İletkenler, elektrik akımının geçmesine kolaylık gösteren maddelerdir. Aşağıdaki şekilde, bakır iletkeninin kesiti görülmektedir.
Valans elektronlar
Bakır iletken
Bakır atomunun en dış yörüngesinde (valans yörünge) sadece bir elektron bulunur. En dış yörüngede sadece bir elektronun bulunması, iletkenlik yönünden anahtar faktördür. En dış yörüngede bulunan elektrona valans elektron adı verilir.
Çok küçük bir bakır parçasında bile, her biri valans elektrona sahip milyarlarca atom vardır. Bu valans elektronlar, atom çekirdeğine zayıf olarak bağlıdır. Bu nedenle, valans elektronları, bulundukları yörüngeden koparmak kolaydır. Bir bakır iletken uçlarına gerilim uygulanırsa, iletkendeki milyarlarca valans elektron, kendi atomlarından kopacak ve gerilim kaynağının pozitif ucuna doğru hareket edecektir. Bu nedenle, bakır çok iyi bir iletkendir ve direnci çok düşüktür.
Bakır en yaygın olarak kullanılan iletkendir. Elektrik ve elektronik devrelerinin pek çoğunda, iletken olarak bakır kullanılır. Baskılı devrelerde de iletken yollar bakırdır. İyi bir iletken oluşu, ucuzluğu ve kolay lehimlenebilmesi, bakırı tercih edilen bir iletken haline getirmiştir.
Gümüş,direnci en düşük olan iletkendir. Ayrıca lehimlemesi de kolaydır. Bakıra oranla çok pahalı olması, yaygın olarak kullanılmamasının en büyük sebebidir. Bununla birlikte, çok hassas bazı elektronik devrelerde, gümüş iletken olarak kullanılmaktadır.
Altın da iyi bir iletkendir ve bakır ile gümüşe nazaran paslanması daha azdır. Bu nedenle hareketli kontaklarda altın kaplama kullanılmaktadır.
- Yalıtkanlar
Yalıtkanlar, elektrik akımını iletmeyen maddelerdir. Yalıtkanlara örnek olarak, plastik, mika, kağıt gösterilebilir. Yalıtkan maddelerin en dış (valans) yörüngelerinde 8 elektron bulunur. Yani en dış yörüngede ne eksik, ne de fazla elektron vardır. Bu tip yörüngelere doymuş yörünge adı verilir. Doymuş yörüngelerden elektron koparmak çok zor olduğu için yalıtkan maddelerde serbest elektron sayısı çok azdır. Bu nedenle elektrik akımını iletmezler. Yalıtkan maddeler, elektrik kablolarının izolasyonunda kullanılırlar.
- 3. Yarı İletkenler
Yarı iletkenler, elektriksel iletkenlik bakımından, yalıtkanlarla iletkenler arasında yer alırlar. Germanyum ve silisyum, elektronik alanında yaygın olarak kullanılan yarı iletkenlerdir. Germanyum ve silisyumun en dış (valans) yörüngelerinde 4 elektron bulunur. Germanyum ve silisyum yarı iletkenler maddeleri, bu yarı iletkenlere katkı maddesi ilave edilerek elektronik devre elemanı imalinde (diyot, transistör, tristör, triyak, vb.) kullanılırlar.
B – SAF (KATKISIZ) GERMANYUMUN KRİSTAL YAPISI VE KOVALENT BAĞ
Germanyum atomunda 32 proton vardır. Elektronların yörüngelere göre dağılımı ise şöyledir: Birinci yörüngede 2 elektron, ikinci yörüngede 8 elektron, üçüncü yörüngede 18 elektron ve en dış yörüngede 4 elektron. Şekil 1 –2 ‘de germanyum atomunun yapısı görülmektedir.
Kovalent Bağlar
Germanyum atomuyla ilgili olarak bilinmesi gereken en önemli husus, en son yörüngedeki 4 valans elektrondur. Bu kural, bütün yarı iletkenler için geçerlidir. Hepsinin atomlarının en dış yörüngesinde 4 elektron bulunur. Buna göre germanyum atomu basitleştirilmiş olarak çizildiğinde sadece en dıştaki 4 elektron gösterilir. Şekil 1 – 4’te germanyum atomunun basitleştirilmiş çizimi görülmektedir.
En dış yörüngelerinde 4 elektron bulunan maddeler, kimyasal olarak başka maddelerle birleşme eğilimi gösterirler. Bu maddeler, en dış yörüngelerindeki elektron sayısını 8’e tamamlama eğilimindedirler. Herhangi bir katkı maddesi katılmazsa, birbirine komşu germanyum atomları, en dış yörüngelerindeki elektronları ortak kullanarak 8 sayısına ulaşırlar. Bu paylaşma işlemi sonucunda komşu atomlar arasında “Kovalent Bağlar” oluşur. Şekil 1 – 3’te saf germanyum maddesinde oluşan kovalent bağlar görülmektedir.
Söz konusu şekilde de görüldüğü gibi, saf germanyum maddesinde, komşu atomlar, son yörüngelerindeki elektronları ortak olarak kullanmaktadırlar. Bu nedenle saf germanyum maddesi, kimyasal olarak kristal bir yapıya sahiptir. Kristal yapı, komşu atomlar arasındaki kovalent bağların sonucudur.
C – SAF (KATKISIZ) SİLİSYUMUN YAPISI
Saf silisyum maddesinin atomunda 14 proton ve 14 elektron bulunur. Silisyumun son yörüngesinde de, germanyum atomunda olduğu gibi 4 valans elektron vardır. Bu nedenle silisyum da bir yarı iletkendir. Aşağıdaki şekilde silisyumun atom yapısı görülmektedir.
Silisyumun son yörüngesinde de 4 elektron bulunduğu ve biz de daha ziyade bu 4 elektronla ilgilendiğimiz için silisyum atomunun basitleştirilmiş yapısını şekil 1 – 6’da görüldüğü gibi çizebiliriz.
Diyot, transistör, tristör ve triyak gibi elektronik devre elemanlarının imalinde, silisyum germanyuma göre çok daha yaygın olarak kullanılmaktadır.
Buraya kadar, saf germanyum ve saf silisyum maddeleri incelendi. Elektronik devre elemanları yapımında, germanyum ve silisyum maddeleri saf olarak kullanılmaz, içlerine katkı maddeleri enjekte edilerek N (negatif) ve P (pozitif) tipi yarı iletkenler elde edilirler.
D – N TİPİ YARI İLETKENLER
Saf silisyum maddesine, “Arsenik” maddesi ilavesi edilerek “N tipi yarı iletken” elde edilir. Arsenik maddesinin atomlarının en dış yörüngesinde 5 elektron bulunur. Aşağıdaki şekilde arsenik atomunun basitleştirilmiş şekli görülmektedir (Sadece en dış yörünge çizilmiş).
Saf silisyum maddesine, atomlarının en dış yörüngesinde 5 elektron bulunan arsenik maddesi katılırsa, silisyum atomları, komşu arsenik atomlarının en dış yörüngesindeki 5 elektrondan 4 tanesiyle kovalent bağlar kurar. 5. elektron ise açıkta kalır. Bu elektron, katkılı kristal yapı içerisinde serbest elektron olarak ortaya çıkar. Bu yolla, yeni kristal yapı içerisinde birçok serbest elektron meydana gelmiş olur. Şekil 1 – 8’de, arsenik katkılı silisyum maddesinin yapısı görülmektedir.
Bu maddede elektronlar protonlara göre daha fazla olduğu için madde negatif özellik kazanır ve bu nedenle N tipi madde olarak adlandırılır.
E – P TİPİ YARI İLETKENLER
Saf germanyum veya silisyum maddesine, “Bor” maddesi ilavesi edilerek “P tipi yarı iletken” elde edilir. Bor maddesinin atomlarının en dış yörüngesinde 3 elektron bulunur. Aşağıdaki şekilde, bor atomunun basitleştirilmiş çizimi görülmektedir.
Silisyum maddesine, bor maddesi enjekte edildiğinde, bor atomlarının en dış yörüngelerindeki 3 elektron, silisyum atomlarıyla kovalent bağ kurar, buna karşılık bor atomunun en dış yörüngesindeki elektron sayısı 3 olduğu için bir kovalent bağ eksik kalır. Yani her bor atomu 1 elektronluk eksiklik meydana getirir. Bu elektron eksikliği veya boşluğu “oyuk” olarak da adlandırılır. Katkılı maddede meydana gelen elektron eksikliği, bu maddenin pozitif bir yapı kazanmasına yol açar. Bu nedenle bu madde, P tipi yarı iletken olarak adlandırılır. Şekil 1 – 10’da bor katkılı silisyum maddesi görülmektedir.
Buraya kadar anlatılanları şöyle özetleyebiliriz:
Saf silisyum veya germanyum maddesine, bir miktar arsenik maddesi katılırsa, elde edilen bileşimde elektron fazlalığı ortaya çıkar ve bu madde “N tipi yarı iletken” olarak adlandırılır.
Saf silisyum veya germanyum maddesine, bir miktar bor maddesi katılırsa, elde edilen bileşimde elektron eksikliği (oyuk) ortaya çıkar ve bu madde “P tipi yarı iletken” olarak adlandırılır.
F – N VE P TİPİ YARIİLETKENLERDE ELEKTRON VE OYUK HAREKETLERİ
N tipi yarı iletkenlerde elektronlar, P tipi yarı iletkenlerde ise oyuklar akım taşıyıcı olarak görev yaparlar.
N tipi bir yarı iletken, DC gerilim kaynağına bağlandığında, bu maddedeki elektronlar (akım taşıyıcılar), gerilim kaynağının negatif kutbu tarafından itilirler ve pozitif kutbu tarafından çekilirler. Böylece gerilim kaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna doğru bir elektron akışı meydana gelir. Şekil 1 – 11’de, N tipi bir yarı iletkende elektron hareketi görülmektedir.
P tipi bir yarı iletken, DC gerilim kaynağına bağlandığında ise, akım oyuklar tarafından taşınır. Oyuklar, gerilim kaynağının pozitif kutbu tarafından itilirler ve negatif kutbu tarafından çekilirler. Böylece, gerilim kaynağının pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru bir oyuk hareketi meydana gelir. Şekil 1 – 12’de ise, P tipi bir yarı iletkende oyuk hareketi görülmektedir.
Oyuklar, kendileri bir varlık olmayıp, bulundukları yerde bir elektron eksikliği anlamına gelirler. Oyukların hareketini şekil 1 – 13’te görülen otomobillerin hareketi sırasında ters yönde giden boşlukla kıyaslayabiliriz. Söz konusu şekilde, en üstteki sırada, trafik lambasının kırmızı yanması sırasında duran arabalar görülüyor. Arabaların ilk durduğu anda, en öndeki arabayla trafik lambası arasında bir arabanın durabileceği bir boşluk kalmıştır. En öndeki araba bunu değerlendirecek ve ilerleyecektir. Bu durumda öndeki boşluk dolacak ve en öndeki arabanın daha önce bulunduğu yer boşalacaktır. Bu durumda, ilk anda en önde bulunan boşluk bir geriye hareket etmiş olur. Şimdi boşluk birinci araba ile ikinci araba arasındadır. İkinci arabanın da aynı şekilde davranarak önündeki boşluğa ilerlediğini düşünelim. Bu durumda boşluk bir geriye doğru hareket etmiş olacaktır. Bütün arabalar sırayla ilerlediklerinde boşluk en önden en arkaya doğru hareket etmiş olur.
N tipi yarı iletkenlerde de aynı şeyler olmaktadır. Elektronlar, önlerinde bulunan oyukların yerini aldıkça, bu elektronların bıraktığı oyuklar, tam ters yönde hareket etmiş olmaktadır.