Yarı İletkenler — P-Tipi, N-Tipi ve PN Eklemi

Yarı iletken, elektriksel iletkenliği mühendislik yoluyla ayarlanabilen bir malzemedir. Silikonda verici katkılar, elektronların çoğunluk taşıyıcı olduğu n-tipi malzeme oluşturur; alıcı katkılar, boşlukların çoğunluk taşıyıcı olduğu p-tipi malzeme oluşturur; bu ikisinin birleştirilmesi ise doğru polarmada ters polarmaya göre çok daha kolay ileten bir PN eklemi meydana getirir.

Bu tek fikir, temel elektroniğin büyük bir kısmını açıklar. Diyotlar, LED'ler, güneş pilleri ve birçok transistör yapısı, katkılanmış yarı iletken bölgelerde taşıyıcıların nasıl hareket ettiğine dayanır.

Yarı İletken Nedir?

Basit bant modelinde bir yarı iletkenin dolu bir değerlik bandı, büyük ölçüde boş bir iletim bandı ve sıradan aygıt koşullarında taşıyıcı davranışının değiştirilebilmesine yetecek kadar küçük bir bant aralığı vardır. Oda sıcaklığındaki saf silikonda bir miktar hareketli taşıyıcı bulunur, ancak bunlar bir metale göre çok daha azdır.

Bu yüzden temel soru sadece "iletir mi?" değildir. Asıl yararlı soru, "yük taşıyıcılarının sayısını ve hareketini ne değiştirir?" sorusudur. Yarı iletkenlerde bunun cevabı çoğu zaman katkılama, elektrik alanlar, sıcaklık veya ışıktır.

P-Tipi ve N-Tipi Yarı İletkenler

Saf yarı iletken malzemeye genellikle içsel denir. Bilinçli olarak az miktarda yabancı atom eklediğinizde dışsal bir yarı iletken elde edersiniz.

Silikonda fosfor gibi bir verici katkı, gevşek bağlı fazladan bir elektron sağlayabilir. Bu da elektronların çoğunluk taşıyıcı olduğu n-tipi malzeme oluşturur.

Bor gibi bir alıcı katkı ise basit bağ modeli içinde kristalde bir bağ elektronu eksik bırakır. Bu da boşlukların çoğunluk taşıyıcı olduğu p-tipi malzeme oluşturur.

Bir boşluk ne protondur ne de ayrı bir temel parçacıktır. Neredeyse dolu bir durum kümesindeki eksik elektronların hareketini izlemek için kullanılan uygun bir kavramdır. Birçok problemde boşlukları pozitif hareketli taşıyıcılar olarak ele almak fiziği takip etmeyi çok daha kolaylaştırır.

Katkılama İletkenliği Nasıl Değiştirir?

Katkılama, hangi tür taşıyıcının hareket ettirilmesinin daha kolay olduğunu değiştirir. N-tipi malzemede iletim için içsel silikona göre çok daha fazla elektron bulunur. P-tipi malzemede ise baskın katkı boşluk hareketinden gelir.

Kristal yine de toplamda elektriksel olarak nötrdür. Bu nokta önemlidir. P-tipi olmak, tüm katının net pozitif yüke sahip olduğu anlamına gelmez; n-tipi olmak da net negatif yüke sahip olduğu anlamına gelmez.

PN Eklemi Nasıl Oluşur?

P-tipi ve n-tipi bölgeler birleştirildiğinde taşıyıcılar tamamen ayrı kalmaz. Eklem yakınındaki elektronlar n tarafından p tarafına doğru difüze olur, boşluklar da p tarafından n tarafına doğru difüze olur.

Sınır yakınında bu taşıyıcıların çoğu yeniden birleşir. Bunun sonucunda sabit iyonlaşmış katkılar geride kalır: n tarafı kenarında pozitif yüklü verici iyonları ve p tarafı kenarında negatif yüklü alıcı iyonları.

Bu bölgeye tükenim bölgesi denir; çünkü madde ortadan kaybolduğu için değil, hareketli taşıyıcıların çoğundan yoksun kaldığı için tükenmiştir. Açığa çıkan yükler, daha fazla difüzyona karşı koyan içsel bir elektrik alan ve yerleşik bir bariyer oluşturur.

Kendiliğinden oluşan bu bariyer, diyot davranışının anahtarıdır. Doğru polarma ya da ters polarma ile ilgili her açıklama, bu bariyere ne olduğunu izlemek zorundadır.

Çözümlü Örnek: Silikon Diyotta Doğru Polarma ve Ters Polarma

Bir p-tipi bölge ile bir n-tipi bölgeden yapılmış basit bir silikon diyot düşünün.

Durum 1: Harici pil yok

Eklem oluşur oluşmaz difüzyon ve yeniden birleşme tükenim bölgesini oluşturur. Yerleşik elektrik alanı daha fazla taşıyıcı difüzyonuna karşı koyar, böylece eklem dengeye oturur.

Durum 2: Doğru polarma

Şimdi p tarafını pilin pozitif kutbuna, n tarafını ise negatif kutbuna bağlayın. Buna doğru polarma denir.

Bu durumda dış alan, eklem üzerindeki etkin bariyeri azaltır. Tükenim bölgesi daralır ve çoğunluk taşıyıcıları eklemi daha kolay geçebilir. Böylece akım güçlü biçimde artabilir.

Durum 3: Ters polarma

Pili ters çevirin; p tarafı negatif, n tarafı pozitif olsun. Buna ters polarma denir.

Bu kez dış alan bariyeri artırır ve tükenim bölgesini genişletir. Çoğunluk taşıyıcıları eklemden uzağa çekilir, bu yüzden normal iletim küçük kalır. Gerçek eklemlerde yine de bir miktar ters kaçak vardır ve çok büyük ters gerilim kırılmaya yol açabilir; bu nedenle "hiç akım yok" resmi doğru değildir.

Bu, tek bir örnek içinde diyot fikrinin özüdür. Eklem mekanik bir tek yönlü vana değildir. Uygulanan polarmaya göre bariyeri değişen bir taşıyıcı-ve-alan sistemidir.

Yarı İletken Sorularında Sık Yapılan Hatalar

• P-tipi malzemenin toplamda pozitif yüklü olduğunu söylemek. Malzeme yine de toplamda elektriksel olarak nötrdür.
• Boşluğu proton gibi gerçek, pozitif yüklü bir parçacık sanmak. Boşluk, eksik elektron davranışını açıklayan bir modeldir.
• Tükenim bölgesini boş uzay sanmak. Bu bölge esas olarak çok az hareketli taşıyıcı ve çok sayıda sabit iyonlaşmış katkı içeren bir bölgedir.
• Ters polarmanın tam olarak sıfır akım anlamına geldiğini varsaymak. Gerçek aygıtlarda genellikle küçük kaçak akımlar vardır ve yeterince yüksek ters gerilim davranışı tamamen değiştirebilir.
• Bariyere ve taşıyıcı hareketine ne olduğunu izlemeden "doğru iyi, ters kötü" diye ezberlemek.

PN Eklemleri ve Yarı İletkenler Nerelerde Kullanılır?

Yarı iletkenler, bir aygıtın basit metalik iletim yerine kontrollü elektriksel davranış gerektirdiği her yerde karşımıza çıkar. PN eklemleri doğrultucu diyotların, LED'lerin, fotodiyotların, güneş pillerinin ve transistör tasarımının büyük bir bölümünün temelidir.

P-tipi, n-tipi ve tükenim bölgeleri anlam kazandığında, elektroniğin birçok fikri daha az gizemli hale gelir. Bir transistör artık sadece bir devre sembolü değildir. Yarı iletken bölgeleri ve elektrik alanları şekillendirerek taşıyıcı akışını kontrol eden bir yapıya dönüşür.

Benzer Bir Durumu Deneyin

Kendi örneğinizi bir LED veya bir güneş pili ile kurmayı deneyin. Aynı soruları sırayla sorun: çoğunluk taşıyıcıları nerede, eklemde hangi alan var ve doğru polarma, ters polarma veya ışık uyguladığınızda ne değişiyor?