.:. Atomik Yapı, Yarı İletken, İletken, Yalıtkan .:.

[e3]

1. ATOMİK YAPI
Tüm maddeler atomlardan oluşur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. Elektrik enerjisinin oluşturulmasını ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı belirler. Atomik yapıya bağlı olarak tüm elementler; iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılırlar. Elektronik endüstrisinde temel devre elemanlarının üretiminde yarıiletken materyaller kullanılır. Günümüzde elektronik devre elemanı üretiminde kullanılan iki temel materyal vardır. Bu materyaller; silisyum ve germanyumdur.İletken, yalıtkan ve yarıiletken maddelerin işlevlerini ve özelliklerini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir.

Yeryüzünde bilinen 109 element vardır. Bir elementin özelliklerini belirleyen en küçük yapıtaşı ise atomlardır. Bilinen bütün elementlerin atomik yapıları birbirinden farklıdır. Atomların birleşmesi elementleri meydana getirir.

Klasik bohr modeline göre atom, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi 3 temel parçacıktan oluşur. Bunlar; elektron, proton ve nötron'dur. Atomik yapıda; nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. Çekirdek artı yüklüdür. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar ve negatif yüklüdürler.


Elektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. Bilinen bütün elementleri bir birinden ayıran temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir atomun, proton ve nötron sayıları faklıdır. Örneğin, en basit yapıya sahip atom, hidrojen atomudur. Hidrojen atomu bir proton ve bir elektrona sahiptir. Aşağıdaki şekilde gösterilen helyum atomunun yörüngesinde iki elektron, çekirdeğinde ise; iki proton ve iki nötron bulunmaktadır.


Atom Numarası ve Ağırlığı

Bütün elementler atom numaralarına uygun olarak periyodik tabloda belirli bir düzen içinde dizilmişlerdir. Proton sayıları ile elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötral) atomlardır.Elementler, atom ağırlığına göre de belirli bir düzen içindedirler. Atom ağırlığı yaklaşık olarak çekirdekteki proton sayıları ile nötron sayılarının toplamı kadardır. Örneğin hidrojenin atom numarası 1'dir ve atom ağırlığı da 1'dir. Helyumun atom numarası 2'dir ve atom ağırlığı ise 4' tür. Normal veya tarafsız durumda verilen her hangi bir elementin bütün atomlarındaki; elektron ve proton sayıları eşittir.

Elektron Kabukları ve Yörüngeler

Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki elektronlardan daha az enerjiye sahiptir. Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerdeki elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantları şeklinde gruplaşmış yörüngeler "kabuk (shell)" olarak bilinirler. Verilen her bir atom, sabit kabuk sayısına sahiptir. Kabuklarda barınan elektronlar ise belirli bir sistem dahilinde dizilirler.

Her bir kabuk, izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. Bu elektronların enerji seviyeleri değişmez. Kabuk içindeki elektronların enerji seviyeleri bir birinden azda olsa küçük farklılıklar gösterir. Fakat; kabuklar arasındaki enerji seviyelerinin farkı çok daha büyüktür.

Çekirdek etrafında belirli bir yörüngeyi oluşturan kabuklar, K-L-M-N olarak gösterilirler. Çekirdeğe en yakın olan kabuk K ‘dır. K ve L kabukları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.


Valans Elektronları

Elektronlar çekirdekten uzaktadır ve çekirdekten ayrılma eğilimindedir. Çekirdek elektronun bu ayrılma eğilimini dengeleyecek güçtedir. Çünkü elektron negatif yüklü, çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha fazladır.Bu durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. Bir atomun en dıştaki kabuğu, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. Bu durum onu atomdan ayrılmaya daha eğilimli hale getirir. Valans (atomun değerini ayarlayan elektronlar) elektronları kimyasal reaksiyona ve malzemenin yapısına katkı sağlar.

Bir atomun en dış kabuğundaki elektronlar, çekirdek etrafında simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralarında bir bağ oluştururlar. Bu bağa "kovelant bağ" denir. Atomun en dış kabuğundaki elektronlara ise "valans elektron" adı verilir. Komşu atomların en dış kabuklarındaki elektronlar (valans elektronlar) kendi aralarında valans çiftleri oluştururlar.

İyonizasyon

Bir atom, ısı kaynağından veya ışıktan enerjilendiği zaman elektronlarının enerji seviyeleri yükselir. Elektronlar enerji kazandığında çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerleşir.

Böylece Valans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzaklaşma eğilimleri artar. Bir valans elektronu yeterli miktarda bir enerji kazandığında ancak bir üst kabuğa çıkabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir.

Bir atom, pozitif şarjın aşırı artması (protonların elektronlardan daha fazla olması) durumunda nötr değere ulaşmaya çalışır. Bu amaçla atom, valans elektronlarını harekete geçirir. Valans elektronunu kaybetme işlemi "İYONİZASYON" olarak bilinir ve atom pozitif şarj ile yüklenmiş olur ve pozitif iyon olarak adlandırılır. Örneğin; hidrojenin kimyasal sembolü H'dır. Hidrojenin valans elektronları kaybedildiğinde pozitif iyon adını alır ve H+ olarak gösterilir. Atomdan kaçan valans elektronları "serbest elektron" olarak adlandırılır. Serbest elektronlar, nötr hidrojen atomunun en dış kabuğuna doğru akar. Atom negatif yük ile yüklendiğinde(elektronların prontonlardan fazla olması) negatif iyon diye adlandırılırlar ve H- olarak gösterilirler.

2. YARIİLETKEN, İLETKEN VE YALITKAN

Büyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye bağlı olarak başlıca 3 gruba ayrılırlar. Bu guruplar; iletken, yalıtkan ve yarıiletken olarak tanımlanır. Tüm materyaller atomlardan oluşur. Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik enerjisine karşı gösterecekleri tepkiyi belirler. Genel bir atomik yapı; merkezde bir çekirdek ve çekirdeği çevreleyen yörüngelerden oluşmaktadır. Materyalin iletken veya
yalıtkan olmasında atomik yörüngede bulunan elektron sayısı çok önemlidir.

İletken

Elektrik akımının iletilmesine kolaylık gösteren materyallere iletken denir. İyi bir iletken özelliği gösteren materyallere örnek olarak, bakır, gümüş, altın ve aliminyumu sayabiliriz. Bu materyallerin ortak özelliği tek bir valans elektronuna sahip olmalarıdır.Dolayısı ile bu elektronlarını kolaylıkla kaybedebilirler. Bu tür elementler; 1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler. Örneğin bakır, altın, gümüş v.b …

Yalıtkan

Normal koşullar altında elektrik akımına zorluk gösterip, iletmeyen materyallere yalıtkan denir. Yalıtkan maddeler son yörüngelerinde 6 ile 8 arasında valans elektron barındırırlar.Serbest elektron bulundurmazlar. Yalıtkan maddelere örnek olarak bakalit, ebonit v.b ametalleri sayabiliriz.

Yarıiletken

Yarıiletken maddeler; elektrik akımına karşı, ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan özelliği gösterirler. Elektronik endüstrisinin temelini oluşturan yarıiletken maddelere örnek olarak;silisyum (si), germanyum (ge) ve karbon (ca) elementlerini verebiliriz. Bu elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar.

Enerji Bandı

Maddelerin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılmasında enerji bandları oldukça etkindir. Yalıtkan, yarıiletken ve iletken maddelerin enerji bandları aşağıda verilmiştir. Enerji bandı bir yalıtkanda çok geniştir ve çok az sayıda serbest elektron içerir.Dolayısıyla serbest elektronlar, iletkenlik bandına atlayamazlar. Bir iletkende ise; valans bandı ile iletkenlik bandı adeta birbirine girmiştir. Dolayısıyla harici bir enerji uygulanmaksızın valans elektronların çoğu iletkenlik bandına atlayabilir.Aşağıdaki şekil dikkatlice incelendiğinde yarıiletken bir maddenin enerji aralığı; yalıtkana göre daha dar, iletkene göre daha geniştir.


Silisyum ve Germanyum

Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre elemanlarının üretiminde iki tip yarı iletken malzeme kullanır. Bunlar; Silisyum (Si) ve Germanyum (Ge) elementleridir. Bu elementlerin atomlarının her ikisi de 4 Valans elektronuna sahiptir. Bunların birbirinden farkı; Silisyumun çekirdeğinde 14 proton, germanyumun çekirdeğinde 32 proton vardır.Aşağıdaki şekilde her iki malzemenin atomik yapısı görülmektedir. Silisyum bu iki malzemenin en çok kullanılanıdır.


Kovelant Bağ

Katı materyaller, kristal bir yapı oluştururlar. Slikon, kristallerden oluşmuş bir materyaldir. Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağ denilen bağlarla bağlanırlar. Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşim oluşturması sonucu meydana gelir.

Her silisyum atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronlarını kullanarak bir yapı oluşturur. Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki sayesinde kimyasal kararlılığı sağlar. Her bir silisyum atomunun valans elektronu, komşu silisyum atomunun valans elektronu ile paylaşımı sonucunda kovalent bağ oluşur. Bu durum; bir atomun diğer atom tarafından tutulmasını sağlar. Böylece paylaşılan her elektron birbirine çok yakın elektronların bir arada bulunmasını ve birbirlerini eşit miktarda çekmesini sağlar.Aşağıdaki şekil saf silisyum kristallerinin kovalent bağlarını göstermektedir. Germanyumun kovalent bağıda benzerdir. Onunda sadece dört valans elektronu vardır.


3. YARIİLETKENLERDE İLETKENLİK
Malzemenin elektrik akımını nasıl ilettiği, elektrik devrelerinin nasıl çalıştığının anlaşılması bakımından çok önemlidir. Gerçekte temel akım mantığını bilmeden diyot veya transistör gibi yarıiletken devre elemanlarının çalışmasını anlayamazsınız. Çekirdeğin etrafındaki kabuklar enerji bantları ile uyumludur. Enerji bantları birbirlerine çok yakın kabuklarla ayrılmıştır. Aralarında ise elektron bulunmaz. Bu durum aşağıdaki şekilde silisyum kristalinde (dışarıdan ısı enerjisi uygulanmaksızın)gösterilmiştir.


Elektronlar ve Boşluklarda iletkenlik

Saf bir silisyum kristali oda sıcaklığında bazı tepkimelere maruz kalır. Örneğin; bazı valans elektronlar enerji aralıklarından geçerek, valans bandından iletkenlik bandına atlarlar. Bunlara serbest elektron veya iletkenlik elektronları denir. Bu durum aşağıdaki şekil-a‘da enerji diyagramında, şekil-b‘de ise bağ diyagramında gösterilmiştir. Bir elektron; valans bandından iletkenlik bandına atladığında, valans bandında boşluklar kalacaktır. Bu boşluklara "delik=boşluk" veya "hole" denir. Isı veya ışık enerjisi yardımıyla iletkenlik bandına çıkan her elektron, valans bandında bir delik oluşturur. Bu durum, elektron boşluk çifti diye adlandırılır. İletkenlik bandındaki elektronlar enerjilerini kaybedip, valans bandındaki boşluğa geri düştüklerinde her şey eski haline döner.
Özetle; saf silisyumunun iletkenlik bandındaki elektronların bir kısmı oda sıcaklığında hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine doğru rasgeledir. Böylece valans bandındaki boşluk sayısına eşit miktarda elektron, iletkenlik bandına atlar.


Elektron ve Delik (hole) akımı
Saf silisyumun bir kısmına gerilim uygulandığında neler olduğu aşağıdaki şekil üzerinde gösterilmiştir. Şekilde iletkenlik bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca doğru gittikleri görülmektedir. Bu; serbest elektronların hareketinin oluştuğu akımın bir türüdür. Buna elektron akımı denir.


Akımı oluşturan bir diğer tip ise valans devresindeki değişimlerdir. Bu ise; serbest elektronlar neticesinde boşlukların oluşması ile meydana gelir. Valans bandında kalan diğer elektronlar ise hala diğer atomlara bağlı olup serbest değillerdir. Kristal yapı içerisinde rasgele hareket etmezler. Bununla birlikte bir valans elektronu komşu boşluğa taşınabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir değişimle). Böylece bir boşluktan diğerine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yapı içerisindeki boşluklarda bir yerden diğer yere hareket edecektir. Bu durum yukarıdaki şekilde gösterilmiştir. Boşlukların bu hareketi de "akım" diye adlandırılır.

NOT :. Alıntıdır.Tarafımdan baya uğraşılarak derlenmiştir.( Özellikle resimler iflahımı kesti. ) Yararlı olması dileğimle.Sağlıcakla kalın.İyi günler.

[diot]

@protection

lütfen alıntı kaynağınızı açıklarmısınız ?
Bize üniversitede Prof. Dr. Atilla ATAMAN böyle öğretmedi de.
Ben 1. band ile 2. bandın iç içe olduğunu , yani 1. sonu ile 2. band başının bir birinin içine girdiği valans band ile 2 band arası enerji aralığının durumuna göre iletim yalıtım veya yarı iletken durumu söz konusu diye biliyorum.
iletken Ea<4Ev
Yalıtkan Ea>4Ev
Yarı iletken Ea=4 Ev  3. 4. grup elementi şeklinde kalmış aklımda.

[e3]

Diot hocam benim şimdiye kadar öğrendiğim hiçbir atom modelinde yörüngeler iç içe değildir.Yani hepsi ayrı katmanlardadır.Aralarında bulunan enerji bandları da zaten iki yörüngeye de bağlanıyor.Sizin öğrenmiş olduğunuz ile bizim öğrenmiş olduğumuz tamamen farklı.İç içe diye bir durum resimlerde de zaten yok.Alıntı kaynağımı sormuşsunuz.Mersin MYO uzaktan eğitim verdiği için ders notlarını bizlerle paylaşıyor.Bende bunları biraz düzenleyerek buraya aktarıyorum.Şu dediğiniz konuyu biraz daha açıklarsanız hiç fena olmaz.Kafamı karıştırdınız şimdi. Başka hocaların da bu konudaki görüşlerini alırsak hiç fena olmaz.Saygılar.

[SpeedyX]

Bende iç içe değildir şeklinde öğrendim, son yörünge maksimum 8 elektron barındırabilir, 1-3 valans elektronu varsa iletken, 4-5 valans elektronu varsa yarı iletken, 6-8 valans elektronu varsa yalıtkandır. Az elektron olan yörüngeden elektron koparmak daha kolaydır. Altın'ın (sanırım) 1 valans elektronu vardır.

[e3]

Ben de 4 elektron olursa Yarı iletken, 1-3 elektron olursa iletken, 5-8 olursa da yalıtkan diye biliyorum.Herkese farklı öğretiyorlar galiba. Saygılar.

[mcan]

yani tam olarak yalıtkan diye birşey yoktur değil mi?yeterli enerji verildikden sonra her madde elektriği iletir gibi geliyor bana

[e3]

yani tam olarak yalıtkan diye birşey yoktur değil mi?yeterli enerji verildikden sonra her madde elektriği iletir gibi geliyor bana

Evet yarıiletkenler gerekli koşullar sağlanınca iletime geçiyor.Yalıtkanlar da yüksek gerilim değerlerinde iletime geçme eğiliminde bulunuyorlar.Mesela hava iletken değil, ama yüksek gerilim verildiğinde(Örneğin, yıldırımlar) iletken olup yere doğru elektrik akışını sağlıyorlar.İyi günler.

[diot]

eğer bohr atom modelinden bahsediyorsanız o modeli Yarı iletken hocaları dikkate bile almıyor. Neyse ben bizim yarı iletken kitaplarına bi bakayım. fakat durum biraz iletkenlik konusu ve katkılı yarı iletkenlerde farklı.