Fizik. Net. Tr

Elektronik

ELEKTRONİK DEVRE ELEMANLARI

Transistör 20. yüzyılın en büyük buluşlarından biri olduğu düşünülmektedir. İnsanlığın aya gitmesi, giderek daha küçük ve daha etkili bilgisyarların yapılması, kulak içi işitme cihazları, günümüz dünyasında transistör içeren örneklerden bazılarıdır. Transistörlü radyo, transistör içeren bir yapının ilk ticari başarısıdır. Günümüzde transistör, entegre devrelerin yapısında hayati rol oynamakta işlemcilerin kaç milyon transistör içerdiğinden bahsedilmektedir. Kimileri transistörü bilgi çağının sinir hücresi olarak tanımlamaktadır. Transistör bu kadar büyük öneme sahip olmasına rağmen ne olduğunu ya da nasıl çalıştığını bilen insan sayısı çok azdır.

İletken, Yalıtkan ve Yarı İletken Maddeler

Yeryüzündeki bütün maddeler, atomlardan oluşmuştur. Atom ise ortada bir çekirdek ve bunun etrafındaki değişik yörüngelerde hareket eden elektronlardan oluşmaktadır. Elektronlar, negatif elektrik yüküne sahiptir. Bir etkime yolu ile atomdan ayrılan elektronların bir devre içerisindeki hareketi, elektrik akımını oluşturur. Elektronların her madde içerisindeki hareketi aynı değildir.

Yalıtkan, yarı iletken, iletken enerji bantları

Elektron hareketine göre maddeler üçe ayrılır: İletkenler, yalıtkanlar ve yarı iletkenler. Aşağıdaki resimde bu maddelerin enerji bantları görülmektedir. İletkenliğin sağlanması için bu enerji bandının aşılması gerekmektedir.

 

İletkenlerin başlıca özellikleri:

• Elektrik akımını iyi iletir.
• Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı, ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılır.
•Dış yörüngedeki elektronlara valans elektronu denir.
•Metaller, bazı sıvı ve gazlar iletken olarak kullanılır.
•Metaller, sıvı ve gazlara göre daha iyi iletkendir.
•Metaller de iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara ayrılır.
•Atomları 1 valans elektronlu olan metaller, iyi iletkendir. Buna örnek olarak altın, gümüş, bakır gösterilebilir.
•Bakır tam saf olarak elde edilmediğinden altın ve gümüşe göre biraz daha kötü iletken olmasına rağmen, ucuz ve bol olduğundan en çok kullanılan metaldir.
•Atomlarında 2 ve 3 valans elektronu olan demir (2 dış elektronlu) ve alüminyum (3 dış elektronlu) iyi birer iletken olmamasına ve bakıra karşı daha az mukavemetli olmasına rağmen ucuz ve bol olduğu için tercih edilmiştir.

Yalıtkanların başlıca özelikleri:

•Elektrik akımını iletmeyen maddelerdir.
•Bunlara örnek olarak cam, mika, kâğıt, kauçuk, lastik ve plastik maddeler gösterilebilir.
•Elektronları atomlarına sıkı olarak bağlıdır.
•Bu maddelerin dış yörüngedeki elektron sayıları 8 ve 8 ‘e yakın sayıda olduğundan atomdan uzaklaştırılmaları zor olmaktadır.

Yarı İletken maddelerin özellikleri:

•İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alır.
•Normal hâlde yalıtkandır.
•Ancak ısı, ışık ve manyetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hâle geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır.
•Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına döner.
•Tabiatta basit eleman hâlinde bulunduğu gibi laboratuvarda bileşik eleman hâlinde de elde edilir.
•Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptir. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır.
•Bu tür yarı iletkenler, yukarıda belirtildiği gibi ısı, ışık, etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli oranda iletken hâle geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleri artırılmaktadır.

Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri

•Elektroniğin iki temel elemanı olan diyot ve transistörlerin üretiminde kullanılan germanyum (Ge) ve silikon (Si) yarı iletkenleri gelecek bölümde daha geniş olarak incelenecektir.
•Elektroniğin iki temel elemanı olan diyot ve transistörlerin üretiminde kullanılan germanyum (Ge) ve silikon (Si) yarı iletkenleri gelecek bölümde daha geniş olarak incelenecektir.

Yarı iletken maddeler:

Günümüzde yarı iletken maddeler adına tarihsel açıdan önce germanyum daha sonra da silisyum gelmektedir. Silisyum artık neredeyse tek kullanılan madde halini almıştır. Bunun nedeni hem doğada çok bulunması hem de germanyum kullanılan durumlara göre daha yüksek sıcaklıklara dayanıklı diyot ve transistör yapılabilmesini sağlamaktadır.

Silisyum

Silisyum gri renkli ve kristal yapıya sahip bir elementtir. Silisyum dünya üzerinde oksijen bileşiklerinden sonra en çok rastlanan elementtir. Doğada oksijenle birlikte kuartz, kayalarda ve kum şeklinde karşımıza çıkmaktadır. Silisyumun yarı iletken olarak kullanılabilmesi için çok saf halde bulunması gerekmektedir.

Germanyum

Yarı iletken tarihine bakıldığında germanyum transistör yapımında daha çok kullanılmakla beraber günümüzde kullanımı iyice azalmıştır. Transistör içerisinde kullanıldığında silisyuma göre yüksek sıcaklıklara çok dayanamamaktadır.

Silisyum ve Germanyum atomu

Katkı Yapılması

Yarı iletken maddeler içlerine yapılan katkının ne olduğuna bağlı olarak elektriksel özelliklerini iletkenlik düzeyini değiştirmektedir.

N tipi Katkı Maddeleri:

Kullanacağımız yarı iletkenin N tipi olmasını istediğimizde periyodik tabloda belirtilen sütundan seçim yapılmaktadır. Böylelikle kristal yapı içerisinde elektron fazlalığı sağlanmış olur.

Elektron Fazlasının Oluşması: (N tipi Yarı iletken)

Arsenik maddesinin atomlarının valans yörüngelerinde 5 adet elektron bulunur. Silisyum ile arsenik maddeleri birleştirildiğinde arsenik ile silisyum atomlarının kurdukları kovalent bağdan arsenik atomunun 1 elektronu açıkta kalır. Yandaki resimde açıkta kalan elektronu görebilirsiniz. Bu sayede birleşimde milyonlarca elektron serbest kalmış olur. Bu da birleşime negatif madde özelliği kazandırır. N tipi madde bir gerilim kaynağına bağlandığında üzerindeki serbest elektronlar kaynağın negatif kutbundan itilip pozitif kutbundan çekilirler ve gerilim kaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna doğru bir elektron akışı başlar.

P tipi Katkı Maddeleri

Bir diğer katkı katkı maddesinin periyodik tablodaki yeri yandaki resimde görülmektedir. Bu katkı türü yarı iletken yapı içerisinde oyuk oluşmasını sağlamaktadır (yani elektron eksikliği).

Oyuk Oluşması (P Tipi yarıiletken)

Bor maddesinin de valans yörüngesinde 3 adet elektron bulunmaktadır. Silisyum maddesine bor maddesi enjekte edildiğinde atomların kurduğu kovalent bağlardan bir elektronluk eksiklik kalır. Bu eksikliğe oyuk adı verilir. Bu elektron eksikliği, karışıma pozitif madde özelliği kazandırır. P tipi maddeye bir gerilim kaynağı bağlandığında kaynağın negatif kutbundaki elektronlar p tipi maddedeki oyukları doldurarak kaynağın pozitif kutbuna doğru ilerler. Elektronlar pozitif kutba doğru ilerlerken oyuklarda elektronların ters yönünde hareket etmiş olur. Bu kaynağın pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru bir oyuk hareketi sağlar.

ELEKTRONİK DEVRELER

Elektrik enerjisini kullanarak bilgi oluşturan, bilgiyi değiştiren, ileten ya da depolayan sistemlere elektronik denir.

Diyotlar:

Elektronik devrelerde elektrik akımının yalnızca bir yönde geçişine izin veren devre elemanlarına diyot denir. Diyotlar, silikon gibi yarı iletkenlerden yapılır.

Yukarıdaki resimde, diyotun devredeki gösterilişi ve resmi yer almaktadır.

Diyot bir devrede direnç gibi diğer devre elemanları ile birlikte ve bunlara genellikle seri  olarak bağlanır. Her diyotun bir gerilimi vardır. Bir diyot devreye düzgün olarak bağlanıp, geriliminden küçük voltaj uygulandığında kayda değer bir akım geçirmez. Örneğin silikondan yapılmış bir diyotun gerilimi 0,7 v tur. Böyle bir diyotun bağlı olduğu devreye 0,7 v tan büyük gerilim uygulandığında ancak akım oluşur.

         

Transistör

Bir devrede anahtar ya da voltaj yükseltici olarak kullanılan, yarı iletkenden yapılan üç kutuplu elemana transistör denir.

 

Bir npn transistörün bir elektrik devresinde kullanılması aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Bu devrede iB akımındaki  küçük değişmeler transistör sayesinde iC akımında daha büyük değişmeler oluşturur. Böylece transistör voltaj yükseltici olarak işlev görmüş olur. Transistörün ayakları Emiter (E), beyz (B) ve collectör (C) olarak adlandırılır.

LED

Üzerinden elektrik akımı geçtiğinde ışık yayan diyotlara LED denir. Bir LED in yapısı ve devrede kullanılan sembolü aşağıdaki şekildeki gibidir

FOTODİYOT

Üzerine ışık düştüğünde ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren diyotlara fotodiyot denir. Fotodiyotun p-n bağlantısındaki elektronlara yeterli ışık düştüğünde, fotonların enerjisi elektronlara aktarılır. Enerji kazanan elektronlar kristal kafesten koparak bir üreteç tarafından oluşturulmuş elektrik alanda hareket ederler. Böylece elektrik akımı elde edilmiş olur. Işık şiddeti ne kadar fazla ise oluşan akım da o kadar büyük olur. Fotodiyot devrede aşağıdaki gibi gösterilir.

FOTODİRENÇ

Üzerine düşen ışık şiddetine bağlı olarak direnci değişen devre elemanlarına fotodirenç denir. Fotodirençlere kısaca LDR de denir. 

ELEKTRONİK DEVRE ELEMAMNLARININ KULLANIM ALANLARI

Yukarıda bazılarını tanıdığımız elektronik devre elemanları günlük yaşamda kullandığımız birçok elektrikli araç ve gerecin çalışma sisteminde bulunur. Bunlardan bazılarını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz:

– Güvenlik ve alarm sistemlerinin elektronik devreleri
– Işığa duyarlı kontrol devreleri
– Sese duyarlı kontrol devreleri
– Sıcaklığa duyarlı kontrol devreleri
– Neme duyarlı kontrol devreleri
– Dumana duyarli kontrol devreleri
– Pilsiz el feneri devresi