Yarı İletkenlerin Avantajları

Yarı iletkenler, elektriksel iletkenlikleri iyi iletkenler ve yalıtkanlar arasında bulunan maddelerdir. Herhangi bir safsızlık içermeyen yarı iletkenlere içsel yarı iletkenler denir. Germanyum ve silikon en yaygın olarak kullanılan intrinsik yarı iletkenlerdir. Hem Ge (atom numarası 32) hem de silikon (atom numarası 14) periyodik tablonun dördüncü grubuna aittir ve dört değerlidir.

Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda, saf Ge ve Si mükemmel yalıtkanlar gibi davranır. Ancak sıcaklık arttıkça iletkenlikleri artar. Ge için, kovalent bağdaki bir elektronun bağlanma enerjisi 0,7 eV'dir. Bu enerji ısı şeklinde verilirse bağların bir kısmı kırılır ve elektronlar serbest kalır.

Normal sıcaklıklarda, elektronların bazıları Ge veya Si kristalinin atomlarından serbest bırakılır ve kristal içinde dolaşırlar. Daha önce işgal edilmiş bir yerde bir elektronun olmaması, o yerde pozitif bir yük anlamına gelir. Elektronun serbest bırakıldığı yerde bir "delik" oluşturulduğu söylenir. Bir (boş) delik, pozitif yüke eşdeğerdir ve bir elektron kabul etme eğilimine sahiptir.

Bir elektron bir deliğe atladığında, elektronun daha önce bulunduğu yerde yeni bir delik oluşur. Elektronların bir yöndeki hareketi, zıt yöndeki deliklerin hareketine eşdeğerdir. Bu nedenle, içsel yarı iletkenlerde delikler ve elektronlar aynı anda üretilir ve her ikisi de yük taşıyıcı olarak hareket eder.

İki tür dışsal yarı iletken vardır: n-tipi ve p-tipi.

n-tipi yarı iletken: Arsenik (As), antimon (Sb) ve fosfor (P) gibi elementler beş değerli, Ge ve Si ise dört değerlidir. Ge veya Si kristaline bir safsızlık olarak az miktarda antimon eklenirse, beş değerli elektronundan dördü komşu Ge atomlarıyla kovalent bağlar oluşturacaktır. Ancak antimonun beşinci elektronu kristal içinde hareket etmek için neredeyse serbest hale gelir.

Katkılı Ge kristaline potansiyel bir voltaj uygulanırsa, katkılı Ge'deki serbest elektronlar pozitif terminale doğru hareket eder ve iletkenlik artar. Negatif yüklü serbest elektronlar katkılı Ge kristalinin iletkenliğini arttırdığından, buna n-tipi yarı iletken denir.

p-tipi yarı iletken: İndiyum, alüminyum veya bor (üç değerlik elektronuna sahip) gibi üç değerlikli bir safsızlık eklenirse tetravalent Ge veya Si'ye göre çok küçük bir oranda, daha sonra üç Ge atomu ile üç kovalent bağ oluşturulur. Ancak Ge'nin dördüncü değerlik elektronu indiyum ile kovalent bir bağ oluşturamaz çünkü eşleşme için elektron kalmaz.

Elektronun yokluğu veya eksikliğine delik denir. Her delik, o noktada bir pozitif yük bölgesi olarak kabul edilir. İndiyum katkılı Ge'nin iletkenliği deliklerden kaynaklandığı için p-tipi yarı iletken olarak adlandırılır.

Böylece, n-tipi ve p-tipi iki tür yarı iletkendir ve kullanımları şu şekilde açıklanmıştır: A p-tipi yarı iletken ve n-tipi yarı iletken birleştirilir ve ortak arayüze p-n eklemi denir. diyot.

Elektronik devrelerde doğrultucu olarak bir p-n bağlantı diyotu kullanılır. Bir transistör, aralarına ince bir n-tipi malzeme dilimi sıkıştırılarak yapılan üç terminalli bir yarı iletken cihazdır. iki büyük p-tipi malzeme parçası veya iki büyük n-tipi parça arasında ince bir p-tipi yarı iletken dilimi yarı iletken. Böylece iki tip transistör vardır: p-n-p ve n-p-n. Elektronik devrelerde yükselteç olarak transistör kullanılır.

Yarı iletken diyot ile vakum arasındaki bir karşılaştırma, yarı iletkenlerin avantajları hakkında daha canlı bir fikir verecektir.

• Vakum diyotlarından farklı olarak yarı iletken cihazlarda filament yoktur. Bu nedenle, bir yarı iletkende elektron yaymak için ısıtma gerekmez.
• Yarı iletken cihazlar, devre cihazı açıldıktan hemen sonra çalıştırılabilir.
• Vakum diyotlarından farklı olarak, çalışma sırasında yarı iletkenler tarafından hiçbir uğultu sesi üretilmez.
• Vakum tüpleriyle karşılaştırıldığında, yarı iletken cihazlar her zaman düşük bir çalışma voltajına ihtiyaç duyar.
• Yarı iletkenlerin boyutları küçük olduğundan, onları içeren devreler de çok kompakttır.
• Vakum tüplerinden farklı olarak yarı iletkenler darbeye dayanıklıdır. Ayrıca boyutları daha küçüktür ve daha az yer kaplar ve daha az güç tüketir.
• Vakum tüpleriyle karşılaştırıldığında, yarı iletkenler sıcaklığa ve radyasyona karşı son derece hassastır.
• Yarı iletkenler, vakum diyotlarından daha ucuzdur ve sınırsız raf ömrüne sahiptir.
• Yarı iletken cihazların çalışması için bir vakuma ihtiyacı yoktur.

Özetle, yarı iletken cihazların avantajları, vakum tüplerinin avantajlarından çok daha ağır basar. Yarı iletken malzemenin ortaya çıkmasıyla birlikte daha sofistike, dayanıklı ve uyumlu küçük elektronik cihazlar geliştirmek mümkün hale geldi.

En yaygın yarı iletken cihaz, mantık kapıları ve dijital devreler üretmek için kullanılan transistördür. Yarı iletken cihazların uygulamaları, osilatörlerde ve amplifikatörlerde kullanılan analog devrelere de uzanır.

Yarı iletken cihazlar, çok yüksek voltaj ve akımda çalışan entegre devrelerde de kullanılmaktadır. Yarı iletken cihazların uygulamaları günlük hayatta da görülmektedir. Örneğin, yüksek hızlı bilgisayar çipleri yarı iletkenlerden yapılır. Telefonlar, tıbbi ekipman ve robotik de yarı iletken malzemelerden yararlanır.