Saf Germanyumun ve Silikonun Kristal Yapısı, Kovalan Bağları
Germanyum ve Silikon yarı iletkenleri, kristal yapılarının kazandırdığı bir takım iletken özelliğine sahiptir.
Germanyum ve Silikon, elektroniğin ana elemanları olan, DİYOTLARIN, TRANSİSTÖRLERİN ve ENTEGRE DEVRELERİN üretiminde kullanılmaktadır. Bu nedenle, elektronik devre elemanları hakkındaki temel bilgilerin edinilebilmesi bakımından bu iki yarı iletkenin yapılarının iyi bilinmesi gerekir.
Her iki yarı iletken de tabiattan elde edilmekte ve saflaştırılarak monokristal haline getirildikten sonra devre elemanların üretiminde kullanılmaktadır.
Germanyumun Elde Edilişi
Germanyum başlıca iki kaynaktan sağlanır:
Bazı cins maden kömürünün baca tozlarından,
Çinko rafine endüstrisi yan ürünlerinden
Yukarıda belirtilen kaynaklardan germanyumun oluşturulabilmesi için uzun işlemler gerekmektedir.
Bu iki evrede oluşturulan germanyum henüz saf değildir. içerisinde bazı yabancı maddeler bulunur. Germanyumun kullanılabilinmesi için önce içindeki yabancı madde oranının 1/108 'in altına düşürülmesi gerekmektedir. Bunu sağlamak içinde ikinci evre olarak saflaştırma işlemi yapılır.
Germanyumun Saflaştırılması:
Germanyumun saflaştırılmasında en çok uygulanan yöntem "Bölgesel saflaştırma" dır.
Isıtıcı sistem, germanyumun erime derecesi olan 936°C 'ye ayarlanıştır.
Germanyum çubuğun ısıtıcı içerisine giren ucu erimeye başlar ve çubuğun hareketi ile erime bir uçtan öbür uca doğru devam eder.
Aynı anda germanyum içerisinde ki yabancı maddeler de eriyerek çubuğun arka tarafına toplanır. Saflaştırma sonunda bu uç kesilerek alınır.
Kesilecek uç direnç kontrolü ile belirlenir. Germanyum saflaştıkça direnci artmaktadır.
Gerekirse bu işlemler birkaç kez daha tekrarlanarak germanyumun saflık derecesi arttırılabilir. Bu halde germanyum henüz polikristal 'dir.
Silikonun Elde Edilişi ve Saflaştırılması:
Silikon tabiatta silika (Kuartz yahut kum) halinde bol miktarda bulunur. Silikon, germanyum için anlatılan yöntemle saflaştırılmaz. İçerisinde bulunan BOR "bölgesel saflaştırma" yolu ile tamamen alınamamaktadır.Saflaştırma işlemi çok uzun sürmektedir.
Germanyumun MonoKristal Hale Getirilmesi:
Germanyum ve silikon ancak MONOKRİSTAL haline getirildikten sonra DİYOT, TRANSİSTÖR ve ENTEGRE DEVRELERİN üretiminde kullanılabilir. "Monokristal" kelimesi uluslararası bir terimdir ve Tek tip kristal anlamına gelmektedir.
Germanyumda monokristal yapı şöyle oluşmaktadır:
Poli kristalli saf germanyum grafit bir pota içerisinde ergime derecesine kadar ısıtılır. Ergimiş germanyum içerisine, Şekil 2.3 'te görüldüğü gibi monokristal halindeki germanyum çubuk daldırılıp yavaş yavaş döndürülerek çekilir.
Çekme işlemi ilerledikçe, eriyik halindeki germanyum da yüzeysel gerilim etkisiyle çubuk etrafında toplanır ve aynı zamanda çubuğun kristal yapısına uygun olarak katılaşır. Bütün eriyik katılaşıncaya kadar aynı işlemle çekmeye devam edilir. Sounda, monokristal yapıya sahip bir germanyum kitlesi ortaya çıkar.
Siliskonun Monokristal Haline Getirilmesi:
Her ne kadar, monokristal silikon da Germanyum gibi tek kristal çekirdekten üretilse de, ergime derecesinin yüksek (1420°C) olması ve başka maddelerle birleşmemesi nedeniyle işlem ayrıntılarında farklılıklar vardır.
Saf Germanyum ve Silikonun Kristal Yapısı
Gerek Germanyum gerekse de Silikon kristal yapı bakımından aynı olduğundan, anlatımda örnek olarak birinin veya diğerinin alınması fark etmemektedir.
Daha önce de açıklandığı gibi, germanyum ve silikonun yararlı hale gelebilmesi için monokristal yapıya dönüştürülmeleri gerekmektedir.
MonoKristal yapı nedir?
Monokristal yapıda atomlar bir kübik kafes sistemi oluşturmaktadır. Sistemdeki kürecikler, atomları gösteriyor. Atomlar arasındaki yollar da kovalan bağları sembolize ediyor.
Kovalan Bağ
Monokristal yapılarda, valans elektronlar komşu iki atomun dış yörüngelerinde birlikte bulunmaktadır. Bu durum iki elektron arasıda sanki bir bağ varmış gibi yorumlanmaktadır. İşte bu sembolik bağa kovalan bağ adı verilir.
Şekil 2.5 'te Germanyum monokristalin atomları arasındaki kovalan bağlar gösterilmiştir. Kovalan bağların ucundaki elektronlar her iki atoma da bağlı bulunduğundan atomların dış yörüngeleri 8 elektronlu olmaktadır.
Dış yörüngesinde 8 elektron bulunan atomlar elektron almaya ve vermeye istekli olmazlar.
NOT:
Kimilerince "kovalan" yerine İngilizce yazılımına uyarak "kovelent" terimi kullanılmaktadır. "KOVALAN" kelimesi Türkçe ses uyumu bakımından daha uygundur.
Bir monokristal ısıtıldığında veya ışık ve elektriksel gerilim etkisi altında bırakıldığında, kovalan bağ kuvvetini yenen çok az sayıdaki elektron atomdan uzaklaşır. Bu durum bir yarı iletkenlik belirtisi olmaktadır
Saf Olmayan (Katkı Maddeli) Germanyum ve Silikonun Kristal Yapısı
Diyotlar, transistörler, entegre devreler v.b. gibi aktif devre elemanlarının yapımında kullanılan germanyum ve silikon yarı iletken kristallerinin önce N ve P tipi kristaller haline dönüştürülmeleri gerekmektedir.
N veya P tipi kristal yapısını elde edebilmek için bir pota içerisine konulan germanyum veya silikon monokristali eritilir, belirli oranlarda katkı maddesi karıştırılır. Sonrada özel olarak hazırlanmış monokristal çekirdek, eriyiğe daldırılıp döndürülerek çekilir.
Konulan katkı maddesinin cinsine göre çekilen kristal N veya P tipi dır
Tipi Yarı İletken Kristali
N Tipi Kristalin Oluşumu:
Eritilen Germanyum veya Silikon kristaline 5 valans elektronlu fosfor, arsenik,
antimuvan gibi katkı maddelerinden biri katılır.
Yukarıda anlatılan yöntem uygulanarak bu katkı maddesi atomlarının kristal içine yayılıp etrafındaki
Germanyum veya Silikon atomları ile kovalan bağ oluşturması sağlanır
katkı maddesi olarak en çok kullanılan Arseniğin Germanyum kristalinde yer alışı gösterilmiştir.
Arsenik 5 valans elektronlu olduğundan ancak 4 elektronu komşu germanyum atomlarıyla kovalan bağ oluşturur. 5. elektron ise çekirdeğin pozitif çekme kuvvetinin etkisi altında zayıf olarak atoma bağlı kalmakta ve ufak bir enerji altında serbest hale geçmektedir. Hatta, bir kısmı başlangıçta, ısı ve ışık etkisiyle atomdan ayrılır.
Böylece Arsenik, Germanyum kristali için bir elektron kaynağı olmaktadır ve kristal içerisinde pek çok serbest elektron bulunmaktadır.
Bu yapı, N tipi yarı iletken kristali olarak tanımlanır.
N tipi kristal" deyimindeki harfi, "Negatif" kelimesinin ilk harfidir. Kristal içerisindeki SERBEST ELEKTRONLARIN yarattığı "negatif elektrik yükünü" sembolize etmektedir. N tipi kristaldeki AKIM TAŞIMA İŞLEMİNİ bu elektronlar gerçekleştirmektedir.
N Tipi Yarı İletken Kristalinde Bulunanlar
Ge veya Si ATOMLARI: Kristal yapıyı oluşturmaktadır. Aralarında Kovalan bağ vardır.
Verici Katkı Maddesi: Atomları kolaylıkla elektron veren katkı elementleridir. Bu nedenle Verici Katkı Maddesi denmiştir.
Pozitif İyonlar: Verici katkı maddesi atomlarının tamamına yakın kısmı, Ge veya Si atomları ile kovalan bağ oluşturarak 1 elektronunu kaybetmiş olduğundan POZİTİF İYON halindedirler. Ancak, kovalan bağlı olduğundan elektriksel bir etkisi bulunmamaktadır.
Çoğunluk Taşıyıcıları: Verici katkı maddesinden ayrılmış olan elektronlardır.
Bu elektronlara, çok sayıda olduğundan ve akım taşıma görevini de yürüttüğünden, çoğunluk taşıyıcıları adı verilmiştir.
Azınlık Taşıyıcıları: N tipi germanyum veya silikon kristalinde, ısı ve ışık emişi nedeniyle, veya gerilim etkisiyle kovalan bağlarını koparan bir kısım elektronun atomdan ayrılması sonucu, geride pozitif elektrik yüklü Ge veya Si atomları kalmaktadır.
Bu tür atomlar da elektrik akımı taşıma özelliğine sahiptir. Ancak azınlıkta kaldığından, bunlara da azınlık taşıyıcıları denmiştir. Normal çalışma düzeninde önemli sayılabilecek rolleri bulunmamaktadır.
Kristal yapıyı göstermek için kullanılan şekillerde, sadelik bakımından yalnızca, kristale asıl özelliğini kazandıran atom ve elektrolar gösterilmektedir.
P Tipi Yarı İletken Kristali
Bu katkı maddelerinin 3 valans elektron bulunduğundan, atom teorisi gereğince bunu 4 'e tamamlamak
ister, Bu nedenle, komşu Ge veya Si atomundan 1 elektron alır ve 4 kovalan bağ oluşturur.
1 elektron alan katkı maddesi atomu, NEGATİF İYON haline gelir. Ancak, kovalan bağlı olduğundan
herhangi bir elektriksel etkinliği olmaz. 1 elektronu kaybeden Ge veya Si atomunda 1 ELEKTRON
BOŞLUĞU oluşur. Bu boşluk, genellikle delik veya oyuk olarak adlandırılır. Ancak bu terimler elektriksel
yönden atomun durumunu yansıtmamaktadır.
Bir elektronu veren atom, pozitif elektrik yükü hale geldiğinden, delik veya oyuk yerine "POZİTİF ELEKTRİK YÜKÜ" demek daha doğrudur. Nitekim oluşan kristale, " pozitif elektrik yükleri" amaçlanarak P TİPİ KRİSTAL denmiştir. P tipi kristalde akım taşıma işlemi "pozitif elektrik yükleri" tarafından gerçekleştirilir.
Etiketler : Saf Germanyum, Saf Germanyum Nedir
