Malzemeler elektriksel özellikleri açısından iletkenler, yarıiletkenler ve yalıtkanlar olmak üzere 3’e ayrılır. İletken malzemeler, içerisinde çok fazla serbest elektrona sahip malzemelerdir. Bu yüzden elektronlar malzeme içerisinde rahat dolaşabilirler ve uygulanan küçük bir potansiyel ile hemen hareketlenirler. Bu hareketlilik sonrasında elektronların malzeme içerisinde birbirine çarparak devamlı olarak bir sürüklenmesi meydana gelir bu olay da bizim bildiğimiz elektrik akımıdır. (KBT Bilim Sitesi’nde yayınlanan Elektrik Akımı isimli yazımızı inceleyebilirsiniz.) Elektrik akımını oluşturmak için malzemenin elektriksel iletkenliğine bağlı olarak elektriksel potansiyel uygulanır. Yalıtkan bir malzeme içinde elektronlar serbest değildir ve atomlara bağlıdır. Bu bağları koparmak için yalıtkan malzemelere bir elektriksel potansiyel uygulanırsa eğer bu elektriksel potansiyel oldukça yüksektir. Yapısal olarak çok güçlü bir yalıtkan değilse uygulanan bu yüksek potansiyel ile malzemenin yapısı bozulabilir. Basit olarak bir plastiğe bir güç kaynağı ile elektriksel potansiyel uyguladığımızda plastik malzemenin eridiğini görebiliriz. Yarıiletken malzemeler ise elektriksel iletkenlikleri açısından yalıtkanlar ile iletkenler arasındadır. Başka bir deyişle malzeme içerisindeki elektronların ne tamamına yakını serbesttir ne de tamamına yakını atomlara bağlıdır.
Yarıiletken bir malzeme tabanlı görüntüleme sensörü.
Fizik bilmeyen birisine eğer bir yarıiletkeni anlatmak isterseniz, şu cümle çok güzel olacaktır; bir yarıiletken malzemeyi oyun hamuru olarak düşünelim, bir oyun hamurundan ev, araba veya bükülebilir yapılar yapabiliriz. Buradan yola çıkarak yarıiletken bir malzemenin elektriksel iletkenliğini değiştirebiliriz. Bu özellik yarıiletkenin önemli olmasının en açık sebebidir. Peki bir malzemenin elektriksel iletkenliği nasıl değişir? Malzemelerin elektriksel iletkenliği ve buna bağlı olarak da iletkenlik sınıflandırması “Yasak Bant Aralığı” olarak bilinen taşıyıcılar için yasak bölge olan enerji aralığı ile belirlenir. Yasak bant aralığı enerji uzayında bir malzemenin değerlik (valans) bandı ve iletkenlik bandı arasındaki boşluktur. Bu yasak enerji aralığı eğer yaklaşık olarak 0,1-4 eV aralığında ise yarıiletken, yaklaşık 9 eV civarında ise yalıtkan ve yasak enerji aralığı yoksa yani değerlik bandı ile iletkenlik bandı iç içe geçmişse iletken malzeme olduğu net olarak söylenebilir.
Yasak Bant Aralığı Nedir?
Yasak bant aralığı adeta herhangi bir malzemenin elektriksel özellikleri açısından malzemenin karakteristiğini belirler. Nasıl bir malzeme olduğunu belirler. Bu yüzden şöyle bir benzetme yapılabilir belki bir insanın kimlik bilgileri ile bir yarıiletken malzemenin elektriksel özellikleri açsından yasak bant aralığı benzer tanımlardır. Bant yapısını daha iyi anlamak için iletkenlik ve değerlik bantlarından bahsetmek gerekir. Katıların içinde elektronlar en düşük enerji seviyelerini doldurmaya başlayarak üst enerji sevilerine doğru çıkar. De broglie hipotezine göre atomların dalga ve parçacık özelliği vardır (KBT Bilim Sitesi’nde Dalga-Parçacık İkiliği üzerine olan yazımızı okuyabilirsiniz.). İşte bu dalga özelliğinden dolayı bazı enerji seviyeleri yasaklı olmaktadır ve izinli olarak doldurulmuş enerji seviyeleri bir bant gibi davranır. T=0 K sıcaklığında tamamen doldurulmuş bu bant “değerlik bandı” olarak bilinir. Bu bant içindeki seviyelerde bulunan elektronlar iletime katılmazlar. T=0 K sıcaklığında değerlik bandının hemen üzerindeki ilk boş seviye ise “iletkenlik bandı” olarak bilinir. Bu yapılan tanımlamaların hepsi “enerji uzayı” içerisinde yapılır.
Yarıiletken malzemelerin bant yapıları direkt ve indirekt bant olmak üzere ikiye ayrılır. Direkt bant yarıiletkenler, değerlik bandının maksimum noktası ile iletkenlik bandının minimum noktası aynı doğrultuda olan yarıiletkenlerdir. İndirekt bant yarıiletkenler ise değerlik bandının maksimum noktası ile iletkenlik bandının minimum noktaları aynı doğrultuda değilse indirekt bant yarıiletkenlerdir. Yarıiletken malzemenin bant yapısının indirekt veya direkt olması malzemenin optik uygulamaları için oldukça önemlidir. Daha sonraki yazılarımızda direkt ve indirekt bant yarıiletkenler ile ilgili daha detaylı bilgi verilecektir.
Doğada yarıiletkenler saf yarıiletkenler ve katkılı yarıiletkenler olmak üzere ikiye ayrılırlar. Çok bilindik bir örnek olan Silisyum ve Germanyum elementleri doğal yarıiletkenlerdir. Bant aralıkları katkılama yapılmadığı sürece değişmez. Katkılı yarıiletkenler ise GaN (Galyum Nitrür), GaAs (Galyum Arsenik) gibi yarıiletkenlerdir. Bu yapılar üçlü hatta dörtlü bileşikler şeklinde olabilirler. Saf yarıiletkenler içerisinde taşıyıcıların (elektron-deşik) sayısı eşittir. Katkılı yarıiletkenlerde durum biraz farklıdır. Katkılı yarıiletkenler n-tip ve p-tip yarıiletkenler olmak üzere ikiye ayrılır. N-tip yarıiletkenler malzeme içerisinde iletimin elektronlar tarafından sağlandığı yarıiletkenlerdir. Örnek olarak, saf bir yarıiletken olan Si (silisyum) kristaline periyodik tablonun 5. Grubundan Fosfor (P), Arsenik (As) gibi atomlar katkılanırsa katkılanmış Si kristali içerisinde fazladan bağ yapmamış elektronlar bulunacaktır. Dolayısı ile yarıiletken malzeme içerisinde elektron fazlalığı olacaktır. Bu tip yarıiletken malzemeler “n-tip” yarıiletkenler olarak bilinir. Yine Si kristaline Periyodik tablonun 3. Grubundan bir atom ile katkılama yaptığımızda katkılanan atomlar, Si atomu ile bağ yapacak sayıda elektrona sahip değillerdir. Bu yüzden elektron boşluğu oluşacaktır bu boşluk bir deşik (hole) olarak bilinir. Bu tip bir katkılama sonucunda pozitif yük üreten bir yarıiletken meydana gelir. Böyle bir yarıiletkene ise p-tip yarıiletken denilmektedir. N-tip bir yarıiletkende Fermi seviyesi iletkenlik bandına yakınken, p-tip bir yarıiletkende ise değerlik bandına yakındır. Bileşiklerin içerisindeki katkılanan atomlara bağlı olarak, bu yapıların yasak bant aralıkları değişebilir. Bu değişim, teknolojik uygulamalarda oldukça önemlidir. Çünkü bir yarıiletken malzemenin yasak bant aralığı çalıştığı frekans aralığı ile doğrudan orantılıdır. Dolayısıyla bir yarıiletken malzemenin teknolojik alanda kullanıldığı frekanslar bilinirse malzeme seçimi ve kullanım alanı doğru yapılmış olur.
Silikon (silisyum) endüstride oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle elektronik devre levhalarında, mikroçiplerde kullanılmaktadır. Bu kullanımın sebebi silikonun bol ve ucuz olması. Yine güneş pillerinde ve Metal Oksit Alan Etkili Transistör (MOS-FET) oksit malzemesi olarak SiO2 kullanılır. Ancak yazımda da bahsettiğim gibi yasak bant aralığı bir malzemenin teknolojik alanda uygulanabilirliğini gösterir. Silikonun yeni nesil teknoloji için biraz yetersiz kaldığı görülmektedir. Çünkü bant aralığı, içerisindeki elektronların hareketi yeterince istekleri karşılayabilecek düzeyde değildir. Dolayısıyla araştırmacılar başka malzemelere ve katkılı yarıiletkenlere geçiş yapmaktadırlar. Saf germanyum yarıiletken kristali düşük sıcaklılarda yalıtkan, oda sıcaklığında ise yarıiletken olarak davranabilmesi endüstride çok önemli bir yer tutmasına sebep olmuştur. Özellikle yüksek kırıcılık indisine sahip olması onun mikroskop yapımında merceklerde kullanılmasını sağlamıştır. Ayrıca yüksek bant aralığı nedeniyle GaN gibi periyodik tablonun III-V. Grup yarıiletkenleri özellikle Yüksek Elektron Hareketliliğine Sahip Transistör (HEMT) yapımında kullanılmaktadır.
Katkılı yarıiletkenler katkılama ile bant aralıklarının daha belirgin bir biçimde değişmesi üzerine oldukça fazla kullanım alanına sahiptir. Askeri uygulamalar, savunma sanayisi, bilgisayar teknolojisi, otomotiv sanayisi, Tıp başlıca örnekler olmakla birlikte bir çok alan sayılabilir. Özellikle AlGaAs (Alüminyum Galyum Arsenik), GaAs, InGaP (İndiyum Galyum Fosfat) gibi katkılı yarıiletkenler özelikle optik özellikleri açısından önemli yarıiletkenlerdir. LED ve laser yapımında oldukça önemlidir. Tıp alanında kullanılan lazerler bu yarıiletkenler tarafından oluşmaktadır. GaN tabanlı yarıiletkenler ise yüksek güç ve yüksek sıcaklıklarda çalışması onların mikro dalga uygulamalarında, Radto Frekans uygulamalarında, Radar ve Transistör uygulamalarında çok fazla kullanıma sahip olduğu bilinir.
Polat Narin, BSc.
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu – Kuark Bilim Topluluğu
Kaynaklar
- http://tr.wikipedia.org/wiki/Germanyum
- http://tr.wikipedia.org/wiki/Silikon
- http://www.emsb.qc.ca/laurenhill/science/mosfet.pdf
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/band.html#c5
Yarıiletken Fiziği yazı dizisinde önceki yazı: Yarıiletken Fiziğine Giriş
