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. Şekil 2.6 'da görüldüğü gibi 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 olur.

N Tipi Yarı İletken Kristali

N Tipi Kristalin Oluşumu:

•  Eritilen Germanyum veya Silikon kristaline Tablo 2.2 'de verilen 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.

Tablo 2.2. N ve P tipi kristallerin yapımında kullanılan elementler.

Atom numarası	Eleman adı	Sembolü	Yörüngedeki elektron sayısı
			K	L	M	N	O
13 14 15 31 32 33 49 51	Alüminyum Silikon Fosfor Galliyum Germanyum Arsenik İndiyum Antimuvan	Al Si P Ga Ge As In Sb	2 2 2 2 2 2 2 2	8 8 8 8 8 8 8 8	3 4 5 18 18 18 18 18	3 4 5 18 18	3 5

Katkı maddesinin kristal yapı içerisinde yer alışı:

Şekil 2.7 'de 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.

Şekillerde Gösterilenler:

Kristal yapıyı göstermek için kullanılan şekillerde, sadelik bakımından yalnızca, kristale asıl özelliğini kazandıran atom ve elektrolar gösterilmektedir.

N tipi bir kristale, Şekil 2.8 'de gösterilmiş olduğu gibi şunlar özellik kazandırmaktadır:

1. Serbest elektronlar: Akım taşıyıcılardır.
2. Verici katkı maddesi atomları: Etkisiz "pozitif iyon" halinde olduğundan, daire içerisinde gösterilmiştir.

Şekil 2.8 - N tipi yarı iletken kristali
(-): Serbest elektronlar. (Akım iletimini sağlar.)
(+):Verici katkı maddesi atomları. (Etkisiz "+" iyon halindedir.)

P Tipi Yarı İletken Kristali

Germanyum veya Slikon kristaline Alüminyum gibi 3 valans elektrona sahip bir katkı maddesi ilave edildiğin de, Şekil 2.9 'da da görüldüğü gibi, şu gelişmeler olur.

•  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.

•  Ge veya Si Atomları: Kristal yapıyı oluşturmaktadır.
•  Verici Katkı Maddesi: Elektron almak üzere, katılan madde.
•  Negatif İyonlar: Katkı maddesi atomlarının tamamına yakın kısmı, Si veya Ge atomlarından 1 elektron olarak negatif elektrik yüklü hale gelmektedir. Ancak, bunlar kovalan bağlı olduğundan elektriksel bir etkisi bulunmadan negatif iyon halinde kalmaktadır.
•  Çoğunluk Taşıyıcıları: 1 elektronu kaybetmiş olan ve dolayısıyla da, pozitif elektrik yüklü (oyuklu) hale gelen çok sayıdaki Si ve Ge atomlarıdır. Bunlar P tipi kristalde akım taşıma görevi yaparlar.
•  Azınlık Taşıyıcıları: P tipi kristalde bulunabilen çok az sayıdaki serbest elektronlardır. Bunlara da, akım taşıyıcı olarak az sayıda bulunduğundan, azınlık taşıyıcıları denmiştir.

Şekillerde Gösterilenler:

Şekil 2.10 'da görüldüğü gibi, kristal yapıyı göstermek için kullanılan şekillerde, sadelik bakımından yalnızca, kristale özellik kazandıran atomlar ve elektronlar gösterilir.

P tipi kristalde şunlar gösterilmektedir:

1. Pozitif elektrik yükleri (oyuklar): Akım iletimini sağlamaktadırlar.
2. Alıcı katkı maddesi atomları: Etkisiz (-) iyon halindedirler.

Şekil 2.10 - P tipi yarı iletken kristali
(+): Pozitif elektrik yükleri. (oyuklar) (Akım iletimi sağlamaktadır.)
(-): Alıcı katkı maddesi atomları. (Etkisiz "-" iyon halindedirler.)