Tanım: Dışarıdan enerji verilmesi, katkılama v.b. etkilerle iletken durumuna geçen yapılara yarıiletken denir.
Temelde iki tip yarıiletken mevcuttur. Bunlardan iletim bandındaki elektron yoğunluğu valans bandındaki hol (deşik) yoğunluğuna eşit olana saf yarı iletken, iletim bandındaki elektron yoğunluğu valans bandındaki hol yoğunluğuna eşit olmayana katkılı yarıiletken denir.
KATKISIZ YARIİLETKENLER
Bu tip yarıiletkenlerde elektron dışarıdan yeterli enerjiyi aldığında bağ yapısından koparak üst boş iletim bandına geçer. İletim bandına geçen elektron geride hol (elektron boşluğu) bırakır.
KATKILI YARIİLETKENLER
Bu yarı iletkenlerin en önemli özelliği, katkılanan yapıya göre önemli aralıkta elektriksel özellikler göstermeleridir. Bu tür yarıiletkenlere katkı yapıldığında fazlalık elektron ya da hol oluşur. Katkı atomlarına safsızlık (impurity) denir. Katkılama oranı istenilen elektriksel özelliğe göre değişir. Yarıiletken kristale katkılanan safsızlık atomları elektron verici (donör) ya da elektron alıcı (akseptör) olarak görev yaparlar. Bu işlemler sonucunda iki tip yarı iletken meydana gelir:
n- Tipi Yarıiletkenler
Periyodik cetvelde IV-A grubunda yer alan Si ve Ge birer yarıiletkendir. Si atomu elektronları kafes içinde diğer Si atomu elektronları ile kovalent bağ yapar. Bu yapıya V-A grubu elementleri ilave edildiğinde ( N, P, As, Sb ) safsızlıklar meydana gelir. Safsızlık oluştuğunda V-A grubu elektronlarının 4 tanesi IV-A grubu atomunun 4 elektronu ile kovalent bağ yapar ve böylece 1 elektron açıkta kalır. Açıkta kalan 1 serbest elektron kristal kafes içerisinde hareket kabiliyetine sahip olur.
Kristal kafes içerisindeki serbest elektron bir enerji seviyesi meydana getirir. Bu enerji yasak band aralığında iletkenlik bandının hemen altındadır. Serbest elektronun uyarılarak iletkenlik bandına geçebilmesi için cüzi bir enerjiye gereksinim duyulur. Eğer gerekli enerji kristal kafese verilirse yarıiletken kristal iletken hale dönüşür/aslında elektriksel olarak iletime geçer.
Oda sıcaklığı dahi çoğu n-tipi yarıiletken kristali uyarmaya yeterlidir.
Germanyum (Ge) kristaline As ile katkılandığını varsayalım. Ge, 4 valans elektrona sahipken As, 5 valans elektrona sahiptir. As’in 4 atomu Ge’un 4 elektronu ile kovalent bağ yapar. As’in 5. elektronu bağ yapmayarak serbest hale geçer. Burada As verici (donör) atomdur ve Ge-As kristali n-tipi yarıiletkendir.
Donör atomlarının enerji seviyesi, donör seviyesi olarak bilinir. Donör seviyesi, yasak aralığında yer alır ve iletim bandının altındadır.
Yeterli enerji ile iletim bandının elektron yoğunluğu, valans bandı hol yoğunluğundan daha fazla olur. Bu sebeple iletkenliğin çok büyük bir kısmı elektronlar ile sağlanmış olur.
p- Tipi Yarıiletkenler
Si ve Ge gibi IV-A grubu yarı iletkenlerine III-A grubu atomlarının ( B, Al, Ga, Tl ) eklenmesiyle olur. IV-A grubu atom kristaline III-A grubu katkılandığında katkı atomlarının 3 elektronu kristalde 3 elektron ile bağ yapar ve katkı atomlarında 1 elektron boşluğu kalır. Bu boşluk, elektron geçişi sayesinde kristal kafes içinde hareket eder. Boşlukları band aralığı içinde enerji meydana getirir ve bu ek enerji seviyesi değerlilik bandının hemen üstündedir. Boşluğun, 1 elektronun safsızlık sayesinde ısısal uyarılması sonucu olduğu düşünülebilir. Böyle bir geçiş ile sadece değerlilik bandı içinde bir boşluk (taşıyıcı) oluşur. Serbest elektron safsızlık seviyesi ve ya iletken seviyesinde oluşmaz. Bu tür safsızlıklar alıcı (akseptör) olarak adlandırılır. Band aralığında meydana gelen ek seviye de alıcı enerjisi olarak tanımlanır. Burada boşluk sayısı elektron sayısından fazla olduğu için p- tipi yarıiletken oluşmuş olur.
Si kristalinin III. Grup elementlerinden Ga ile katkılandığını düşünelim. Si, 4 valans elektrona Ga, 3 valans elektrona sahiptir. Kristal içinde In atomunun 3 elektronu Si ile bağ yapar. Oluşması gereken 4. bağda boşluk meydana gelir. Bu boşluk (hol) bir başka bağdan 1 elektron ile doldurulur ve hol bu elektronun yerine geçer. Böylece hol kristal kafes içinde hareket eder.
Ga atomunun yapıya girmesiyle Si atomundan bir elektron alınmıştır. Bu sebeple Ga atomu elektron alan (akseptör) olarak tanımlanır. Akseptörün bulunduğu enerji seviyesine de akseptör seviyesi denir.
Genel olarak p- tipi yarı iletkenlerde iletim çoğunlukla holler ile yapılır.
Katkılı yarıiletkenlerde Fermi seviyesi katkı atomlarının yoğunluğuna ve cinsine göre değişir. EF = NDonör – NAkseptör olarak tanımlanır. n- tipi yarı iletkenlerde ND – NA değeri 0’dan büyük olduğu için Fermi seviyesi iletim bandına kayar. p- tipi yarı iletkenlerde ND – NA değeri 0’dan küçük olduğu için Fermi seviyesi valans bandına kayar.
Hamdi Ekici
İstanbul Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Kaynakça:
- Dinek, T., 2006. CdO yarı iletken bileşiğinin spray pyrolysis yöntemi ile elde edilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir.
- Şener, D., 2006. Sol-Gel yöntemi ile hazırlanan metal oksit ince filmlerin elektriksel, yapısal ve optiksel özelliklerinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
- Aydın, C., 2010. Metal oksit katkılı yarı iletken malzemelerin üretilmesi ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ
