Elektronik ve optoelektronik aygıtların temelini oluşturan yarıiletken fiziği bu aygıtlarda kullanılan yarıiletken malzemelerde iletime katılan elektron ve deşik dediğimiz yük taşıyıcılarının davranışlarını incelemektedir. KBT Bilim Sitesi’nde değerli yazarımız Polat Narin ile birlikte, bu yarıiletken malzemelerdeki elektronların ve deşiklerin davranışlarını açıklayan yarıiletken fiziğinin temellerini bilgimiz el verdiğince ifade etmeye çalışacağız. Yaklaşık 15 yazı ile bir yazı dizisine dönüşecek bu çabamızı ilgili öğrenci arkadaşlarımızın ve meraklı okuyucularımızın takip edeceğini umuyoruz.
Image: Nanyang Teknoloji Üniversitesi.
Yarıiletken fiziğini incelemeden önce okuyucumuzun bilmesi gereken bazı temel bilgilerin olması gerektiğini hatırlatmak istiyoruz. Her ne kadar anlaşılır bir şekilde yazıları ele almayı planlasak da okuyucunun da bazı temel fizik bilgilerine aşina olması anlattığımız konuların daha anlaşılır olmasını sağlayacaktır. Bu nedenle aşağıda oluşturduğumuz kısa bir liste olacak, web sitemizde önceden yayınladığımız bazı yazıların bağlantılarını içeren bu listeyi inceledikten sonra bu yarıiletken fiziği ile ilgili yazı dizimiz daha faydalı olacaktır.
Elektrik ve Manyetizmadan şu konular yarıiletken fiziği ile doğrudan ilgili olabilir:
- Elektrik yükü, yük nedir? Yarıiletken fiziğinde elektron aslında bir yük taşıyıcısıdır ve bu yükün iletimi yarıiletken fiziğinin ana konusudur.
- Coulomb yasası ve elektrik kuvveti nedir? Elektrik alanda yükler nasıl davranır? Yarıiletken fiziğinin anlaşılması için davranışlarını incelediğimiz yüklerin birbirleri ile etkileşimi de temel olarak bilinmelidir.
- Elektrik akımı nedir? Elektrik akımı aslında yük akışından ibarettir ve yarıiletken fiziği de yarıiletken malzemelerdeki yük akışıyla ilgilenir.
- Ohm yasası, özdirenç ve iletkenlik terimleri ne anlama gelir? Yarıiletken fiziğinde yarıiletken malzemeleri bu terimlere göre tanımlarız.
- Manyetik alan nedir? Yüklü parçacıklar manyetik alanda nasıl hareket eder? Manyetik kuvvet nasıl tanımlanır? Bu manyetik alan ile ilgili temel bilgiler bilinirse yarıiletkenlerde iletime katılan yüklerin manyetik alanın değişimine göre kazandıkları davranışları daha iyi anlayabilirsiniz.
- ve Maxwell denklemleri…
Atom fiziği ve Kuantum Fiziği’nden şu konularda bilgi sahibi olmak yarıiletken fiziğini anlamada yararlı olabilir:
- Çok elektronlu atomlardan oluşan yarıiletken malzemelerinin doğasını anlamak için Hund kuralları önemli bir yere sahiptir.
- Pauli dışarlama ilkesi de çok elektronlu atomların elektronik yapısını belirler ve biz yarıiletken fiziğinde yarıiletken atomlarının elektronik yapısını inceleriz.
- Dalga-parçacık ikiliği, yarıiletken fiziğinde özellikle de optik, optoelektronik uygulamalarda sık sık bahsedilen kuantum mekaniksel bir olgudur.
- Yarıiletken malzemelerinin atomlarını konuşuyorsak eğer en azından basit bir hidrojen modelini bir şekilde kavramamız gerekir. Bu nedenle Bohr atom modelini incelemek faydalı olacaktır.
- Karacisim ışıması ve fotoelektrik olay kuantum fiziğinin gelişmesinde kilometre taşı olan bu iki olay yarıiletken fiziği ile de ilgilidir.
- Kuantum fiziğinin sonuçları kadar kendisi hakkında da bilgi sahibi olmak yararlı olabilir. Kuantum mekaniğinin postülaları, kuantum dalga fonksiyonu ve fiziksel yorumu isimli yazılarımızı tavsiye edebiliriz.
- Yarıiletken malzemelerle oluşturulan aygıtlarda pek çok uygulama alanı bulan kuantum tünelleme olayını da incelemelisiniz.
Katıhal fiziğinden de Kristal Yapılar ve Kristal Kusurları isimli yazılarımız yarıiletken fiziği yazı dizisi boyunca ifade ettiklerimizi daha anlaşılır kılmada yardımcı olacak kaynaklarımız arasında olabilir.
Yarıiletken Fiziği yazı dizisinin “Yarıiletken Fiziğine Giriş” isimli bu yazımızda katıların üçe ayrıldığını ve bu katı türlerini açıklamaya çalışacağız. Dolayısıyla katılar yalıtkanlar, yarıiletkenler, ve iletkenler şeklinde iletkenlik veya özdirenç özelliklerine göre ayrılırlar.
Yalıtkanlar: Bir malzemenin yalıtkan olduğunu o malzemeye bir elektrik alan uygulayıp bir elektrik akımı iletip iletmediğine göre anlayabiliriz. Eğer elektrik alan etkisi altında iken bir elektrik akımını iletmiyorsa bu malzeme yalıtkandır. Başka bir deyişle, içinde bulunan elektrik yükleri serbest bir şekilde hareket etmeyen malzemeler yalıtkan malzemelerdir. Mükemmel bir yalıtkan malzeme yani hiçbir şekilde elektrik yükü veya akımı iletmeyen bir malzeme aslında yoktur. Ancak, cam, kağıt ve teflon gibi malzemeler çok yüksek özdirence sahip olduklarından dolayı çok iyi elektriksel yalıtkanlar olarak bilinirler.
Yalıtkanlar elektriksel iletkenlerde üzerinden geçirdikleri akımı dış ortamdan ayırmak için ve elektriksel ekipman desteği olarak kullanılırlar. Ayrıca yarıiletken malzemelerin kullanıldığı aygıtlarda yalıtkanlar farklı amaçlar için de kullanılabilir.
Katıların band teorisine göre yalıtkanın başka bir tanımı da yapılabilir ve bu tanıma da yazının sonunda katıların band teorisinin basit bir ifadesiyle birlikte yer vereceğiz.
Katıhal fiziğinde bir katının elektronik band yapısı bize o katının elektronik/elektriksel özellikleri hakkında bilgi verir. Bu elektronik band yapısı ile katı içindeki elektronun sahip olabileceği enerjileri, enerji seviyelerini tanımlanır. Aynı şekilde elektronun bir çok sebepten dolayı sahip olamayacağı enerji seviyeleri veya enerji bandları vardır, elektronik band yapısı elektron için yasaklı enerjilerin bilgisini de verir.
Bir katıdaki atomların veya moleküllerin periyodik örgüsündeki bir elektron için izinli kuantum mekaniksel dalga fonksiyonlarının açıklanması için band teorisi bu bandları ve band aralıklarını türetir. Katıların elektriksel özdirenci, optik absorpsiyonu gibi fiziksel özelliklerini açıklamada başarılı bir yaklaşımdır. Bu nedenle tüm katıhal aygıtlarının anlaşılmasının temelini oluşturur. Band teorisi ve elektronik band yapısı hakkında daha fazla bilgiyi ilerleyen yazılarımızda vereceğiz ama burada katıların band yapısına göre nasıl sınıflandırıldığını açıklamada biraz ön bilgi vermiş olduk.
Band teorisiyle türetilen katıların elektronik band yapısında, iletkenlik bandı ve değerlik bandı denilen iki band ve bu iki bandın arasında bir band aralığı bulunabilir. İletkenlik bandı serbest elektronların iletime katıldığı enerji seviyesine işaret eder, değerlik bandı ise bir katının atomlarının değerlik elektronlarının doldurduğu enerji seviyelerini ifade eder. Band aralığı ise iletkenlik bandı ile değerlik bandı arasında elektronların yasaklı olduğu enerji seviyelerini temsil etmektedir. Katılar da işte bu band aralığına göre üçe ayrılır: yalıtkanlar, yarıiletkenler ve iletkenler.
Band aralıklarına göre iletkenler, yarıiletkenler ve yalıtkanlar. Çizim: Gökhan Atmaca.
Band teorisine göre, değerlik bandı ile iletkenlik bandı arasındaki band aralığı çok yüksek olan katılar yalıtkandır. Bu aslında şu anlama geliyor, değerlik bandı ile iletkenlik bandı arasındaki enerji farkı öyle yüksek ki değerlik bandından bir elektron iletkenlik bandına geçiş yapacak enerjiye sahip değildir ve böyle iletkenlik bandına elektron geçişi olmadığı için elektriksel iletim gerçekleşmiyor. Böylece böyle bir band aralığına ya da elektronik band yapısına sahip katı elektriksel olarak yalıtkandır. Band aralığı en az 4-5 elektronVolt (eV) mertebesinde olan katılara yalıtkan deriz.
Yarıiletkenler: Yarıiletkenler ise bu band teorisine göre band aralığı 4 eV’dan daha az olan katılardır. Bu band aralığında termal veya elektrik alanla etki etme yoluyla değerlik bandından iletkenlik bandına geçişin yalıtkanlardan daha kolay olduğu malzemelere yarıiletken malzemeler denir. Bu tür malzemelerde elektriksel iletim uygulanan elektrik alanla kontrol edilebildiği için elektronik ve optoelektronik uygulamalarda bu malzemeler çok önemli bir yere sahiptir.
İletkenler: İletken bir malzeme atomların en dışında bulunan elektronlar zayıf, tabir-i caizse gevşek bağlıdırlar ve malzeme boyunca serbest hareket edebilirler. Böyle malzemelerin iletkenlik ve değerlik bandları birbiriyle çakışıktır. Başka bir deyişle, band teorisine göre band aralığı olmayan, iletkenlik bandı ve değerlik bandı birbiriyle çakışık olan katılar iletkendirler. Metaller iletkenlerin bilinen en iyi örnekleridir
Yarıiletken Fiziğine Giriş isimli yazımızda böylece katıhal fiziği veya yarıiletken fiziğine göre katıların nasıl sınıflandırıldığını incelemiş olduk. Malzemelerin band aralığının az veya büyük olması ya da çakışık olmasının bir malzemenin elektriksel iletkenliğini önemli derecede değiştirdiğini gördük. Yarıiletken Fiziği yazı dizisinde bu band aralığı kavramına sık sık atıfta bulunacağız. Çünkü elektronik, optoelektronik ve fotonik uygulamaları bu band aralığının yapısıyla doğrudan ilişkilidir.
Yazılarımızı takip etmek için Facebook sayfamızı beğenebilir veya e-posta adresinizi bırakıp e-bültenimize abone olabilirsiniz.
Gökhan Atmaca, MSc. facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Gazi Üni. Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kaynaklar:
- Ayşe Erol, Naci Balkan, Yarıiletkenler ve Optoelektronik Uygulamaları, Seçkin Yayınevi, 2013.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Insulator_(electricity)
