BLM 224 ELEKTRONİK DEVRELER

Prof. Dr. Mehmet Akbaba

Karabük Üniversitesi

Bilgisayar Mhendisliği Bölümü

Hafta 1

10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 1

KAYNAKLAR

1. Robert Boylestad and Louis Nashelski,

Elektronik Cihazlar ve Devre Teorisi, Palme

Yayıncılık

2. Mehmet Akbaba, Elektronik Devreler Ders

Notları

3. Thomas L. Floyd, Electronic Devices, Merill

Publishin Company

10.02.2016 2 Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba

ATOM’un YAPISI Tabiatta var olan her cisim atomlardan yapılmıştır ve her

atom proton, nötron ve elektron lardan oluşur. Sadece

hidrojen atomu bu yapıya uymaz. Hidrojen atomunda nötron

yoktur. Atomlarin yapısında merkezde çekirdek (nükleus) ve

onun etrafındaki yörüngeler (orbitler) vardir. Proton ve

nötronlar nükleus denen çekirdeğin içinde ve elektronlarda

çevredeki yörüngeler (orbitler) üzerinde yer alırlar. Elektronlar

eksi (negatif) elektrik yüklü, protonlar ise artı (pozitif) elektrik

yüklü parçacıklardır. Nötronlar yüksüz parçacıklardır. Peryodik

tabloda yer alan her bir elementin özel bir yapısı vardır ve

elektronların sayısı protonların sayısına eşittir. Bu durumda

atomdaki eksi elektrik yükü miktarı artı elektrik yükü miktarına

eşittir ve atomun toplam elektrik yükü sfırdır. Proton ve

nötronların ağırlığı yaklaşık olarak birbirine eşittir .

Protonun ağırlığı elektronun ağırlığının 8000 katıdır .

10.02.2016 3 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba

10.02.2016 4 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba

Atom Numarası

Sekil 3 deki Peryodik tabloda görldüğü gibi elementler

atom numarasına göre düzenlenmişlerdir. Bir elementin

atom numarası çekirdekteki proton sayısına ve aynı

zamanda yörüngeler üzerindeki elektron sayısına eşittir.

Örneğin bir Sodyum atomunun çekirdeğnde 11 proton ve

yörüngesinde 11 elektron vardır ve atom numarası 11 dir

veya bir Silisyum atomunun çekirdeğinde 14 proton ve

yörüngesinde 14 elektron vardır ve atom numarası 14

dür.

Bir Elektronun yükü -1.60217657 × 10-19 C dur ve buda

yaklaşık olarak = -1.6x10-19 C alınır.

Bir Protonun yükü = +1.6x10-19 C (C: kulomb)

Bir Silisyum atomunun yapısı Şekil 3 de görülmektedir.

10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.

Mehmet Akbaba 5

Şekil 1 de görüldüğü gibi, elektronlar çekirdek etrafında belirli

bir yörüngede yeralmaktadırlar . Bir malzemenin atomik

yapısı, onun iletkenlik ya da yalıtkanlık özelliğini

belirlemektedir .

Şekil 1: Atomun genel

yapısı

10.02.2016 6

Elektron Proton Nötron

Şekil 2: Bir Atomun Yapısından Başka Bir Görünüm

Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba

Şekil 3 : PERYODİK TABLO

10.02.2016 7

10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.

Mehmet Akbaba 8

Nükleusta (çekirdekte) 14 tane proton ve 14 tane nötron vardır (Şekilde tamamı gösterilmemiştir)

Şekil 4: Silisyum Atomunun Yapısı

10.02.2016 9

22nNe

elektron 82x2 ,2 2 eNnelektron 183x2 ,3 2 eNn

elektron 324x2 ,4 2 eNn

Yörüngelerde bulunabilecek en fazla elektron sayısı

Burada n yörünge numarasını, Ne ise n nolu yörüngede

bulunabilecek elektron sayısını göstermektedir.

Buna göre n nolu yörüngede bulunabilecek en çok

elektron sayısı aşağıdaki gibi olur:

elektron 21x2 ,1 2 eNn

Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba

Valans Elektronu

Nukleuse en uzak yörüngede bulunan elektronlar en

yüksek enerjiye sahiptirler ve atoma daha az bağlıdır.

Bu nedenle atomdan daha kolay kopabilir. Bunun

nedeni elektronlar eksi yüke nükleus pozitif yüke

sahiptirler ve dolayısiyle aralarındaki çekim kuvveti

uzaklık arttıkça azalıyor (zayıflıyor). Bu nedenle

nükleustan en uzakta bulunan en dış yörüngedeki

atomlar atoma çok zayıf bağla bağlıdır. En dıştaki

yörüngeye valans yörüngesi ve bu yörüngedeki atomlarada valans elektronu denir. Maddelere

dışarıdan herhangi bir etki yapıldığında, örneğin

dışarıdan enerji uygulandığında, ısıtıldığında veya

sürtünme yoluyla valans elektronlar yörüngelerinden

çıkartılabilir. 10.02.2016 Electronıcs notes Prof. Dr. M. Akbaba 10

10.02.2016 11

Valans elektronlar yörüngelerinden çıktıktan sonra bir

başka atomun son yörüngesine bağlanır. Böylelikle

elektron akımı dolayısıyla elektrik akımı oluşturulur.

Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba

Şekil 5 : Bir iletken ile bir yalıtkan arasında elektron

alış-verişi

Sodyum Atomu Klor Atomu

10.02.2016 12

Atomların son yörüngesindeki valans elektronların

sayıları elementlerin özelliklerini belirler. Elektrikte

kullanılan maddeler de iletken madde, yalıtkan madde

ve yarı iletken madde olarak isimlendirilir.

İletkenler

Valans yörüngelerindeki elektron sayısı dörtten az (1-

2-3) olan elementlere iletken denir. Bu elementler

elektrik akımını iyi iletirler. Tüm metaller, su ve insan

vücudu elektrik akımını iyi iletirler ve iyi birer

iletkendirler. Teknolojik açıdan iletken denince ilk

akla gelen metallerdir. Bakır, Aluminyum, Gümüş ve

Altın gibi metallerin valans yörüngesinde sadece bir

elekteron bulunur ve bunlar çok iyi iletkendirler.

Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba

10.02.2016 13

Yalıtkanlar

Valans yörüngelerindeki elektron sayısı 5 ve daha fazla

olan elementler yalıtkan sınıfına girerler. Ancak valans

yörüngelerinde 8 ve daha fazla elektron olan tüm

elementler iyi yalıtkandırlar . Yalıtkan maddeler elektrik

akımını iletmezler. Yalıtkan cisimlerde serbest

elektronlar yok denecek kadar azdır. Porselen, Plastik,

Neon, Cam, Kauçuk, Pamuk, ve Hava yalıtkan

maddelere örnek olarak verilebilir.

Yarı İletkenler

Valans yörüngelerindeki elektron sayısı 4 olan

elementlere yarı iletken denir. Silisyum, Germanyum,

ve Boron gibi maddeler tipik yarı iletken madelerdir.

Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba

10.02.2016 14

Silisyum Atomu Germanyum Atomu

Silisyum: 2+8+4 =14(yörünge elektronları)

Germanyum: 2+8+18+4=32 (yörünge elektronları)

Şekil 6: 2 adet tipik yarı iletken atomu

Elektronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba

10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.

Mehmet Akbaba 15

a) n-tipi yarıiletken

b) p-tipi yarıiletken

P-N Jonksiyonu

Donor ions: Verici iyonlar Acceptor ions: Alıcı iyonlar Majority carriers: Çoğunluk taşıyıcılar Minority carriers: Azınlık taşıyıcılar

10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.

Mehmet Akbaba 16

N-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron

vererek pozitif yüklenen katkılama atomları “Donör

İyonları” olarak tanımlanır . Bu yapıda çoğunluk

akım taşıyıcıları elektronlar, azınlık

akım taşıyıcıları ise oyuklardır .

P-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron

alan katkılama atomları “Akseptör İyonları” olarak

tanımlanır . Bu yapıda çoğunluk akım taşıyıcıları

oyuklar, azınlık akım taşıyıcıları ise elektronlardır .

10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.

Mehmet Akbaba 17

(a) Merkezdeki atom elektronlarını etrafındaki 4 atomla paylaşarak her biriyle kovalent bağ oluşturmaktadır. Etrafındaki atomlar da diğer atomlarla aynı bağı oluşturmaktadır. Bu durum böylece devam etmektedir.

ATOMİK BAĞ (Kovalant bağ)

Bazı atomlar katı bir madde oluşturmak için moleküller

içinde birleştiği zaman kristal bir yapı oluştururlar.

Kristal yapı içindeki atomlar son yörüngelerindeki

elektronları ortak kullanırlar. Bunun sonucunda oluşan

bağa kovalent bağ denir. Silisyum ve Germanyumda

kristal bir yapıya sahiptirler.

(b) Bağ diyagramı. “ - - “ işaretler paylaşılan

valans elektronları temsil etmektedir.

10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr. Mehmet Akbaba 18

Silisyum atomunun oluşturduğu kovalent bağ

(a) (b)

ELEKTRONLARIN VE OYUKLARIN İLETİMİ • Oda sıcaklığında saf silisyum kristalinin bazı valans elektronları

valans bandından iletim bandına atlaması için gerekli enerjiye

sahiptir. İletim bandına geçen elektronlara serbest elektron

denir. Bu durum Şekilde enerji diyagramında gösterilmiştir. Bir

elektron iletim bandına atladığı zaman kristal içindeki valans

bandında bir boşluk bırakır. Bu boşluğa oyuk ismi verilir. Bu

şekilde iletim bandına geçen her elektron valans bandında bir

boşluk bırakır. Bunun neticesinde elektron-oyuk çifti meydana

gelir. Bir iletim bandı elektronu enerjisini kaybettiği zaman ve

yerine valans bandında bir oyuk geldiği zaman yeniden

birleşme meydana gelir.

KBUZEM Karabük Üniversitesi

Uzaktan Eğitim Uygulama ve Araştırma Merkezi

19

Enerji

Enerji aralığı

İletim Bandı

Valans Bandı

Isı

Enerjisi

Elektron-Oyuk Çifti

Oyuk

Serbest

elektron

Si

SiSerbest

Elektron

Isı

EnerjisiOyuk

(a) Enerji diyagramı (b) Bağ diyagramı

• Sonuç olarak, oda sıcaklığında saf silisyum kristali

herhangi bir anda, başka bir atoma eklenmemiş

olarak iletim bandında belli bir sayıda serbest

elektrona sahiptir ve bu elektronlar madde içinde

rastgele hareket ederler. Ayrıca bu elektronlar iletim

bandına atladığı zaman valans bandında eşit sayıda

oyuk bırakırlar. Bu durum Şekilde gösterilmiştir.

20

Si

Si

Si Si

Si

Si Si Si

Si

Si Si

Si Si Si

Si SiSi

Si

Si

Si Si

Si

Si Si Si

Si

Si SiSi

Si Si Si

Si SiSi

Isı Enerjisi

Serbest Elektron

Valans Elektron

Oyuk

Elektron - Oyuk

çiftinin oluşumu

Bir oyuk ile

elektronun yer

değiştirmesi

Bir silisyum kristalindeki elektron-oyuk çifti.

N-TİPİ YARI İLETKEN

• N-TİPİ yarı iletken 5 valans elektronu bulunan bir malzemenin örneğin antimonun bir dış yörüngesinde 4 valans elektronu bulunan örneğin silisyuma katkılanması ile elde edilir. 5 valans elektronlu malzelere örnek olarak : antimon, arsenik, fosfor

• Kovalant bond hala var fakat antimonun 5. valans elektonu serbest kaldı ve yeni oluşan yarı iletken malzeme içinde serbest dolaşabilir.

Figure 1: Antimon

katkılanmış n-tipi

yarıiletkenme

10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.

Mehmet Akbaba 22

Şekilden görüldüğü gibi 5 valans elektronlu bir

yalıkkan malzeme bir yarıietken malzemeye (4 valans

elektronu) katkılandığında yalıtkan malzemenin 5

valans elektronundan 4 tanesi 4 valans elektronu

bulunan mazeme ile kovalant bağ oluşturur 5. valans

lektronu serbest kalır. Elektronun yükü negatif (eksi)

olduğundan bu tip malzemeye n-tipi (N-tipi) yarı

iletken adı verilir. Görüldüğü gibi N-tipi yarı iletken 5

valans elektronlu bir yalıtkan malzemenin bir yarı

malzemeye katkılanması ile elde edilir.

Katkılama işlemine DOPİNG denlir ve yarı iletkenin

iletkenlik dercesi katkı maddesinin miktarı ile kontrol

edilir.

P-Tipi Yarıiletken

• P-tipi yarıileken bir yarıiletken malzemeye (4 valans elektronu), örneğin slisyuma, valans bandında 3 elektron bulunan Boron, Galyum, İndiyum gibi iletken malzeme katkılanarak elde edilir.

• Yandaki örnekte Silisyuma Boron katkılanması durumu görülüyor. Boronun 3 valans elektronu Silisyum atomu ile kovalant bağ oluşturur ve Silisyumun 4. valans elektronunun kar elektronunun karşılığı olmadığından kovalant üzerinde bir oyuk açığa çıkar ve bu oyuk yeni oluşan malzemede serbest dolaşabilir.

• Oyukların yükü Pozitif (artı) olduğundan bu tip yarıiletkene P-tipi yarıiletken denir.

Boron katkılanmış p-tipi

yarıiletken

10.02.2016 Elekttronik Devreler Notları. Prof. Dr.

Mehmet Akbaba 24

Görüldüğü gibi P-tipi yarıiletken Silisyum gibi

yarıiletken bir malzemeye 3 valans elektronu bulunan

bir iletken malzeme katkılanarak elde edilir.

P-tipi yarı iletkende serbest olan uyuk bir elektron

almaya hazır olduğu için bu tip atoma acceptor atom denir.

N-tipi malzemedede serbest kalan atom her an başka

bir atoma verilmeye hazır olduğundan bu tip atomada

donor atom denir.