Yarı İletken
PN Bağlantı noktası. Diyotlar Nasıl Çalışır? (İngilizce versiyon) |
Yarı iletken malzeme, metalik bakır gibi bir iletken ile cam gibi bir yalıtkan arasına düşen elektriksel iletkenlik değerine sahiptir. Bir metalinkinin karşısındaki davranış olan sıcaklığı arttıkça direnci azalır. İletken özellikleri, kristal yapıya kasıtlı, kontrollü safsızlıkların ("doping") yapılmasıyla faydalı şekillerde değiştirilebilir. Aynı kristalde iki farklı katkılı bölge bulunduğunda, yarı iletken bir bağlantı noktası oluşturulur. Bu bağlantı noktası elektronları, iyonları ve elektron deliklerini içeren yük taşıyıcıların davranışı, diyotların, transistörlerin ve tüm modern elektroniklerin temelidir. Bazı yarı iletken örnekleri, silikon, germanyum, galyum arsenit ve periyodik cetvelde "metaloid merdiven" olarak adlandırılan elementlerin yakınındaki elementlerdir. Silisyumdan sonra, galyum arsenit ikinci en yaygın yarı iletkendir ve lazer diyotlarda, güneş pillerinde, mikrodalga frekanslı tümleşik devrelerde ve diğerlerinde kullanılır. Silikon, çoğu elektronik devreyi üretmek için kritik bir unsurdur.
Yarı iletken cihazlar, akımı bir diğerinden daha kolay geçirme, değişken direnç ve ışığa veya ısıya duyarlılık gösterme gibi çeşitli faydalı özellikler gösterebilir. Bir yarı iletken malzemenin elektriksel özellikleri dopingle veya elektriksel alanların veya ışığın uygulanmasıyla modifiye edilebildiğinden, yarı iletkenlerden yapılan cihazlar amplifikasyon, anahtarlama ve enerji dönüşümü için kullanılabilir.
Silisyumun iletkenliği, az miktarda (108'de 1 sırayla) pentavalent (antimon, fosfor veya arsenik) veya üç değerlikli (bor, galyum, indiyum) atomları eklenerek arttırılır. Bu işlem doping olarak bilinir ve elde edilen yarı iletkenler, doped veya extrinsik yarı iletkenler olarak bilinir. Katkılama dışında, bir yarı iletkenin iletkenliği, sıcaklığı arttırılarak eşit şekilde iyileştirilebilir. Bu, sıcaklıktaki artışla iletkenliğin azaldığı bir metalin davranışına aykırıdır.
Bir yarı iletkenin özelliklerinin modern anlayışı, kristal taşıyıcıdaki yük taşıyıcıların hareketini açıklamak için kuantum fiziğine dayanır. Doping, kristal içindeki yük taşıyıcı sayısını büyük ölçüde arttırır. Katkılı yarı iletken çoğunlukla serbest delikler içerdiğinde "p tipi" olarak adlandırılır ve çoğunlukla serbest elektronlar içerdiğinde "n tipi" olarak bilinir. Elektronik cihazlarda kullanılan yarı iletken malzemeler, p ve n tipi katkı maddelerinin konsantrasyonunu ve bölgelerini kontrol etmek için kesin koşullar altında katlanır. Tek bir yarı iletken kristal birçok p ve n tipi bölgeye sahip olabilir; Bu bölgeler arasındaki p – n bağlantıları yararlı elektronik davranıştan sorumludur.
Yarı iletken malzemelerin özelliklerinden bazıları, 20. yüzyılın orta ve 19. yüzyıllarında gözlenmiştir. Elektronikte yarı iletkenlerin ilk pratik uygulaması, ilk radyo alıcılarında kullanılan ilkel bir yarı iletken diyot olan kedi bıyık detektörünün 1904 gelişimi idi. Kuantum fiziğindeki gelişmeler, 1947'de transistörün ve 1958'de entegre devrenin gelişmesine izin verdi.
Özellikleri
Değişken elektriksel iletkenlik
Doğal hallerinde yarı iletkenler zayıf iletkenlerdir çünkü bir akım elektronların akışını gerektirir ve yarı iletkenlerin değer bantları doludur ve yeni elektronların giriş akışını önler. Yarı iletken malzemelerin doping veya geçit gibi iletken malzemeler gibi davranmasına izin veren birkaç gelişmiş teknik vardır. Bu değişikliklerin iki sonucu vardır: n tipi ve p tipi. Bunlar, sırasıyla elektronların fazlalığı veya yetersizliğini ifade eder. Dengesiz bir elektron sayısı, akımın malzemeden akmasına neden olur.
Heterofonksiyonlar
Heterofonksiyonlar, iki farklı katkılı yarı iletken malzeme bir araya getirildiğinde meydana gelir. Örneğin, bir konfigürasyon p katkılı ve n katkılı germanyumdan oluşabilir. Bu, farklı katkılı yarı iletken malzemeler arasında bir elektron ve delik değişimi ile sonuçlanır. N katkılı germanyum fazla miktarda elektron içerecek ve p katkılı germanyum fazla miktarda delik içerecektir. Aktarım, dengeye rekombinasyon adı verilen ve n-tipindeki geçen elektronların p-tipindeki geçiş delikleriyle temas etmesine neden olan bir işlemle ulaşılıncaya kadar gerçekleşir. Bu işlemin bir ürünü, elektrik alanı ile sonuçlanan iyonları doldurulur.
Uyarılmış elektronlar
Yarı iletken bir malzeme üzerindeki elektrik potansiyelindeki bir fark, termal dengeyi terk etmesine ve denge dışı bir durum yaratmasına neden olur. Bu, sisteme ambipolar difüzyon adı verilen bir işlemle etkileşime giren elektronları ve delikleri tanıtır. Yarı iletken bir malzemede termal denge bozulduğunda, delik ve elektron sayısı değişir. Bu tür aksaklıklar, sisteme girebilen elektronlar ve delikler yaratabilen sıcaklık farkı veya fotonların bir sonucu olarak ortaya çıkabilir. Elektronları ve delikleri yaratan ve yok eden prosese üretim ve rekombinasyon denir.
Işık emisyonu
Bazı yarı iletkenlerde, uyarılmış elektronlar ısı üretmek yerine ışık yayarak rahatlayabilirler. Bu yarı iletkenler, ışık yayan diyotların ve flüoresan kuantum noktalarının yapımında kullanılır.
Yüksek termal iletkenlik
Isı iletkenliği yüksek yarı iletkenler, ısı dağılımı ve elektroniklerin termal yönetimini iyileştirmek için kullanılabilir.
Termal enerji dönüşümü
Yarı iletkenler, onları termoelektrik jeneratörlerinde faydalı kılan büyük termoelektrik güç faktörlerine ve termoelektrik soğutucularda faydalı kılan yüksek termoelektrik değerlerine sahiptir.
Malzemeler
Çok sayıda element ve bileşik, aşağıdakileri içeren yarı iletken özelliklere sahiptir:
- Bazı saf elementler periyodik tablonun Grup 14'te bulunur; Ticari olarak bu elementlerin en önemlisi silikon ve germanyumdur. Silisyum ve germanyum burada etkin bir şekilde kullanılır, çünkü en dış kabuklarında 4 değerli elektron bulunur; bu, onlara aynı anda eşit miktarda elektron kazanma veya kaybetme yeteneği verir.
- Özellikle gallium arsenit gibi Grup 13 ve 15'teki elementler arasında, Grup 12 ve 16'daki gruplar, grup 14 ve 16 arasındaki ikili bileşikler ve farklı grup 14 elementleri, örn. Silisyum karbür gibi elementler içerir.
- Bazı üçlü bileşikler, oksitler ve alaşımlar içerir.
- Organik bileşiklerden üretilmiş organik yarı iletkenler.
Yaygın olarak kullanılan yarı iletken malzemeler kristal katıdır, ancak şekilsiz ve sıvı yarı iletkenler de bilinmektedir. Bunlar arasında hidrojene amorf silikon ve çeşitli oranlarda arsenik, selenyum ve tellür karışımları bulunur. Bu bileşikler, daha iyi bilinen yarı iletkenlerle ara iletkenlik ve sıcaklık ile iletkenliğin hızlı bir değişiminin yanı sıra ara sıra negatif direnç ile paylaşırlar. Bu tür düzensiz malzemeler, silikon gibi geleneksel yarı iletkenlerin sert kristal yapıdan yoksundur. Genellikle yüksek elektronik kalitede malzeme gerektirmeyen, kirliliklere ve radyasyon hasarına karşı nispeten duyarsız olan ince film yapılarında kullanılırlar.
Yarı iletken malzemelerin hazırlanması
Günümüzün elektronik teknolojisinin hemen hemen tamamı yarı iletkenlerin kullanılmasını içerir, en önemlisi dizüstü bilgisayarlarda, tarayıcılarda, cep telefonlarında vb. Bulunan entegre devredir (IC). IC'ler için yarı iletkenler seri üretilmektedir. İdeal bir yarı iletken malzeme oluşturmak için kimyasal saflık her şeyden önemlidir. Herhangi bir küçük kusurun, yarı iletken malzemenin malzemelerin kullanıldığı ölçek nedeniyle nasıl davrandığı üzerinde ciddi bir etkisi olabilir.
Kristal yapısındaki hatalar (örneğin bozma, ikizler ve istifleme hataları gibi) malzemenin yarı iletkenlik özelliklerine müdahale ettiğinden, yüksek derecede kristalli bir mükemmellik de gereklidir. Kristalli arızalar, hatalı yarı iletken cihazların ana nedenidir. Kristal ne kadar büyük olursa, gerekli mükemmelliği elde etmek o kadar zor olur. Mevcut seri üretim prosesleri, 100 ila 300 mm (3,9 ila 11,8 inç) çapında, silindir şeklinde büyütülen ve gofret dilimlenen kristal külçeler kullanır.
IC'ler için yarı iletken malzemeler hazırlamak için kullanılan işlemlerin bir kombinasyonu vardır. Bir işlem, silikonun yüzeyinde silikon dioksit oluşturan termal oksidasyon olarak adlandırılır. Bu, bir geçit yalıtıcısı ve alan oksidi olarak kullanılır. Diğer işlemlere foto maskeleri ve fotolitografi denir. Bu süreç, entegre devrede devre üzerindeki kalıpları yaratan şeydir. Ultraviyole ışık, devre için kalıpları oluşturan kimyasal bir değişiklik oluşturmak için bir fotorezist katmanla birlikte kullanılır.
Aşındırma gerekli olan sonraki işlemdir. Silisyumun, önceki adımdaki fotorezist katmanı tarafından kaplanmayan kısmı, artık oyulabilir. Günümüzde tipik olarak kullanılan ana işlem plazma aşındırma olarak adlandırılmaktadır. Plazma aşındırma, genellikle plazma oluşturmak için düşük basınçlı bir odaya pompalanan bir aşındırma gazı içerir. Yaygın bir asitleme gazı kloroflorokarbondur, veya daha yaygın olarak bilinen Freon'dur. Katod ve anot arasındaki yüksek bir radyo frekansı voltajı, odadaki plazmayı yaratan şeydir. Silikon gofret katot üzerine yerleştirilir ve bu da plazmadan salınan pozitif yüklü iyonların çarpmasına neden olur. Sonuçta anizotropik olarak kazınmış silikon bulunur.
Son işlem difüzyon olarak adlandırılır. Bu, yarı iletken malzemeye istenen yarı iletken özelliklerini veren işlemdir. Doping olarak da bilinir. İşlem, p-n birleşimini yaratan sisteme saf olmayan bir atom verir. Silikon gofret içine katılmış saf atomları elde etmek için, gofret ilk olarak 1.100 derece santigrat odasına konur. Atomlara enjekte edilir ve sonunda silikon ile dağılır. İşlem tamamlandıktan ve silikon oda sıcaklığına ulaştıktan sonra doping işlemi yapılır ve yarı iletken malzeme entegre bir devrede kullanılmaya hazırdır.
Kaynak
Burdaki yer alan bilgiler en:Semiconductor sayfası'ndan çevirilerek edinilmiştir.