www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Katkılama İşlemi

Oda sıcaklığında bulunan bir saf yarıiletken, iletim elektronlarının çok az oluşu nedeniyle nispeten hayli yüksek bir dirence sahiptir. Oda sıcaklığında bulunan bir yarıiletkenin iletkenliği, bu yarıiletkenin kristal kafesine çok küçük bir miktarda (birkaç ppm den fazla değil) yabancı madde katkısı ile yükseltilebilir. Bu katkı sonucunda kristal yapı içerisinde bazı germanyum atomlarının yerlerini yabancı atomlar alır. Normal kristal düzeninin bozulduğu bu yerlere katışkı (impurity) ve bu işleme ise katkılama (doping) adı verilir.

Katkılama yapılmış bir yarıiletkene dışardan gerilim uygulandığında serbest kalacak elektronların sayısı normal duruma göre çok artar. Eğer bu katışkı, serbest kalan elektronların sayısını arttırıyorsa n-tipi katışkı; yok eğer serbest elektronların sayısı azaltıp, deliklerin (holes) sayısını arttırıyorsa p-tipi katışkı denir. İster n- veya p-tipi olsun, bu katışkılarla katkılanan yarıiletkenlere katkılı yarıiletkenler (extrinsic semiconductors) denir.

n- tipi yarıiletken

Resim 1: Arsenik katkılanmış bir germanyum kristali

Arsenik katkılanmış bir germanyum kristali

Resim 1: Arsenik katkılanmış bir germanyum kristali

Bağlanma sırasında, beş harici elektronundan dördüne ihtiyaç duyulan arsenik, antimon veya bizmut gibi beş-değerli (pentavalent) yabancı atomlar katkılama için kullanılır. Bu atomun beşinci elektronu bağlantı yapabileceği bir elektron-ortağı bulamaz. Elektronun kristal yapıya olan bağı zayıftır ve küçük bir sıcaklıkta bile yabancı atomdan kopar. Elektronun serbest kalması ile başında nötr olan olan yabancı atom kararlı bir pozitif iyona dönüşür. Mevcut yük taşıyıcılarının çoğunluğunun (majority carriers) işaretinin eksi olması nedeniyle katkılanmış bu yarı iletkene n-tipi yarı iletken denilir. Buradaki azınlık taşıyıcılar (minority carriers) deliklerdir.

Yerleştirilen bu beş-değerli yabancı atomlara elektronlarını „bağışladıkları” için verici (donor) denir. Beşinci harici elektronun arsenik atomundan kopması çok düşük sıcaklıklarda bile olabilir. Bu yüzden oda sıcaklıklarında bile tüm arsenik atomları iyonize olur. Serbest kalan beşinci elektron iletim elektronu olarak çalışır.

Bir n-tipi yarı iletkendeki elektrik iletimi, metallerdeki, örneğin bakır bir teldeki elektrik akımı gibidir. Sükunet halindeki germanyum atomlarının ısısı arttırıldığında kristal içerisindeki salınımları artar ve ayrıca elektronların hareketlerini de zorlaştırır. Yük taşıyıcıların yoğunluğu 50° C den sonra artmaya başlar. 50° C sıcaklığa kadar direnç artış gösterir, dolayısı ile iletkenliğin bu sıcaklığa kadar azalması gerekir. 50° C yi geçtikten sonra direnç azalır, iletkenlik artar.

p- tipi yarıiletken

Resim 2: İndiyum katkılanmış bir germanyum kristali

İndiyum katkılanmış bir germanyum kristali

Resim 2: İndiyum katkılanmış bir germanyum kristali

Beş-değerli atomlar yerine germanyum-kafese bu sefer üç-değerli (trivalent) atomlar yerleştirilir, yabancı atomların dış elektronları yine germanyum valans elektronları ile elektron-ikilileri meydana getirirler. Üç-değerli atomlar arasında, örneğin indiyum, galyum veya bor sayılabilir. Bu yabancı atomlara, ilave elektron kabul ettiklerinden dolayı alıcı (acceptor) denilir.

Mevcut yük taşıyıcılarının çoğunluğunun (majority carriers) işaretinin artı olması nedeniyle katkılanmış bu yarı iletkene p-tipi yarı iletken denilir. Benzeri şekilde elektronlar elektrik iletimine katılırlar, ancak bunlar azınlıkta kalmaları nedeniyle azınlık taşıyıcıları olarak adlandırılırlar.

Resim.2 de görüldüğü gibi, indiyum atomu germanyum kafese yerleştirildiğinde komşu germanyum atomunun dördüncü valans elektronu, indiyumda 3 adet valans elektronu olduğundan kendisine bir ortak elektron bulamaz, böylece bir elektron yeri boş kalır. Bu boşluk kolayca komşu atomun elektronu ile doldurulur. Böylece yarıiletkende, ikili birleşimlerden kaynaklanan elektronların bağlandığı delik sayısı artar. Başlangıçta nötr olan indiyum atomu, bir elektronun gelmesi sonucu negatif bir iyona dönüşür.

Bir p-tipi yarıiletkende elektrik iletimini ağırlıklı olarak bahsettiğimiz delik-iletimi şekiller. Eğer bir p-tipi yarıiletkene gerilim uygulanırsa, elektronlar pozitif elektroda, delikler ise negatif elektroda doğru göç ederler ve sonuçta pozitif yük taşıyıcıların üstlendiği bir elektriksel iletim gerçekleşir.

Katkılama işlemnde uygulanan yöntemler oldukça karmaşıktır. Bu tekniklere hakimiyet ile yarıiletken elektroniğinde büyük aşamalar kaydedildi.