www.radartutorial.eu Radar Temelleri

PN- Kavşak Diyotu

Resim 1: Devre şemalarında kullanılan standart bir diyot simgesi ve bir diyotun büyütülmüş hali

Devre şemalarında kullanılan standart bir diyot simgesi ve bir diyotun büyütülmüş hali

Resim 1: Devre şemalarında kullanılan standart bir diyot simgesi ve bir diyotun büyütülmüş hali

Eğer aynı elamana ait katkılanmış (doped) n-tipi ve p-tipi iki yarıiletken bir kristal yapıda bir araya getirilirse pn-kavşağı (pn-junction) dediğimiz bir olay meydana gelir. Bu oluşum sırasında birleşim yerinde yük taşıyıcıların yayınımları (diffusion) ve eşzamanlı yeniden birleşimleri ile sınırda yüksek dirençli bir kıtlık bölgesi (depletion region) meydana gelir. Bu bölgenin genişliği harici gerilimler uygulanarak değiştirilebilir. Resim.1 de bir pn-kavşak diyotun simgesi görülüyor. Ok işareti anodu (p-tipi yarıiletken) ve yatay çizgi katodu (n-tipi yarıiletken) belirtir. Not: Elektron akım yönü, ok yönünün tersidir. CR1 Amerikan kodlamasıdır, „Crystal Rectifier No.1” demektir.

Kıtlık bölgesi

pn-kavşağındaki fiziksel olayları anlayabilmek için önce, harici bir gerilimin uygulanmadığı durumdaki (Resim.2a) bir pn-kavşağını ele alalım. Her iki yarıiletken parçası elektriksel olarak nötrdür. n-tipi iletkende eşit sayıda serbest iletim elektronu ve durağan pozitif iyonlar bulunur. Aynısı p-tipi yarıiletken içinde geçerlidir. Yani eşit sayıda delik ve negatif iyon bulunur. Her iki yarıiletkende ki elektronların ve deliklerin yoğunluklarında ki farklar nedeniyle delikler n-bölgesine, elektronlarda p-bölgesine yayınım yoluyla sızarlar.

Kıtlık
bölgesi

Resim 2: Gerilim uygulanmamış bir pn-kavşağı
a) Yayınım öncesi p- ve n-yarıiletkenlerindeki yük taşıyıcıların yoğunlukları
b) Yayınım sonrası yük taşıyıcılarını sınır bölgesindeki yoğunlukları
c) Kıtlık bölgesi
d) Kıtlık bölgesindeki yük taşıyıcıların yoğunluğu

Gerilim uygulanmamış bir pn-kavşağı
Kıtlık
bölgesi

Resim 2: Gerilim uygulanmamış bir pn-kavşağı
a) Yayınım öncesi p- ve n-yarıiletkenlerindeki yük taşıyıcıların yoğunlukları
b) Yayınım sonrası yük taşıyıcılarını sınır bölgesindeki yoğunlukları
c) Kıtlık bölgesi
d) Kıtlık bölgesindeki yük taşıyıcıların yoğunluğu

Sınıra yakın p-tipi yarıiletkendeki iletim elektronları sınırı geçerek, p-tipi yarı iletkendeki sınıra yakın deliklerle birleşirler. Sınırı geçerek (drifting) bir delikle birleşen bir elektron, n-tipi yarıiletkendeki beş-değerli (pentavalent) atomu bir elektrondan yoksun bırakacaktır. İşte elektronunu kaybeden bu atom net bir pozitif yük haline gelecektir. Aynı durum diğer tarafta, yani p-tipi yarıiletkende meydana gelecektir. Sınıra yakın yerlerdeki üç-değerli (trivalent) atom, deliğinin elektronla birleşmesi sonucu net negatif yüke sahip olacaktır.

Bu olay yük taşıyıcıların yeniden birleşmeleri (recombinations) ile ilişkilidir. Yük taşıyıcıların yoğunlukları Resim.2b de görüldüğü gibi bir değişim gösterir. Bu nedenle ilk bakışta her iki yarı iletken parçasında kısa bir süre sonra hiç serbest elektron ve delik kalmayacağı düşünülebilir. Bu durum, eğer yayınımı durduracak herhangi bir süreç olmasaydı doğru olurdu. Resim.2c de gösterildiği gibi, yeniden birleşmeler sadece bu ince sınır çizgisinde oluşan kıtlık bölgesinde, diğer bir deyimle serbest elektronların ve deliklerin bulunmadığı bu bölgede olabilmektedir. Eğer p-tipi yarıiletkendeki bir elektron göç ederse, elektron bu n-tipi kıtlık bölgesindeki negatif iyonlarca geriye itilir. Bu elektron artık p-bölgesine sızamaz. Aynı şekilde n-bölgesindeki delikler kıtlık bölgesindeki pozitif iyonlarca geriye itileceğinden kıtlık bölgesine sızamaz.

Resim.2d de görüldüğü gibi oda sıcaklık ortamında engel gerilimi (barrier potential) adını verdiğimiz bir gerilim meydana gelir. Bu gerilim germanyum için yaklaşık 0.3 V ve silisyum için 0.7 V tur. Bu gerilimin varlığı yukarda anlatıldığı gibi, daha fazla serbest elektronların ve deliklerin yayınımını engeller. Sükunet, yani denge durumunda bu yayınım akımı sıfırlanır. Bu akımdan başka, pn-kavşağına dışardan uygulanan gerilimler sonucunda ortaya çıkan birde alan akımı vardır. Eğer pn-kavşağına herhangi bir harici gerilim uygulanmamış ise, bu iki akım dinamik olarak eşit büyüklüğe sahiptir ve net akım sıfırdır.


İleri yönde ön gerilimleme (forward biasing)

Kıtlık
bölgesi
Kıtlık bölgesi
normal sınırı
Akım

Resim 3: İleri yönde ön gerilimlenmiş pn-kavşak

İleri yönde ön gerilimlenmiş pn-kavşak
Kıtlık
bölgesi
Kıtlık bölgesi
normal sınırı
Akım

Resim 3: İleri yönde ön gerilimlenmiş pn-kavşak

Bir pn-kavşağına ileri yönde ön gerilim uygulandığında (başka bir deyimle doğru polarma yapılmışsa) n- bölgesinde bulunan iletim elektronları gerilim kaynağının katodu tarafından elektrostatik kuvvetle birleşim sınırına doğru itilirler. Benzeri durum p-bölgesinde anot tarafında yine sınıra doğru itilen delikler içinde geçerlidir. Bir kısım elektronlar kıtlık bölgesindeki pozitif iyonları nötralize ederken, diğer taraftan deliklerde bir kısım negatif iyonlarını nötralize eder. Artık kıtlık bölgesinin orijinal eni daralmıştır. Buna ilaveten harici gerilim, engel gerilimini (0.3 veya 0.7 V) aşmaya yetiyorsa elektronlar kıtlık bölgesini de geçerek p-bölgesinde sınıra yakın itilmiş deliklerle birleşirler. Elektronlar n-bölgesini terk ettikçe takviye elektronlar harici gerilim kaynağının katodundan gelmeye başlar. n-bölgesinde akım, çoğunluk taşıyıcıları (majority carriers) elektronlar tarafından gerçekleşir.

p-bölgesine sürüklenen bir elektron, bir atomun deliğiyle birleşerek o atomun valans elektronu haline gelir. (Valans elektronu bir atomun en dış kabuğundaki elektronudur. En dış kabuktaki (shell) elektron sayısı o atomun kaç değerli olduğunu gösterir.) Bu fazlalık valans elektronu uygulanan gerilimin etkisi altında, bitişik atomun deliğiyle birleşir ve süreç tekrarlanır. Elektronlar bir taraftan artı kutba doğru sürüklenirken, deliklerde sınıra doğru hareket eder. Akım, p-bölgesindeki çoğunluk taşıyıcıları olan deliklerin hareketi sayesinde gerçekleşir.

Bir pn-kavşağında yük taşıyıcıların yayınımı ve eşzamanlı yeniden birleşimleri ile sınırda yüksek dirençli bir kıtlık bölgesi meydana gelir. Bu bölgenin genişliği harici gerilimler uygulanarak değiştirilebilir. Doğru yönde ön gerilimleme ile (yani p-yarıiletkenine artı kutup, n-yarıiletkenine eksi kutup bağlı iken) elektronlar ve delikler pn-kavşağından geçiş yapabilirler.

Unutmamalıyız ki; akım, ileri ön gerilimi yönünde, gerilimin ve akımın kuvvetle yükselmesi sonucu yarı iletken malzemenin ısınmasına sebep olan çoğunluk taşıyıcıları (p-yarıiletkende delikler ve n-yarıiletkende elektronlar) ile gerçekleşir. Eğer bu akım geçişleri sırasında sıcaklık yükselirse daha fazla sayıda yük taşıyıcı serbest kalır ve bunun sonucunda daha da yükselen akım yarı iletken kristalin hasarlanmasına sebep olabilir!

Ters yönde ön gerilimleme (reverse biasing)

Kıtlık bölgesi
Kıtlık bölgesi
normal sınırı

Resim 4: Ters yönde ön gerilimlenmiş pn-kavşak

Ters yönde ön gerilimlenmiş pn-kavşak
Kıtlık bölgesi
Kıtlık bölgesi
normal sınırı

Resim 4: Ters yönde ön gerilimlenmiş pn-kavşak

Ters yönde ön gerilimleme durumunda (yani artı kutup n-yarıiletkene, eksi kutup p-yarıiletkene bağlı iken) sıcaklığa bağlı olarak çok küçük bir ters sızıntı akımı akmaktadır. Bu akımın büyüklüğü kullanılan yarıiletken malzemesinin iletkenliğine bağlıdır.

Resim.4 de gösterildiği gibi eksi kutup p-yarıiletkene ve artı kutup n-yarıiletkene bağlı iken, delikler negatif elektrot (katot) ve elektronlar pozitif elektrot (anot) tarafından çekilirler. Bunun sonucunda yük taşıyıcıları bakımından fakirleşmiş sınırdaki kıtlık bölgesinin genişliği ve direnci artar. Yani pn-kavşağı kesimdedir.

Kıtlık bölgesinde meydana gelen ısıl ikili birleşmeler sonucunda küçük bir sızıntı akımı meydana gelir. Denge, alan akımı lehine bozulmuştur. Sıcaklık yükseldikçe birleşmeler ve bunun sonucu olarakta sızıntı akımı artar.

Resim.5 te bir germanyum diyota ait akım-gerilim karakteristiği görülüyor. Eğriden görüldüğü gibi, ancak p-yarıiletkeni kaynağın artı kutbuna ve n-yarıiletkeni eksi ise kutbuna bağlı iken, daha büyük bir akım akabilmektedir.

Resim 5: Bir germanyum diyotun akım-gerilim karakteristiği

Bir germanyum diyotun akım-gerilim karakteristiği

Resim 5: Bir germanyum diyotun akım-gerilim karakteristiği

Bir yarıiletken malzemenin çok küçük miktarlarda yabancı atomlarla katkılanmasının önemi burada ortaya çıkıyor. Sabit kararsız atomlara ait yerler (yani delikler ve serbest elektronlar) olmadan, yarıiletkenler arasındaki bu kıtlık bölgesinin oluşması mümkün değildir. pn-kavşağının akımı yalnızca bir yönde geçirme özelliği yarıiletken elektroniği için çok önemlidir. Harici bir gerilim ile katı hal malzemelerinin elektriksel iletkenliğinin değiştirilebilmesi özelliği sayesinde elektronikte önemli ilerlemeler kaydedildi.


Mekaniksel yapı

Muhtelif pn-kavşaklar

Resim 6: Muhtelif pn-kavşaklar
a) Mono kristal tip
b) Alaşım tipi
c) Nokta temaslı tip

Bir pn-kavşağı p-tipi ve n-tipi katışkıları ısıtılarak tek bir kristal haline getirilebilir. Böylece yarıiletkenin bir tarafı n-tipi yarı iletken, diğer tarafı p-tipi yarıiletken olur. Bu tür pn-kavşaklarına mono kristal tipi denir. Güneş pilleri böyle yapılır.

Diğer bir yöntemde ise, n-tipi germanyum tabanın üzerine küçük bir miktar indiyum katıştırılmış p-tipi germanyum topağı yerleştirilir. Bu indiyumlu topak, kontrollü sıcaklık uygulanarak ısıtılır ve taban malzemesine yayınması sonucu bir p-tipi bölge oluşur. Bu tür pn-kavşağa erimiş-alaşım (fused-alloy) kavşak denilir. Bu yöntem yarıiletken diyotların yapımında en çok kullanılanıdır.

Diğer bir tür ise nokta temaslı tipi (point-contact type) diyotlardır. Çok ince bir telden kuvvetli akım darbeleri geçirilerek erimesi ve n-tipi taban malzemesine kaynaması sağlanır. Tel ve tabanın birleştiği bu çok küçük yüzeyin civarında ısıl işlemler sonucunda p-tipi bir bölge oluşur. Bu yöntemde çok sık kullanılır.