET genel görünümü.

KaLn oksit ınce

oksit

B Taban

Şekil8.4. NMOSFET üsffen ve yandan görünüm. 80

Şekile göre; P tipi katkrlanm§ ve taban (sııhstrate} adı verilen silisyum üzerine iki ayrı N tipi bölge katkılanmştır. Bu bölgeler arasrnda kalan P tipi bölge ise yüzeyi çok ince (50 ile 100 nm) ve yüzeyin geri kalan krsrmlarr daha kalın (birkaç mikrometre) olan bir yalıtkan tarafından (genelde silisyunı dioksit) kaplanmştır. Geçiş Oksidi denilen bu ince tabakarun üstü metal bir tabaka ile kaplanarak N ve P tipi bölgelerle fiziksel bağlantı sağlanmşhr. Geçit bölgesi üzerindeki metal tabakaya Geçit (Gate), N tipi difüzyon bölgelerin birine Kaynak (Source), diğerine ise Kanal (Drain) adr verilir. Bun]aı srrası ile G, S ve D harfleri ile gösterilirler, Kanal oluşfurmalr ve ayarlama|ı NMOSFET ve PMOSFET sembolleri gösterilmiştir.

J" 'l. ı

Kanal ayarlamalr

N M OSF

Kanal oluşturmalr

ET

NM

OS

F ET

J, ı

ı,

{ Kanal ayarlamalr

PM OSF

ET

Kanal oluşturmalr

ö PM

O SF

ET

Şekil 8.5. Kanal oluşturmalr ve ayar|amalı NMOSFET ve PMOSFET sembollerı.

MOSFET Çalışma Prensibi MOSFET'\n .S ve D uçlarr arasına örneğin D pozitıf olacak şekilde bir doğru gerilim uygulandığında normalde seri bağlı PN jonksiyorüarından bili tıkama yönünde kufuplanacağında herharrgi bir akrm akmamasr gerekecekür. Fakat durum bu kadar basit olmayıp D-S arasrndaV; geçit gerilimi ile kontrol edilebilen bir akrm akması mümkündür. Bu akrmın akmasrnrn nedeni geçide uygulanan gerilimin pozitif değerleri için P tipi tabanda azınlrk taşryrcrsr olan elektrorıların geçide (yüzeye doğru) çekilmeleri sonucu bu bölgede elektron yoğurüuğunun artarak, alan etkisi ile oluşan ince bir N bölgesinin S ve D arasrnda bir rıkıın kana.lı (iletinı yoJı.ı) oluşfurmasrdrr. Böylece yarıiletken bir yüzeyin alan etkisi altrrıda tip değiştirmesine ezıiı,tiııı (inzıersiorı) olayı denilir. Evirümin olduğu (akmın aktığı) en küçük geçit gerilimi Vı,ı|e gösterilip eşik geriliıni adınr alrr. 75 geçit geriliminin farklı değerlerinde MOSFET'in farklı davranrşı aşağrda açıklanmştır. 8.2.1.

a) Geçit geriliminin negatif durumu

(Yc < 0). Tabanda çoğunluk durumundaki delikler yüzeye doğru çekilip yüzeyde çoğurıluk taşryrcrsr say§l (delik sayısr) belli bir po denge değerinin üsttlne çıkar. Kanal akrmr teoride srfir olup gerçekte trkama yönü akımr kadar bir akrm akar. Bu durum yıfulıııa (accıııııulatioıı) olarak bilinir.

b) Gecit geri]iminin değerinin azalhlması durumu: Negatif Vc'rdr. değeri sıfıra doğrıı

küçüldükçe yığılma azalarak belirli bir geçit gerilimi değerinde p = po şeklinde delik 81

saylsl denge değerine ulaşrr. Bu gerilim değerine MOS transistörün düz brıııt geiiiıni, Vpg denilir. 7p6 değeri negafif olan bir gerilimdir. c)

Geçit geriliminin düz baı-ıt geriliminden pozitif bir gerileme doğru arhrılmasr durumu: Bu durumda delikler yüzeyden itilirler ve yoğurüukları denge değeri pg'nun altna düşer. Y nzey de falçrleıııi ş ütjJgı: oluşur.

d)

Geçit geriliminin daha da poziüf değerlere ulaşması durumu: P tipi tabanda azırıJık durumunda bulunan elektron]ar yizeye çekilerek çoğunluk durumuna geçerler. Böylece evirtim olayı meydana gelerek S ve D arasında akrm akmaya başlar. Akrmın aktığı geçit gerilimi V7,- ile gösterilir ve eşik geriliıni olarak bilinir. Eğer eşik gerilimi değeri daha faz|a artırılacak olursa bu durumda kanal genişliği artarak akrm akmaya devam edecektir. Aşağıda D-.§ geriliminin belli bir değeri için kanal akrmrnın G-.S gerilimi ile değişimi verilmiş olup bu tiir grafikler MOSFET geçiş öz eğrisı adınr alır. MOSFET için kanal akrmının (/p) geçit gerilimi (IZ5) ile değişimi aşağıda gösterilmiştir.

Şekil8,6. MOS?'E'r (1o

-Ve)

değişimi.

MOSFET'de l/25'nirı Etkisi MOSFET'de aşağıda gösterildiği gibi S'nin B'ye bağlı olduğunu ve G'ye eşik geriliminden daha büyük bir gerilim uygulandığı düşünülsün (Vcs kanal genişligine etki etmektedir).

8.2.2.

1,,

Kanal oluşumu ve akrm akmasr

Şekil 8.7. Doğru polarlanmış MOSFET. V

ns = 0 ; Kaynakla kanal arasrnda kalırüığından dolayı iletkerüiği V6 lle belirlenen bir kanal oluşacaktrr. Bu durumda Vp5 pozitıf yönde arhrrlmaya başlanrrsa, bu gerilim değeri ve kanal direnci ile oranhlr olarak yukarrda grafikte görüldüğü izere 1p akrmr akmaya başlar. 82

Şekil 8.8. Doğru polarlamada Vas = 0 için kanal.

Vp; aıtınlmaya deııam edilirse: Akrmın 765 ile de$şiminin lineerliğinin bozulduğu ve akrmrn 7p5 ile artış eğiliminin küçüldüğü görülür. Bunun nedeni kanalr oluşturan etkin gerilimin S ucunda 765 değerinde olmasına karşın, kanalın D ucunda Ves - Vos değerine .,,düşmüş olmasrdrr. Buna bağlı olarak kanal kalırrlığın:n azalmasr kanal direncinin artmasına ve akrmrn 725 ile artma eğiliminin azalmasrna neden olur.

G

+

ı

Şekil 8.9. Doğru polarlamada l/as

yönde Vo arttıkça

fakirleşmiş bölge artacağından, kanal

kısılır.

)

0 için kanal.

fazla artınlmaya dezıanı ederse: Belli bir yerde kanalr oluş!ıran D ucunCaki geriiimin cieğeri azalarak eşik değerine eşit oiı_ir. Bu durumda kanairrt D ucunciaki genişliğinin değeri srfir olur. Bu olaya kaıınl lçısılnıızsı denilir. Zp5'nin bu ve daha büyük değerlerinde evirtim tabakasr ortadan kalmış olmakla beraber, fakirleşmiş bölge içerisinde enine elektrik alanrn etkisi ile akrm akmaya devam eder. Akımın değeri krsrlman-ın başladığı andaki değerine yaklaşık olarak eşit kalır. 1p akrmrnın 7p5 gerilimi

Vp5 d.aha da

ile artmasının durduğu bu bölgeye doynıa bölgesi denilir.

Doyma böIgesi içinde Vp5 arttıkça: Ip akırnı başlangıcındaki değerinde sabit kalmayıp gerilimle biraz artar. Bunun nedeni D-S uzaklığı L0 pm'den az olan transistörlerde daha

belirgin olup, kanal direncini belirleyen evirtim bölgesi boyunun krsrlma başlangıcından itibaren 725 arthkça krsalmasr dolayısı ile kanal direncinin küçülmesine yol açmasrdrr. Aşağıda eşik geriliminden büyük herhangi blı VGs gerilimi için /p kanal akımınn 7p5 ile değişimi verilmiştir. Bu eğriye BJT benzeri biçimde çıkış öz eğıisi adı verilir. Yine farklı 755 gerilimleri için /p kanal akrmınrn 7p5 ile değişimi aşağıdaki gösterilmişür.

83

I- Lineer Bölge II-Kanal profilinin bozulması nedeni ile lineerliğin bozulması III- Doyma bölgesi

ı

ı:i a"'

Şekil 8.10. Farklr Vç5 gerilimleri için (In 8.2.3.

- Vıs)

değişimi.

MOSFET Çeşitleri

Bu bölüme kadar kanal oluşturmalı NMOSFET davranışlarna göz ahlmıştrr. 8.2.3.1. Kanal Ayarlamalı

MOSFET

I/cs = 0 iken iletim kanalrnrn varolduğu ve vcs gerilimi ile bu kanalın iletkenliği ayarlanabildiği için transistörlere kana| aıla,r!a.nı.ı.lı. {ııcıııı.ı!lı1-orı veya deyıletion type) MOSFET adı verilir. 8.2.3.2. Kanal Oluşturmalr

MOSFET

NMOSFET kanal bölgesi katkr yoğunluğuna, geçit oksidi kaluılığına vb. bağlı olarak eşik geriliminin pozitıf olmasr mümkündür, Böyle bir transistörde Vcs = 0 iken kanalr bulur,:nadığından ve kar,ıalr ar_rcak 765 geriliıni eşik geriliminden iıüyük clrnasr durumunda oluşacağından dolayr kaıınL alııştıın,nalı (ııırrnnlly-oft veya erıLınrıceyne nt type) M aSFgT adr verilir. NMOSFET gibi PMOSFğT'in de kaııal. ayı,rlaıııııIl ve knııııi. t.rluşttırnıall. olrnak üzere iki farklı tiirü vardrr. Bu iki tiir içinde eşik gerilimleri srrasl ile pozitif ve negatif değerler alır. NMOS için bu durum aşağıda gösterilmiştir,

Şekil 8.11. Kanal ayarlamalı ve oluşturmalı NMOSFET

84

(Ve

s

-

12) karakteristiği.

8.2.4.

MOSFET Tanrm Bağıntrsr Vs:0

Şekil 8.12. MOSFET yaplsı.

MOSFET'*e kaynak (S) elektrodu referans olarak alınan tabana bağlanarak 7s = 0 yapılsrn, Şekilden anlaşılabilecegi gibi FğT kısılma öncesi durumda çalışryor olsun. Kanal bölgesinin boyu l, genişliği ise w ile gösterilsin. Bu durumda ı-y koordinat sisteminde kanalm dy uzunluğu ve dx kalnüığında birim parçasının iletkenliği

dc(y) =

o** ay

olarak verilir. Burada o özgil iletkenlik olup, ortamdaki taşıyrcı yoğunluğuna n(x, y) (NMOS için elektron yoğunluğu) bağlı biçimde o = qpnn(x,y) olarak ifade edilir. Böylece Jr =ıi sabit olmak üzere dy ıazıırılığundaki kanalırı birim parçasının iletkenliği G(y) = olur. 3urada Q; kanal parçasrnrn yüzeysei Q,

_y+g ay

;,ul< 1,ogurılu

olup

=-Co,|Vor-V*-V(y)]

olarak yazılır.Burada C6, geçit elektrodu olup yarriletken taban arasında oluşan kapasitif etkiyi göstermek izete, kana] akımı /p ile gösterilirse, kanal parçasrnn uçlarr arasrndaki gerilim düşümü yardrmr ile 1p kanal akrmr aşağıdaki gibi hesaplanabilir.

av :

rfiı "

=

-wF,Qi# =

I ody

:

wpnCo,fvo,

-4o -VQ)]dV

Yukarrda kanal boyu 0'dan l'ye kadar değiştirilirse,V(y) gerilimi 0'dan Vp'yekadar degişir. Bu bilgi kullarularak kanal akımr hesaplanırsa Io =

B[,r* -

vrn)vos

-}ulr]

burada P = (w/l)unCorve Cor= €or/Xox= sabi"t olmak ijzere, eo, oksidin dielektrik katsayrsr, xo* geçit oksidinin kalırılıgr olmak ij.zerc B transistörün yap§rna bağlı bir sabit bir katsayıdır.

85

8,2.4,1. Kısrlma Olayının Ip Kanal Akrmrna Etkisi

Hesaplanan 1p bağıntısr kanal boyunca evirtim tabakasrnırr varlığı (krsılmanrn olmadığı) varsaylml ile çrkartılmışhr. Eğer 725 arhrrlrrsa V1.5 = Ves - Ç7, değerine ulaşhğrnda kanal krsrlmaya başlayarak daha büyük 7p5 gerilimleri için kısrlma bölgesi genişler. Bu durumda krsrlmarun başladığı Vns = Vcs

ID-

OfrV",

1

-

l'71 için kanal akrmr

-Vrn)' - ;ZJL(Vcs -

_ı:

Vrn)'

|

1

;

B

Q",

-

Vrn)'

I» =

1^(Vcs

1B

-

Vrn)"

olarak bulunur. Kanal bir noktada krsrlmasına rağmen Vp'ıin daha büyük değerleri için de aynr değerini koruyup akrmaya devam eden bu akıın doyırıa ızkıııı, Io = Insat olarak ta bilinir. Bağıntıya göre 1p akrmr Zp5'den bağrmsızdır. Buna karşın gerçekte /p akrmınrn Vp5 ile azda olsa değiştiği bilinmektedir. Bu durumu kanal boyu modülasyonu parametresi (,tr) olarak bilinen parametre kapsamında Io =

1

1B

Vo,

-

Vrn)' (1 + LVDI)

olarak formüle edi]ir. Burada Early olayrna benzer şekilde

.

7:

1/Vı olarak taıumlrdrr.

Knıı.a\ııı Var Olına Şarh:

MOSFET akrm-gerilim eğrisinin srfirdan geçmemesi nedeni 7le Vp5lV77 durumu

oluşabileceğinderç kanal var olmayabilir. Kanalın her zaman var olmasr için gereklilik, yeterli sabit bir gerilimin sağlanmasıdır. Eğer Vcs - Vns 2 Vrn + Vos S Vcs - V77 şaı.tı olabilecek en büyük 7p5 gerilimi için sağlarursa, kanal krsılmasr olmaksrzm daima var olacakhr. . MOSFET Direııç Etkisi: Kanal bölgesinde evirtim oluşmuş bir MOSFET'de, S-D uçlarr arasrnda oluşan direnç etkisinden bir devre elemanr olarak faydalanılrr. Bu direnç etkisinin lineer olmayan karakterinin sakrncalı olmadığı bir takrm sayrsal ttim devrelerde yaygın olarak kullarumında geçit ucunun da uygun bir gerilime bağlanmış olmasr gerekir. Direnç olarak kaıınl clııştuıaı.alı MOSFET kullarırlryor ise, geçidini kanala bağlayarak bir direnç olarak kullanrlmasr mümkündür.

Şekil

8.

l3. Kanal oluşfurmalı

M 0

SF

85

ET' in direnç olarak kullanımı.

Bu durumunda Ve = V» (Ves =

Vo) t

Vp;

2 V6 -

V77

bağınblarr geçerli olacağmdary do}ıma bölgesinde calrşan MOSFET kanal akrmr,,I2 ,o

:|PV"s -

Vrn)z

olarak verilir. Burada özel olarak Vp5 1V71- şartr nedeni ile kanal oluşmayacağından /2 akrmr da akmayacaktrr. MOS dirençlerin önemli bir diğer tiirü de kaııal nyarlrııııalı MOSFET ile gerçekleştirilir. Burada 7çs = 0 için kanal mevcut olduğundan, G ve 5 ucu birbirine bağlanarak VGs = 0'a karşı düşen çıkış öz eğrisi elde edilir. Bövlece oluşarr direncin diğerlerinden farkr doyma bölgesinde değişken işaret direncinin çok büyük olmasıdrr.

V»s

Şekil 8.14. Kanal ayarlamalı MOSFE7'in direnç olarak kullanılması. 8.2.5.

MOSFET Küçük İşaret Eş Değeri

Ç çaişına r"ıoktasında i.u

1 olduğu takdirde transistörlerin akrmları alabilecekleri en büyük değere sürekli olarak yükselirler ve sonunda doymaya girerler. Bu durumunda elemarun uçlarr arasrndaki gerilim birinin Vııçsatl gerilimi ile diğerinin Vcrçsatl geriliminin toplamına eşit olup, Vn6 gerllirni 1 v mertebelerindedir. Bu durumda devreden akan akrm ,

_V -Vu, R

V

-R

değerinde olup R direnci ile sırurlandrrrlmrştrr. Buna göre elemanın tıkalı durumdan iletim durumuna geçebilmesi için hpglhprz ) I şartırun sağlanması gerekir. PN - PN diyodunun akım-gerilim karakteristiği aşağıda verilmiştir.

Şekil9.5. PN

- PN

diyot akım-gerilim karakteristiği.

PN - PN diyodunun tıkama durumundan iletim durumuna geçmesi transistörlerden birinin akrmına dşarıdan müdahale edilerek sağlanabilir. Örneğin bu amaç için jonksiyonlara dışarrdan ışık gönderilerek elektron-delik çiftlerinin uyarrlmasr ile akrm artrşı sağlanan

elemanlara IşıkUyarınnlı Analıta.r (Light Actizıated Switch - LAS) adr verilir.

9.4.

Tiristör

PN - PN diyodunda akrm artışr transistörlerden birine drşarrdan akrm verilerek sağlanrrsa, böyle bir elemana Tiistor (Silicon Controlled Rectif.er, SCR) denilir. PN - PN diyodunda eğer bir uçtan dış etken olarak 151 akrmr akrtrlrrsa, bu akrm nedeni ile ilk transistörun hp6 değeri artacağından sistem iletime geçer, Bu şekilde tiristörün akrmınrn kesilebilmesi için I/a6 geriliminin 7g geriliminde daha küçük bir değere düşürülmesi gerekir. Bu özellik nedeni ile tiristörler AC devrelerde anahtar devre elemaru olarak kullaırlmaya müsaittirler. Tristor eş değer devresi ve devre sembolü aşağıda gösterilmiştir.

99

Şekil 9.6. Tristor

eş değer devresi ve devre sembolü.

Diyak Akım gerilim değişimleri

9.5.

PN - PN diyodu gibi olan iki tane elamarun ters paralel bağlanması ile oluşan elemana Diyak denilir. Diyaklar genelde düşük güçlü olup Triyak ve transistörlerin tetiklerrmesi için kullanrlrrlar.

Şekil 9.7. Diyak yaplsl ve sembolü.

9.6.

Triyak

Diyak elemanına tıl.ııktrcıt ilave edilerek elde edilen devre elemaı:rra Triyak adı verilir. Triyak iki yönde de akrm iletebilir ve geçit akrmr hem pozitif hem negatif değerlerde tetiklenebilir. Bu özelliği nedeni ile triyaklar kuwetli akım tekniğinde motor|ardalıız kontrolü, direnç özelli$ gösteren yüklerde güç konfuolü vb. uygulamalarda kullanrlrrlar.

Jl J2 J3

T,

Şekil 9.B. Triyak yapısı ve sembolü.

10.

KAYNAKÇA

Physicsof Semiconductor Devices, S. M.SZE,2"a Ediüon, John - Wiley & Sons Lıc.,1981. 2. Elektronik Elemanları, Duran LEBLEBİCİ, İrÜ Yayııı,1993, İstanbul. 3. Tranzistorlar, C. 1, D. Le CROISETTE, Duran LEBLEBİCİ, Yıtdız LEBLEBİCİ, İTÜ Yayınr, 1.

1989, İstanbul.

Analog Elektronik Devreleri, Duran LEBLEBİCİ, İlÜ Yayınr,2001, İstanbul. 5. Yarıiletken Devre Elemanların:n Temelleri, E. Yang (Çeviren: Y. Leblebici), Ytice Yayırüarr, 4.

2008. 6. Elektronik, M. Sait 7. Ramo S., (1939),

lÜR«ÖZ, Birsen Yayınevi,

2004.

Currents induced by electron motiorL Proceedings of the I.R.E., 27-9,584-585.

Lo,ı Öı Lglili{is:,rı

Ho İ:,:

*'i,iE,lr,,.*

Lı, l

,f ;

ii:

1r,l,},, :',,, ı:.J,-'; ı, {-'

101