Analog Elektronik Atom Bilgisi | Not Mekanı
Perşembe , Mayıs 28 2020
Ana Sayfa / Ana Sayfa / Analog Elektronik Atom Bilgisi

Analog Elektronik Atom Bilgisi

KISA ATOM BİLGİSİ

Maddenin en küçük parçası olan atom, merkezinde bir çekirdek ve etrafında dönen elektronlardan oluşur. Çekirdeği oluşturan en ağır parçacıklar proton ve nötronlardır. Proton ve nötronların ağırlığı yaklaşık olarak birbirine eşittir. Protonun ağırlığı elektronun ağırlığının 8000 katıdır. Elektron ve protonun elektrik yükleri birbirine eşittir. Protonlar pozitif yüklü olup, elektronlar negatif yüklüdür. Nötronlar yüksüz parçacıklardır. Serbest halde atom nötr haldedir yani elektron sayısı proton sayısına eşittir. Atomlardaki elektron sayısı birden yüzbeşe kadar değişmektedir. Elektron, nötron ve proton sayısına göre farklı atomlar ve bu atomlardan özellikleri değişik olan elementler oluşur. Bir atomun numarası elektron sayısına veya proton sayısına eşittir. Atomun ağırlığı ise çekirdekteki nötron ve protonların sayısına eşittir. Hidrojen atomunun yapısı şekil 1.1’de gösterilmiştir.

Yörünge ve Kabuk

Elektronlar atomun çekirdeği etrafında yörüngelerde dönmektedir. Yörüngeler kabuklarda toplanmıştır ve kabuklar arasında boşluklar vardır. Bir atomun belirli sayıda kabuğu vardır. Her bir kabukta bulunabilecek maksimum elektron sayısı belirli ve sabittir. Kabuklar çekirdekten itibaren K,L,M,N,O,P,Q olarak adlandırılır. Kabuklarda bulunabilecek maksimum elektron sayısı sırasıyla 2,8,18,32,50,72,98 olarak bilinmektedir. Örnek olarak farklı atomların yapıları şekil 1.2’de gösterilmiştir.

Enerji Bantları

Çekirdek etrafındaki dönen elektronların her biri ayrı bir yörüngeye ve her yörünge belirli bir enerji seviyesine sahiptir. Modern fiziğe göre her bir elektronun ayrık bir enerji seviyesi mevcuttur. Elektronlar çekirdekteki pozitif yüklü protonlar tarafından çekilir. Coulomb kanuna göre elektrik yükleri arasındaki çekim kuvveti mesafenin karesi ile ters orantılıdır. Dolayısıyla üst kabuklarda bulunan elektronların çekirdek tarafından çekilme kuvveti daha zayıftır. Bir atomun K kabuğunda bulunan elektronlar, L kabuğundaki elektronlara göre çekirdek tarafından daha kuvvetli bir şekilde çekilir. Elektronun yörüngesinin çapı arttıkça enerjisi de artar. Elektron enerjisi potansiyel ve kinetik enerjilerin toplamıdır. Şekil 1.3’te yörüngelerdeki elektronlar ve enerjileri görülmektedir.

Elektronların enerjileri çekirdekten uzaklaştıkça artmaktadır. Yarıçapı küçük olan elektronun enerjisi en küçüktür ve enerji yarıçap ile artar. Kabuk içindeki elektronların enerjileri arasındaki fark küçüktür. Kabuklar arasındaki enerji farkı ise büyüktür. L kabuğunda izin verilen maksimum elektron sayısı sekizdir yani sekiz farklı enerji seviyesi bulunabilir.
Kabuklar arasındaki bölge, yasak bölge veya enerji boşluğu olarak adlandırılır. Elektronlar bu bölgede bulunmazlar. Bütün kabuklar arasında enerji boşluğu mevcuttur. Atomun en dış kabuğundaki elektronlara valans elektron adı verilir. Atomun türüne göre dış kabuk K, L, M, N veya başka bir kabuk olabilir. Örneğin bakır atomundaki elektron sayısı 29 olup en dış kabuk N kabuğudur. Bakır atomunda bir tane valans elektron mevcuttur (K=2, L=8, M=18, N=1). Atomların kimyasal özellikleri valans elektronlar tarafından belirlenir. Bu elektronlar kimyasal reaksiyonlara girer ve atomlar arasında bağ oluşturur. En dış kabukta bulunan valans elektronlar atomik yapıdan kolaylıkla ayrılarak serbest elektron haline gelebilir. Elektronlar bir atomdan başka bir atoma ek bir enerji uygulanarak geçirilebilir. Atomun en dış kabuğu tamamen dolu ise diğer atomlarla elektron alışverişi yapamaz. Bir atom elektron verdiğinde pozitif, aldığında ise negatif iyon olur. Pozitif iyon oluştuğunda serbest kalan elektron, atomun çekirdeğinin etkisinden çıkarak dış etkilere açık hale gelir.
Tek atom için geçerli olan enerji diyagramları, atomlar bir araya gelerek katı maddeyi oluşturduğunda geçerli olmaz. Katı maddelerde atomlar birbirine çok yakın olduğundan tek bir atomdaki enerji seviyeleri, katı maddede enerji bantlarını oluşturur. Katı bir maddede elektronlar için tek bir atoma göre daha fazla enerji seviyesi vardır ve bu seviyeler bantlar içerisinde toplanmıştır. Şekil 1.4’te enerji bantları gösterilmiştir.

görüldüğü gibi valans bandının altında bir çok bant bulunabilir. Maddenin elektriksel özelliklerini incelemek için açısından valans bandı, iletim bandı ve bu iki bant arasındaki enerji boşluğu üzerinde durmak yeterlidir.
Atom ve yarı iletken teorisinde kullanılan elektron volt (eV) birimi, bir elektronun bir V’luk gerilim potansiyeline karşı hareket etmesi sonucu kazandığı enerjidir. Bir katı maddenin valans bandındaki elektronları iletim bandına geçirmek için ısı, ışık, elektrik gibi enerjilerden biri uygulanabilir. Maddeye gerilim uygulandığında oluşan serbest elektronlar elektrik akımı üretir. Akımı taşıyan elektronlar serbest elektronlardır. Akım yük akışı olduğuna göre belirli bir noktadan saniyede akan yük miktarı olarak tanımlanabilir. Yük birimi coulomb ve enerji birimi joule ile elektron enerjisi eV arasındaki ilişki aşağıdaki gibi yazılabilir.

 

İletken, Yarı İletken ve Yalıtkanlar

Maddelerin elektriksel iletkenliği serbest elektron miktarına bağlıdır. Maddelerin 3 cm 1 ’lük hacim içerisindeki serbest elektron miktarlarına göre iletken, yarı iletken ve yalıtkanlar aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.

İletken, yarı iletken ve yalıtkanlar enerji boşluklarına göre de sınıflandırılır. Bu durum Şekil1.5’te gösterilmiştir. Enerji boşluğu bir iletkende 0.05 eV’tan küçük, yalıtkanlarda ise 8 eV’den büyüktür. Yarı iletkenlerdeki enerji boşluğu 0.7 ile 1.4 eV arasındadır.

İletkenlerde enerji bant diyagramından görüldüğü gibi valans bandı ile iletim bandı arasında boşluk yoktur. Valans elektronlar atomlara zayıf olarak bağlıdır. Valans elektronun atomdan ayrılarak serbest elektron haline gelmesi çok kolaydır. Oda sıcaklığında ilave bir enerji uygulamadan elektrik akımını iletebilecek çok sayıda serbest elektron mevcuttur. Metallerin iyi iletken olmalarının en önemli sebebi son yörüngesinde 1, 2 veya 3 elektron bulunması ve bu elektronları kolaylıkla verebilmeleridir.
Yarı iletkenlerdeki enerji boşluğu nedeniyle iletim bandında hiç elektron olmadığı kabul edilebilir. Yarı iletkenlerin valans yörüngeleri iletkenlere göre daha fazla dolu olduğundan atomlar arasındaki bağ daha kuvvetlidir. Yarı iletkeni iletken hale getirmek için bu bağı bozabilecek bir enerji uygulamak gerekir. Silisyumun enerji boşluğu 1.1 eV, germanyumun 0.7 eV’tur. Germanyum silisyuma göre daha iyi iletkendir. Germanyumun serbest elektron sayısı silisyuma göre 1000 kat fazladır. Oda sıcaklığının sağladığı az bir enerji ile bazı elektronlar bağlarını kopararak iletim bandına atlayabilirler. Bundan dolayı yarı iletken malzemeler oda sıcaklığında elektrik akımını iletirler. Örneğin silisyumun serbest elektron miktarı C 25 ! ’de 31 0 cm /1 0x 2 , C 100 ! ’de 3 12 cm /1 0x 2 ’tür. S ıcaklıkla orantılı olarak serbest elektron sayısının artması yani direncin düşmesi nedeniyle yarı iletkenler negatif sıcaklık katsayısına sahiptir. İletkenlerde ise taşıyıcı sayısı s ıcaklık ile artmaz. Sıcaklığın artması ile elektronların hareketlerinde oluşan titreşimler akım geçişini zorlaştırır. Bundan dolayı iletkenlerin direnci sıcaklıkla artar ve direnç pozitif sıcaklık katsayılıdır. Yalıtkanlarda enerji boşluğunun çok büyük olması nedeniyle enerji vererek valans elektronları iletim bandına geçirmek çok zordur. Valans bandının tamamen dolu olmasından dolayı idealde iletim bandında hiç elektron yoktur. Pratikte iletim bandında çok az sayıda elektron olması nedeniyle yalıktanlar çok küçük akımları iletir.

 

Kovalent Bağ

Atomlar arasında elektronların ortak kullanılması ile kovalent bağ oluşur. Aynı cins atomlar kovalent bağ ile üç boyutlu düzenli bir kristal yapı oluşturur. Kristal yapı periyodik bir şekilde kendini tekrarlayan yapıdır. Katı cisimlerin çoğu kristal yapıdadır. Paylaşılan her elektron, kendisini paylaşan iki komşu atomun çekirdeği tarafından eşit bir şekilde çekilmektedir. Valans elektronların bu şekilde paylaşımı atomları bir arada tutar. Kovalent bağ ile elektron paylaşımı atomun nötr olmasını değiştirmez.
Kararlı bir atom yapısında son yörüngede 8 elektron bulunur. Son yörüngesinde 4 elektron bulunan bir yarı iletken malzemede (silisyum veya germanyum), kendilerine komşu olan atomlar elektron paylaşarak kovalent bağ oluşturur. Böylece atomların son yörüngelerindeki elektron sayısı 8’e tamamlanır ve kristal yapı oluşur. Silisyum kristalinin iki boyutlu yapısı Şekil 1.6’da gösterilmiştir.

Saf Yarı İletken Malzemenin Özellikleri

Saf bir yarı iletken kristalinde K 0! (C 273!− )’de valans elektronların hepsi komşu atomlara sıkı bir şekilde kovalent bağ ile bağlıdır. Bağlı olan elektronlar kristal yapı içinde hareket edemez ve elektrik akımını iletemez. Valans bandı doludur ve iletim bandında hiç elektron yoktur. Yarı iletken kristal bir yalıtkan gibi davranır.
Saf bir yarı iletken kristali oda sıcaklığında bir miktar iletkenlik gösterir. Oda sıcaklığında kristal ısınarak atomları enerjilenir. Atomların enerjilenmesi valans elektronların enerjisi arttırır. Valans bandının üst seviyesinde bulunan elektronlardan bazıları yeterli kinetik enerjiye ulaşarak atomdan bağını koparır ve serbest elektron haline gelir. Yani boşluk bandını atlayarak iletim bandına geçer. Saf olan Ge ve Si’deki serbest elektronlar, sadece valans bandında bulunan ve ısı veya ışık kaynaklarından kovalent bağı koparmaya yetecek enerji alan veya tam saflaştıramamaktan kaynaklanan az sayıdaki elektrondan oluştur. 13 10 atom içinde bir katkı atomu bulunduran silisyum saf kabul edilir.Kristal yapıda ısı enerjisi alarak kovalent bağını koparan bir elektron ve elektronun ayrılması nedeniyle oluşan boşluk Şekil 1.7’de gösterilmiştir. Elektron kaybeden atom pozitif yüklü hale gelir. Elektronun atomdan ayrılması ile kovalent bağda oluşan boşluğa delik denir. Delik pozitif yüklü olup bir ağırlığa sahip değildir ve elektronları çeker. Serbest kalan elektron ve oluşan delik, elektron-delik çitfi olarak adlandırılır. Kristal içindeki elektron-delik çifti sayısı sıcaklıkla artar.

Oda sıcaklığında bulunan yarı iletken kristale bir gerilim uygulandığında, sıcaklık nedeniyle serbest kalan elektronlar elektrik akımı üretir. Serbest elektronlar atomların çekim etkisinden kurtulduğu için hızlı bir şekilde kaynağın pozitif ucuna doğru hareket eder. Sıcaklığın artması ile serbest elektron ve delik sayısı artar. Kovalent bağlarını koparan serbest elektronların oluşturduğu delikler de hareket halindedir. Kovalent bağ içindeki delik komşu atomun elektronu tarafından doldurulur. Komşu atomda oluşan delik, onun komşusu olan atom tarafından doldurulur. Delik kaynağın negatif ucuna doğru ilerler ve kaynaktan kopan bir elektron deliği doldurur. Sıcaklık nedeniyle elektron-delik çifti sürekli oluşur ve yarı iletkenden bir akım geçer. Delikleri dolduran elektronlar, serbest elektron olmak için yeterli miktarda enerjilenememiş olan valans elektronlardır. Serbest elektronun hareketi delik hareketine göre çok hızlıdır. Yarı iletkenden geçen akım, serbest elektronların oluşturduğu akım ile deliklerin oluşturduğu akımın toplamıdır. Delik hareketi serbest elektronların hareketinin tersinedir. Saf bir yarı iletkende serbest elektronların sayısı ile deliklerin sayısı birbirine eşittir. Saf bir yarı iletken malzemeye katkı atomları eklendiğinde bant yapısı, elektriksel karakteristikleri değişir. Katkı oranı on milyonda bir civarında olmasına rağmen yarı iletkenin davranışı önemli ölçüde farklılaşır. Katkılanan malzeme N tipi veya P tipi malzemeye dönüşür.

N Tipi Malzeme

Valans elektron sayısı beş olan antimon, arsenik, bizmut ve fosfor gibi bir katkı maddesi germanyum veya silisyum tabana önceden belirlenmiş miktarda eklenerek N tipi malzeme elde edilir. Şekil 1.8’de silisyum malzemeye az miktarda arsenik eklenerek elde edilen N tipi malzemenin sıcaklık ile ilişkisi gösterilmiştir. Arsenik atomlarının beş valans elektronu silikonun kristal yapısına tam olarak uymaz. Sadece dört elektronu kovalent bağda bulunur. Beşinci elektron kovalent bağa katılmaz ve mutlak sıfır sıcaklıkta komşu atoma gevşek bir şekilde bağlıdır. Bu elektron oda sıcaklığında aldığı enerji (0.05 eV civarında) ile serbest elektron olur. Bu elektronun atomdan ayrılması ile delik oluşmaz. Arsenik atomu elektron kaybettiği için pozitif iyon olur. Pozitif iyonların kristal yapı içindeki konumları değişmez.

Kovalent bağı oluşturan elektronlardan bazıları oda sıcaklığında iletim bandına geçerek delikler oluşur. İletim bandındaki serbest elektron sayısı valans bandındaki delik sayısından çok fazladır. Bu miktar katkılama oranı ile belirlenir. Katkılama işlemi arseniğin serbest elektron sayısı, oda sıcaklığında oluşan elektron-delik çiftinin bir milyon katı olacak şekilde yapılır. Saf kabul edilen silisyum malzemesinde oda sıcaklığında her 12 10 atomda bir serbest elektron bulunur. 6 10 atomda bir katkı atomu bulunursa, taşıyıcı oranı 6 10 (bir milyon kat) artar. N tipi malzemede serbest elektronlar çoğunluk akım taşıyıcısı ve delikler azınlık akım taşıyıcısıdır. Şekil 1.9’da N tipi malzemede elektron ve delik akışları gösterilmiştir. Elektronlar kaynağın (–) ucundan (+) ucuna doğru hareket eder. Akım yönü elektron akışının tersi olarak kabul edilir.

P Tipi Malzeme

Valans elektron sayısı üç olan indiyum, boron, aluminyum ve galliyum gibi bir katkı maddesi germanyum veya silisyum tabana önceden belirlenmiş miktarda eklenerek P tipi malzeme elde edilir. Şekil 1.10’da silisyum malzemeye az miktarda indiyum eklenerek elde edilen P tipi malzemenin sıcaklık ile ilişkisi gösterilmiştir. Indiyum atomlarının üç valans elektronu silisyumun kristal yapısına tam olarak uymaz. Indiyum kristal yapıda üç kovalent bağ oluşturur ve bir kovalent bağ boş kalır. Boş kalan kovalent bağdaki delik, komşu atomların valans elektronları ile kolaylıkla doldurulabilir. Bu deliğin doldurulması için gereken enerji, valans elektronların boşluk bandını atlayarak iletime bandına geçmeleri için gereken enerjiden çok küçüktür. Indiyum atomlarına komşu olan silisyum atomlarının valans elektronları oda sıcaklığında yeterli miktarda enerji alarak (0.08 eV civarında) delikleri kolaylıkla doldurur. İndiyum atomları elektron aldığı için negatif iyon olur. Oda sıcaklığında silisyum atomlarında oluşan elektron-delik çifti nedeniyle iletim bandında az sayıda serbest elektron da bulunur. P tipi malzemede çoğunluk akım taşıyıcıları delikler ve azınlık akım taşıyıcıları elektronlardır. Bu durum Şekil 1.11’de gösterilmiştir.

Katkı Maddelerine Sıcaklığın Etkisi

Sıcaklıkla N veya P tipi malzemede oluşan elektron-delik çifti, yani azınlık akım taşıyıcıları artar. Katkı maddesinden gelen çoğunluk taşıyıcıları ise sıcaklıkla değişmez. Örnek olarak N tipi bir malzemede farklı s ıcaklıklarda oluşan elektronlar ve delikler Tablo 1.2’de gösterilmiştir. Mutlak sıfırda (-273 °C) elektron-delik çifti oluşturacak bir enerji yoktur. Aynı zamanda katkı atomlarının elektronlarını iletim bandına geçirecek seviyede bir enerji de yoktur. Oda sıcaklığında (25 °C) azınlık taşıyıcılarının sayısı, katkı maddesinden kaynaklanan serbest elektron sayısına göre çok düşüktür. Sıcaklık 250 °C olduğunda delik sayısı elektron sayısına yaklaşık olarak eşittir ve madde saf bir yarıiletken gibi davranır.

Hakkında Admin

Blog Yazarı - Araştırmacı - Öğrenci

Bunları da Beğenebilirsin

Önemli Bilgilendirme

Anlaşmalı yönlendirme sitesine (asupload.com) teknik bir problemden dolayı erişim sağlanamamaktadır. Problemi en kısa sürede çözmeye …

Bir Yorum Yazın

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.