pn-Birleşim (diyotlar)
Resim 1: Anahtarlama simgesi ve bir standart diyotun oldukça büyütülmüş resmi
Resim 1: Anahtarlama simgesi ve bir standart diyotun oldukça büyütülmüş resmi
Eğer n-iletken ve bir benzer p-iletken bir kristal yapı oluşturmak için bir araya getirilirse, sonuçta bir pn-birleşimi (pn-junction) meydana gelir. Bir pn-birleşimi, sınır alanındaki yük taşıyıcıların yayınımı (diffusion) ve eşzamanlı yeniden birleşimleri ile sınır bölgesinde yüksek dirençli engel katmanı meydana gelir. Bu bölgenin genişliği harici gerilimler uygulanarak kontrol edilebilir. Resim.1 de, esas olarak bir pn-birleşiminden meydana gelen bir yarıiletken diyotun devre simgesi görülüyor. Simge, metal uçlu diyotların, diyot olarak halâ yaygın kullanıldığı bir zamanda ortaya çıkmıştır. 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.
Tükenim bölgesi
pn-birleşimindeki fiziksel olayları anlayabilmek için önce harici bir gerilimin henüz uygulanmadığı durumdaki (Resim.2a) bir pn-birleşimini ele alalım. Her iki yarıiletken parçası da, n-tipi iletkende eşit sayıda serbest iletim elektronu ve durağan pozitif iyonlar bulunması nedeniyle elektriksel olarak nötrdür. Aynısı p-tipi yarıiletken içinde geçerlidir. Yani eşit sayıda delik ve negatif iyon bulunur. Her iki yarıiletkendeki elektronların ve deliklerin yoğunluklarındaki değişim nedeniyle delikler n-bölgesine, elektronlarda p-bölgesine yayınım yoluyla sızarlar.
bölgesi
Resim 2: Akımsız pn-birleşimi
a) Yayınım öncesi p- ve n-yarıiletkenlerindeki yük taşıyıcılarının yoğunlukları
b) Yayınım sonrası yük taşıyıcılarının sınır bölgesindeki yoğunlukları
c) Taşıyıcıların tükendiği tükenim bölgesi
d) Tükenim bölgesindeki yük taşıyıcılarının dağılımı
bölgesi
Resim 2: Akımsız pn-birleşimi
a) Yayınım öncesi p- ve n-yarıiletkenlerindeki yük taşıyıcılarının yoğunlukları
b) Yayınım sonrası yük taşıyıcılarının sınır bölgesindeki yoğunlukları
c) Taşıyıcıların tükendiği tükenim bölgesi
d) Tükenim bölgesindeki yük taşıyıcılarının dağılımı
Bu süreç, yük taşıyıcıların yeniden birleşmesine bağlıdır. Dolayısıyla Resim. 2b de gösterildiği gibi yük taşıyıcı yoğunlukları değişecektir.
Bu nedenle ilk bakışta her iki yarıiletken parçasında kısa bir süre sonra hiç serbest elektron ve delik kalmayacağı düşünülebilir. Bu durum, eğer yayınımı durduracak herhangi bir süreç olmasaydı böyle olurdu.
Hareketli yük taşıyıcıların yeniden birleşmeleri, çarpışma noktalarında daha fazla nötr kalamayacaklarını ve bu nedenle yük olarak görüneceğini gösterir. Resim.2c de gösterildiği gibi, sınır bölgesinde bir tükenim bölgesi oluşacak ve yeniden birleşmeler yalnızca bu ince sınır katmanında olabilecektir. p-iletkendeki bir elektron göç ederse, elektron burada ortaya çıkan negatif iyonlarca geriye itilir. Bu elektron artık p-bölgesine sızamaz. Aynı şekilde, n-bölgesindeki pozitif tükenim bölgesi deliklerin n-iletkene daha derin sızmasını önler.
Tükenim bölgesinin içinde, ikili yapı oluşturan elektronlar ve delikler yayınım akımına (diffusion current) karşı koyar. Yayınıma zıt bu akıma alan akımı denilir. Yayınım akımı ve alan akımı diyotta gerilim uygulanmadığı sürece bir dinamik denge oluşturur.
Doğru kutuplanma (forward biasing)
bölgesi
Resim 3: İleri yönde öngerilimleme
bölgesi
Resim 3: İleri yönde öngerilimleme
Bir pn-birleşimine ileri yönde bir öngerilim uygulandığında, elektronlar ve delikler birleşim sınır bölgesine doğru itilirler. Benzeri durum p-bölgesinde anot tarafında yine sınıra doğru itilen delikler için de geçerlidir. Artık engel katmanı yük taşıyıcıları ile aşırı dolmuştur ve engel bölgesinin direnci azalır. Alan akımı ile yayınım akımı arasındaki denge yayınım akımı lehine bozulur.
Yine pozitif kutup pilin p-iletkenine, negatif kutup ise n-iletkenine bağlanır. Pozitif kutbun pozitif gerilimi, pozitif delikleri iter ve negatif iyonlarla yeniden birleşmelere neden oldukları malzemenin içine doğru yönlendirir.
Aynı zamanda, katodun negatif gerilimi elektronları malzemenin içine iter, bu da n-malzemenin pozitif iyonları ile yeniden birleşimine neden olur. İki taraftaki tükenim bölgesindeki taşıyıcılarının sayısı azaldığından, engel katmanının kalınlığı büyük ölçüde azalır, böylece taşıyıcı engel bölgesinden geçebilir. Oldukça güçlü bir akım akışı başlar.
Bir pn-birleşiminde yük taşıyıcıların yayınımı ve eşzamanlı yeniden birleşimleri ile sınırda bir yüksek dirençli engel katmanı meydana gelir. Bu bölgenin genişliği harici gerilimler uygulanarak değiştirilebilir. Doğru yönde öngerilimleme ile (yani p-yarıiletkenine artı kutup, n-yarıiletkenine eksi kutup bağlı iken) elektronlar ve delikler pn-birleşiminden geçiş yapabilirler.
Akımın ileri öngerilim yönünde, çoğunluk taşıyıcıları (p-yarıiletken malzemede delikler ve n-yarıiletken malzemede elektronlar) ile gerçekleştiğini, böylece gerilimin ve akımın kuvvetle yükselmesi sonucu yarıiletken malzemenin ısınmasına neden olduğunu hatırlamak önemlidir. Eğer bu akım geçişleri sırasında sıcaklık yükselirse daha fazla sayıda yük taşıyıcı serbest kalır ve bunun sonucunda yarıiletken kristal ısıl olarak hasarlanana kadar akım daha da yükselmeye devam eder!
Ters kutuplama (reverse biasing)
Resim 4: Diyotta ters kutuplama
Resim 4: Diyotta ters kutuplama
Ters kutuplama durumunda (yani artı kutup n-yarıiletkene, eksi kutup p-yarıiletkene bağlı iken) sıcaklığa bağlı olarak çok küçük bir ters sızıntı akımı akar. Bu akımın büyüklüğü kullanılan yarıiletken malzemesinin özgün iletkenliğine bağlıdır.
Resim.4 de gösterildiği gibi, eksi kutup p-yarıiletkene ve artı kutup n-yarıiletkene bağlı iken, delikler negatif elektrota (katoda) ve elektronlar pozitif elektrota (anoda) doğru çekilirler. Bunun sonucunda yük taşıyıcıları bakımından fakirleşmiş sınırdaki tükenim bölgesinin genişliği ve direnci artar. Yani pn-birleşimi kesim modundadır.
Kesme 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 da artar.
Resim.5 te bir germanyum diyotun 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 akmaktadır.
Resim 5: Bir germanyum diyotun akım-gerilim karakteristiği
Resim 5: Bir germanyum diyotun akım-gerilim karakteristiği
Bir yarıiletken malzemeye yabancı atomların katkılanmasının önemi burada ortaya çıkıyor. Sabit katışkılar (stationary impurities) (yani delikler ve serbest elektronlar) olmadan, yarıiletkenler arasındaki bu engel bölgesinin oluşması mümkün değildir. pn-birleşiminin akımı yalnızca bir yönde geçirme özelliği yarıiletken elektroniği için çok önemlidir. Bu teknolojideki belirleyici ilerleme, katı malzemenin elektriksel iletkenliğinin dış gerilimlerle çok hızlı bir şekilde değiştirilebilmesinden kaynaklanmaktadır.
Mekaniksel yapı
Resim 6: Değişik pn-birleşimleri
a) Tek kristalli
b) İndiyum topağı
c) Nokta temaslı diyot
Bir pn-birleşimini oluşturmanın bir yolu, sıvı çıkış malzemesi elde edilene kadar yarıiletken kristali zaman içinde bir belirli noktaya kadar ısıtmaktır. Örneğin n-iletkenli kristal, p-iletken olarak büyümeye devam eder. Güneş pillerinin üretiminde kullanılanlar gibi, çok geniş alanlı tek kristalli pn-birleşimleri burada böyle yapılırlar.
Diğer bir yöntemde ise, n-katkılanmış germanyum taban malzemesinin üzerine az miktarda indiyum karıştırılmış (n-katkılı germanyum) uygulanmasıdır. Bu indiyum topak (indium bead) denilen malzeme sıcaklık kontrollü uygulanarak ısıtılır ve kısmen taban malzemesine yayılır. Bu tür pn-birleşime erimiş-alaşım (fused-alloy) birleşim denilir. Bu yöntem yarıiletken diyotların yapımında en çok kullanılanıdır.
Diğer bir tür ise, çok ince bir metal telin n-katkılı germanyuma kaynaması ile yapılan nokta temas tipi diyotlardır (point-contact type diodes). Bu ince tel, taban malzemesine güçlü bir akım darbesi kullanarak eritilmesiyle germanyuma bağlanır. Bu pn-birleşimi çok küçük bir alanı kapladığından, bu diyot biçimi çok yüksek frekanslı uygulamalar için uygundur.