Yarı iletkenler akımı yarım veya kısmen veren malzemelerin tanımlamasında kullanılan bir terimdir. İletkenliği, tam iletkenliğe sahip bir malzeme ile yalıtkan bir malzeme arasında yer almakta olduğu için onlara göre nispeten daha az bilinmektedir. Akıllı telefonlar yada bilgisayarlar yarı iletken adı olan katı bir maddeden oluşmuş, bir saç telinden daha ince milyarlarca transistörle kaplanmış bir silikon yatak tarafından desteklenmektedir.
Yarı İletken Nedir?
Enerji bantları ve elektrik akışı
Herhangi bir kristal, çok sayıda yakın aralıklı enerji seviyesinde elektronları barındıran atomlardan oluşmaktadır. Bununla birlikte, Pauli’nin kanıtı bu yazının kapsamı dışına çıkan dışlama ilkesine göre, zıt yönlerde dönen sadece iki elektronun tek bir enerji seviyesini barındırabilmesini ve gerçekten kararlı olmasını gerektirmektedir. Bu seviyeler, sadece bu belirli seviyelerde elektronların yerleştirilmesine izin verilen küçük mesafelerle ayrılan çizgilerle temsil edilebilmektedir. Daha sonra birkaç enerji seviyesi, enerji bantları olarak bilinen bantlar oluşturmak için bir araya getirilmektedir. Enerji bandı en az enerjiye sahiptir ve değerlik bandı olarak adlandırılırken, üstündeki enerji bandı daha yüksek bir enerji seviyesine sahiptir ve iletim bandıdır. Bir elektronun bu mesafeyi atlaması için gereken enerjiye bant boşluğu enerjisi denmektedir.
Diyagramdaki ilk kristal, değerlik bandında tek sayıda elektrona sahiptir ve bir sonraki bantta elektron yoktur, bu da en yüksek enerji seviyesinde tek, gevşek bir elektron oluşturmaktadır. Bu, küçük bir vuruş verildiğinde veya bir aküye bağlandığında büyük bir akım sağlayarak iletim bandına kolayca akacaktır. Bu kristal bir iletkendir; iletkenlerin örnekleri arasında bakır ve demir gibi metaller bulunmaktadır. İkinci kristalin elektronları sadece çok kararlı değildir ve birbirine bağlı değildir, aynı zamanda iletim bandında da bir çift elektron vardır, böylece iletim bandına elektron akışını neredeyse imkânsız hale getirmektedir ve bu bir yalıtkanı temsil etmektedir. Kağıt, kauçuk ve cam bazı yaygın yalıtkanlardır. Üçüncü kristalin gevşek bir elektronu vardır, ancak boş bir iletim bandı yoktur. Bununla birlikte, daha fazla elektron barındırabilecek yarı dolu enerji seviyeleri içermektedir. Bu gevşek elektron, yeterince güçlü bir vuruş verildiğinde iletim bandına yansıtılabilmektedir ve az miktarda akım oluşturmaktadır. Bu kristal bir yarı iletkendir; başlıca örnekleri Silikon ve Germanyum’dur.
Bu işlem, iletkenleri temsil etmekte olan köprülerin üst üste bulunduğu ya da birleştiği bir yolcu köprüsüne benzetilebilir, , bu şekilde yolcular kolayca diğer tarafa geçebilirler. Yarı iletkenler, sadece yarım kapanan ve aralarındaki mesafeyi atlaması için bir yolcunun gerekli olduğu, kötü yapılandırılmış bir köprü ile temsil edilebilmektedir. Son olarak, bir izolatör hiç kapanmayan bir köprüdür ve herhangi bir yolcunun sıçramasını ve diğer tarafa ulaşmasını imkânsız hale getirmektedir.
Yarı İletkeni Bu Kadar Özel Yapan Nedir?
Pozitif yüklerin akışı nedeniyle iletkenlik
Bir madde boyunca elektron akışına izin verme kabiliyeti, iletkenliğidir. İletkenlerin iletkenliği en yüksek düzeydedir, ancak içinden geçen elektronlar ihmal edilebilir olduğundan, bir yalıtkan için en düşüktür. Bununla birlikte, adından da anlaşılacağı gibi, bir yarı iletkenin iletkenliği orta düzeydedir. Yarı iletken hakkında bir başka ilginç şey, akımın sadece elektronlar tarafından değil, geride bıraktıkları boşluklar olarak bilinen boşluklar tarafından taşınmasıdır. Değerlik bandında geride kalan delikler, alt durumlardan elektronlar tarafından işgal edilebilmektedir ve akım akışına katkıda bulunabilmektedir. Böylece bu daha derin durumlarda da, altındaki elektronlar tarafından işgal edilecek bir delik bırakmaktadır. Bu nedenle akım, bu ‘pozitif’ yüklerin akış hızı olarak tanımlanabilmektedir.
Bir cihaz üzerinden akım kontrolünde yarı iletkenlik
Yararını düşünmek için, bir iletkenden farklı olarak bir yarı iletkenden akan akımın kontrol edilemeyen bir elektron dalgalanması değil, aksine yüklerin ve sabit akışlarının hassas bir kombinasyonu olduğu anlaşılmalıdır. Yenilikçi mühendislik, yeni enerji seviyelerini teşvik etmek amacıyla bir silikon veya germanyum atomunu kirletme fikrini ortaya atmıştır. Malzemeler ya yapıda serbestçe dolaşmaya eğilimli ve elektrik akışına katkıda bulunan bir yarı iletkenden (genellikle fosfor) daha fazla değerlik elektronu içeren kristallerle veya silikondan elektron ödünç alan daha az elektron (alüminyum) içeren kristallerle kirlenmektedir ve ekstra delikler bırakmaktadır. Fosforun serpilmesinden kaynaklanan kirlenmiş silikon, ‘n’ tipi yarı iletken olarak ve ikinci işlemden elde edilen silikon, ‘p’ tipi yarı iletken olarak adlandırılmaktadır. Kontaminasyon veya doping miktarı, akımın kontrol edilmesini sağlamaktadır.
Elektronik Kilometre Taşı: Transistör
Yarı iletkenlerin benzersiz özellikleri, mühendislerin bir devreden akım akışını kontrol eden küçük cihazlar üretmesine sebep olmuştur. Transistör olarak bilinen bu cihaz, 1947 yılındaki buluşundan bu yana insanlığın seyrini değiştirmiştir. Elektronların sallanmasına ve sıçramasına neden olan bozulma, yarı iletkenleri yüksek sıcaklıklara maruz bırakarak da ortaya çıkabilmektedir. Bu nedenle, bu malzemeler bu yüksek sıcaklıklarda iletken olarak ve düşük sıcaklıklarda (daha az jiggling) izolatör olarak ikili bir yapıya sahiptir. Transistörler, kablosuz iletişim teknolojilerinde anahtarlama cihazları ve amplifikasyon cihazları olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir transistör, p-tipi bir malzemenin iki n-tipi malzeme arasında sandviç haline getirilmesi veya n-tipi bir malzemenin iki p-tipi malzeme arasında sandviçlenmesi ile yapılmaktadır. 
Bir musluğun üstündeki düğme gibi, p-tipi malzemeye uygulanan voltaj, büyük ölçüde katkılı n-tipi malzemeden karşı taraftaki nispeten daha az katkılı n-tipi malzemeye akan akımı kontrol ederek yönetmektedir. Akmasına izin verilen akım, ‘1’ mantığı olarak yorumlanırken, hiçbir akım olmadığında ‘0’ mantığı ile tanımlanmaz, böylece bunları bilgisayarların dili olan ikili rakamlara dönüştürmektedir. Transistörler, bu ve sıfırlar arasında geçiş yapmaktadır ve benzer transistörlerden oluşan bir giriş olarak başka bir devreye beslenmektedir. Sonuç olarak bir dizi çıkışla sonuçlanmaktadır yine, biri ve sıfır.
Bu anahtarlar, bir mikro işlemcinin, bilgisayarın beyninin ve cep telefonların yapı taşları olan mantığın yapı taşlarıdır. Moore’un Yasası’na göre, bir milyarın küçük bir silikon çip üzerine sıkıştırılmasına izin veren yasalara göre, gelişmiş teknolojiler transistörlerin boyutunun nano metreye indirilmesine ve ölçeklenmesine yardımcı olmuştur. Bu büyük bir avantaj ve bu malzemelerin teknolojik dünyada devrim yaratması abartı değildir. Transistör, modern dünya yarı iletken teknolojilere bağımlı ve şekillendiğinden, geçen yüzyılın en önemli icatlarından biridir. Bu özellikle radyo, TV, e-posta ve düzinelerce farklı teknolojiyi beş inçlik tek bir küboid içine entegre etmek ve insanları küresel ölçekte bağlamak söz konusu olduğunda geçerlidir!
Kaynakça:
https://electronics.howstuffworks.com/diode.htm
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu