Yarı İletkenler Nedir?

Her Şeyden Önce Yazıya Bir Giriş Yapalım

Yarı İletkenler nedir? Yarı İletkenler hakkında yeterli bilgiye sahip misiniz? Eğer sahip değilseniz doğru yere geldiniz. Bu yazımızda yarı iletken nedir? sorusuna cevap aramaya ve bulduğumuz cevapları sizlerle paylaşmaya çalışacağız. Eğer hazırsanız yarı iletkenler dünyasına giriş yapalım.

Öncelikle burada olan bilgileri anlayabilmek için ön bilgiler gerekmektedir. Bu bilgileri şu yazımızdan öğrenebilirsiniz: https://www.mekinfo.net/elektronik-teknolojisine-giris/

Elektronik, elektronları ve diğer elektrik yüklü parçacıkları yönlendiren cihazları tasarlamak, oluşturmak ve çalıştırmak için fizik prensiplerini inceleyen ve uygulayan bir bilim ve mühendislik disiplinidir.

https://tr.wikipedia.org/wiki/Elektronik

Bu elektronlar ve diğer elektrik yüklü parçacıların kontrolü ise Yarı İletken adı verilmiş olan kimyasal maddeler ile sağlanır. Konuya giriş yapmadan önce Yarı İletken kavramının tanımını gerçekleştirelim.

En basit tanımıyla yarı iletken, kendi halinde yalıtkan olan ama dışarıdan müdahale ile iletken haline gelebilen madde olarak tanımlanabilir.

Önce Silisyum Ve Germanyum Atomlarını Tanımalıyız

Piyasada özellikle bu iki maddeden üretilmiş olan elektronik devre elemanlarına rastlayabilirsiniz. Bu nedenle bu maddeleri anlatmak istiyorum.

Özellik	Silisyum (Si)	Germanyum (Ge)
Atom No	14	32
Atom Kütlesi	~28,08 u	~72,63 u
Grup / Periyot	14. Grup / 3. Periyot	14. Grup / 4. Periyot
Yaygın İyon Hali	Si4++	Ge4+,Ge2+

Atomlardan Sonra Atomik Bağ’ı Tanıyalım

Atomik bağ, atomları bir arada tutarak molekülleri veya kristalleri oluşturan fiziksel ve kimyasal kuvvettir.

-Gemini

Bağ Türü	Oluşum Biçimi	Gücü	Örnek
İyonik	Elektron transferi	Çok yüksek	Tuz (NaCl)
Kovalent	Elektron paylaşımı	Yüksek	Elmas (C), Su (H2 O)
Metalik	Elektron denizi	Değişken	Bakır (Cu), Demir (Fe)
Hidrojen	Dipol etkileşimi	Zayıf	Kar taneleri, DNA yapısı

Yine de Kovalent Bağ elektron akımında kritik rol aldığı için bu konuya parmak basmak istiyorum. Bu yüzden kelime anlamını öğrenmeliyiz.

Açıklamak gerekirse: Kovalent bağ, atomlar arasında elektron çiftleri oluşturmak için elektronların paylaşımını içeren kimyasal bağdır. Bu elektron çiftlerine paylaşılan çiftler veya bağ çiftleri denir ve atomlar arasında elektronları paylaştıklarında çekici ve itici kuvvetlerin kararlı dengesine kovalent bağ denir. Nihayetinde birçok molekül için elektronların paylaşılması her atomun kararlı elektronik gruplaşmasına denk gelen tam değerlik kabuğunun eşdeğerine ulaşmasına olanak tanır.

https://tr.wikipedia.org/wiki/Kovalent_ba%C4%9F

Kovalent Bağ, kuşkusuz elektron akımı için önemlidir. Bu yüzden kovalent bağ şu şekilde açıklanabilir:

• Her şeyden önce, atomlar bu bağ ile bir kristal yapı oluşturur.
• Yani bu kristal yapı saf halde iken gayet dengelidir.
• Ardından bu dengeli durumda olan kristal yapı kendi halinde zayıf akım iletir.
• Ardından bu zayıf akım durumunu dışarıdan müdahale ile kontrol edebilmek için kristal yapı içerisine farklı atomlar eklenir.
• Son olarak bu ekleme işlemi yapıldıktan sonra oda sıcaklığında (20 – 22°C) görece düşük bir voltajla elektron kopması sonucunda elektronların kontrolü ve dolayısıyla akım kontrolü sağlanır.
• Sonuç olarak Kovalent Bağ, diğer bağlara nazaran dengeli bir biçimde olduğu için tercih edilir.

Sonra Elektron ve Oyukların İletimi Göze Çarpar

Kelimelerin tanımı olmadan, anlam olmaz ve dolayısıyla sağlıklı bir okuma tecrübesi olmaz.

Açıklamak gerekirse: Elektron, eksi bir temel elektrik yüküne sahip bir atomaltı parçacıktır.

https://tr.wikipedia.org/wiki/Elektron

Açıklamak gerekirse: Oyuk, elektron eksikliğinden dolayı çıkan boşluktur.

https://barakli.sakarya.edu.tr/sites/barakli.sakarya.edu.tr/file/h1.pdf

Açıklamak gerekirse: Valans Bandı, bir atomun son yörüngesi olarak tanımlanır.

https://www.megep.meb.gov.tr/mte_program_modul/moduller_pdf/Elektri%C4%9Fin%20Temel%20Esaslar%C4%B1.pdf

Açıklamak gerekirse: İletim Bandı, elektronların uyarıldığında değerlik bandından yukarı sıçrayabildiği elektron orbitalleridir.

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Conduction_band

Elektron-oyuk çifti, valans bandında oluşan boşluğu yani oyuğun ve bu boşluğu dolduracak olan serbest elektronun oluşturduğu çifte denir.

Yazarın Kendisi

Özetle: Maddeye dışarıdan fiziksel değişiklik uygulanır. Bu değişiklik sonucunda atomun valans bandında olan elektron serbest elektron haline gelir. Bu nedenle bu serbest elektron haline gelen elektronun ardında boşluk oluşur bu boşluğa oyuk adı verilir. Bu oyuğa başka bir serbest elektron gelir. Sonuç olarak bu oyuğa gelen elektron yine serbest elektron olur ve bu döngü maddeye uygulanan fiziksel etki durana kadar devam eder.

İletimden Sonra Elektron ve Oyukların Akımı Vardır

Kesinlikle söyleyebilirim ki elektronlar eksi yüklü atom altı parçacıklardır. Her ne kadar elektrik akımı artıdan eksiye gider denilsede bu doğru değildir. Aslında tam tersi bir durum vardır. Diğer bir deyişle: Eksi kutupta elektronlar vardır ve dolayısıyla artı kutupta elektronlar yoktur onun yerine oyuklar vardır.

Sonuç olarak; yarı-iletken madde içindeki serbest elektronların bu şekilde negatif kutuptan pozitif kutba doğru hareketine elektron akımı denir.

Oyukların Akımını açıklamak gerekirse: Oyukların Akımı, serbest elektronların yakınlarında bulunan oyukları doldurmak için yapmış olduğu harekettir.

Genel anlamda şu şekilde açıklanabilir:

Özellik	Elektron Akımı	Oyuk Akımı
Taşıyıcı Türü	Negatif yüklü gerçek parçacık	Pozitif yüklü boşluk
Enerji Bandı	İletim Bandı (Yüksek Enerji)	Valans Bandı (Düşük Enerji)
Hareket Yönü	Elektrik alana zıt	Elektrik alanla aynı yönde
Hız	Yüksek	Düşük
Bağ durumu	Tamamen serbest	Atomlar arası bağlara bağımlı

O Halde Maddelerin Enerji Diyagramlarına Bir Göz Atalım

Özetle ifade etmek gerekirse madde enerji diyagramı, elektronların bir katı içindeki hareket kabiliyetini ve enerji limitlerini çizen stratejik bir kuantum haritasıdır.

Bu yöntem bir maddenin neden elektrik ilettiğini veya iletmediğini bilimsel olarak açıklamak için kullanılır.

Ayrıntılı bilgi için: https://tr.wikipedia.org/wiki/Enerji_seviyesi

Mesela N-Tipi ve P-Tipi Yarı İletken Nedir?

Yarı iletken maddeler, saf hallerindeyken pratik uygulamalarda genellikle yeterli işlevselliğe sahip değildir. Bu kısıtlamayı aşmak ve maddeye işlev kazandırmak amacıyla, kristal yapıya dışarıdan kontrollü bir şekilde atom eklemesi yapılır. Ayrıca doping (katkılama) olarak adlandırılan bu işlem sayesinde, yapı içerisinde akımı taşıyacak olan serbest elektronlar ve oyuklar (boşluklar) oluşturulur.

Dolayısıyla doping (katkılama) adı verilen bu hassas mühendislik süreciyle elde edilen materyaller, işlemcilerden diyotlara, transistörlerden sensörlere kadar günümüz modern elektroniğinin vazgeçilmez temel yapı taşlarını oluşturur. Sonuç olarak bu iki yapının stratejik birlikteliği, dijital devrimin ve akıllı teknolojilerin arkasındaki asıl güçtür.

Şimdi N-Tipi Yarı İletken Maddeyi Ele Alalım

Eğer bir yarı iletkenin iletim bandındaki serbest elektron yoğunluğunu artırmak hedefleniyorsa kristal yapıya son yörüngesinde (valans kabuğunda) beş elektron bulunan Arsenik (As), Fosfor (P) veya Antimon (Sb) gibi atomlar dahil edilir. Doping (katkılama) adı verilen bu işlem sayesinde, yapıya fazladan elektron ‘bağışlanır’ ve böylece madde yüksek iletkenliğe sahip bir N-tipi yarı iletkene dönüşür.

Bu atomlar aynı zamanda fazladan elektron sağladıkları için verici atom olarak da bilinir.

Belirtmek gerekir ki bu verici (donör) atomlar, periyodik tablonun 5A grubu (Grup 15) elementleri arasında yer alır. Ancak, bu gruptaki her element elektronikte aynı verimlilikle kullanılamaz. Örneğin, Azot (N) çok küçük atomik yapısı nedeniyle kristal kafese uyum sağlamakta zorlanırken, Bismut (Bi) gibi ağır elementler metalik özelliklerinin baskın olması sebebiyle tercih edilmezler. Bu nedenle endüstride, Silisyum ile en ideal uyumu gösteren Fosfor (P) ve Arsenik (As) atomları başrolü oynamaktadır. Ama yinede bir tablo vermek gerekirse:

Atom Sembolü	Adı	Katman Dizilimi	Doğası
N	Azot	2s2 2p3	Gaz (Ametal)
P	Fosfor	3s2 3p3	Katı (Ametal)
As	Arsenik	4s2 4p3	Yarı Metal
Sb	Antimon	5s2 5p3	Yarı Metal
Bi	Bismut	6s2 6p3	Metal
Mc	Moskovyum	7s2 7p3	Radyoaktif / Yapay

Şimdi Sırada P-Tipi Yarı İletken Madde Var

Öte yandan, yarı iletken maddelerin valans bandındaki oyuk (boşluk) sayısını artırmak istenirse; son yörüngesinde üç elektron bulunan Bor (B), Alüminyum (Al) ve Galyum (Ga) gibi atomlar yapıya dahil edilir. Bu atomlar, kristal kafes yapısı içerisinde bir elektronluk eksiklik yaratarak ‘pozitif bir boşluk’ bırakırlar, bu nedenle literatürde ‘alıcı atomlar’ (acceptor atoms) olarak adlandırılırlar.Esasen bu alıcı atomlar, periyodik tablonun 3A grubu elementleridir. Ancak tıpkı 5A grubunda olduğu gibi, bu gruptaki her elementin kullanım alanı aynı değildir. Özellikle Bor, atomik boyutunun silisyum ile olan eşsiz uyumu sayesinde, P-tipi yarı iletken üretiminde endüstrinin altın standardı haline gelmiştir.

Atom Sembolü	Adı	Katman Dizilimi	Doğası
B	Bor	2s2 2p1	Yarı Metal
Al	Alüminyum	3s2 3p1	Metal
Ga	Galyum	4s2 4p1	Metal
In	İndiyum	5s2 5p1	Metal
Tl	Talyum	6s2 6p1	Metal
Nh	Nihonyum	7s2 7p1	Radyoaktif / Yapay

Şimdi N-Tipi ve P-Tipi Maddeleri Ele Alalım

Bu iki yarı-iletkeni iyice anlamak için şu tabloyu inceleyelim (Tabloları çok severim 🙂 ).

Kriter	N-Tipi Yapılma Nedeni	P-Tipi Yapılma Nedeni
Temel Amaç	Ortamda serbest elektron sayısını artırarak iletkenliği kontrol etmek	Ortamda oyuk sayısını artırarak pozitif taşıyıcı iletimi sağlamak
Yük Taşıyıcı Rolü	Akımı taşıyan ana unsur elektronlardır	Akımı taşıyan ana unsur oyuklardır
Enerji Seviyesi Hedefi	İletim bandının hemen altına verici seviyesi eklemek	Valans bandının hemen üzerine alıcı seviyesi eklemek
Elektronik İşlevi	Devre elemanlarında “negatif” kutup veya kanal oluşturmak	Devre elemanlarında “pozitif” kutup veya kanal oluşturmak
Kontrol Mekanizması	Fazla olan 5. elektronun kolayca kopup akım oluşturmasını sağlamak	Eksik olan 4. oyuğun elektron çekerek hareket yaratmasını sağlamak

Sonra Çoğunluk Taşıyıcılar ve Azınlık Taşıyıcılar Var

Konu bütünlüğü için bu kavramları bilmek bize kesinlikle zarar vermemekle beraber tabi olarak fayda verecektir.

Daha önce de belirttiğimiz gibi, bir yarı iletkenin hikayesi onun saf hale getirilmesiyle başlar. Bu saf formdaki malzeme, kendi içinde mükemmel bir dengededir, ancak bu denge, maalesef onun elektrik iletiminde oldukça zayıf kalmasına neden olur. İşte bu noktada, o durağan yapıyı harekete geçirmek ve elektriksel bir dinamizm yaratmak için bilinçli bir hamle yaparız: Doping (katkılama) ile bu kusursuz dengeyi bozarız. Saf maddenin içine yabancı atomlar ekleyerek yarattığımız bu kontrollü kaos, aslında elektroniğin tüm sihrini barındırır. Peki, denge bozulduğunda içeride neler olur? Şimdi geldiğimiz noktada ise bu yeni düzende rollerin nasıl dağıtıldığını göreceğiz. Kim sahnenin asıl sahibi, kim gölgede kalan figüran? Başka bir deyişle, ‘Çoğunluk ve Azınlık Taşıyıcılar’ dünyasında kim kimidir? Devam edelim…”

Çoğunluk taşıyıcı: Maddede özellikle akımı taşıyan elektronlara denir.

Azınlık taşıyıcı: Çoğunluk taşıyıcının zıttıdır yani, maddede baskın olan davranışın tersidir.

Yarı İletken Tipi	Katkı Maddesi	Çoğunluk Taşıyıcı	Azınlık Taşıyıcı
N-Tipi	Beş Valans Elektronlu	Elektronlar	Oyuklar
P-Tipi	Üç Valans Elektronlu	Oyuklar	Elektronlar

Yazar Notu: Tabloların çeviri dostu olması, bloğunun sadece Türkiye’deki öğrenciler için değil, globaldeki meraklılar için de bir referans noktası olmasını sağlamaktadır(Kullanımı belki bir tık abartmış olabilirim (Ama güzel) ).

Taşıyıcılardan Sonra PN Birleşimi Var

Görüldüğü üzere P-Tipi ve N-Tipi Yarı İletkenler birleştirildiği zaman aşağıda ki görselde olan PN birleşimi oluşur. Dikkat çekmek isterim ki burada görülen birleşim yarı iletken devre elemanlarının temelini oluşturur, bu yüzden burası önemlidir. P maddesinde çoğunlukla oyuklar; N maddesinde çoğunlukla serbest elektronlar bulunmaktadır.

Özetle, bu yazıda sizlere Yarı İletken Teknolojisini anlatmaya çalıştım. Aklınıza takılan bir konu olur veya geribildirim ile bu yazının gelişmesine katkı sağlamak isterseniz çekinmeyin lütfen.

Sonuç olarak PN Birleşimi önemlidir.

Sıkça Sorulan Sorular