(İş Makinelerinde Elektrik - 2. Ders)

İletkenler

Kuvveti, çekirdekteki protonlar tarafından yörüngede tutulan bir atomun dış yörüngesindeki elektron sayısına bağlıdır. Eğer dış yörüngedeki elektron sayısı dörtten az ise, kuvvet oldukça zayıftır. İletkenler böyle elementlerdir, dış yörüngelerinde dörtten az elektronu içerirler. Bu elektronların bir atomdan diğerine kolayca geçişini sağlar, herhangi bir zamanda atomun normal yapısını bozar.

Yalıtkanlar

Dış yörüngelerinde 4’ten fazla elektron içeren elementler, yörüngelerinde büyük bir kuvvetle tutulurlar.  Elektronları kolaylıkla geçmeyen bu tip elementler, yalıtkan olarak adlandırılırlar.

Yarı İletkenler

Yarı iletkenler atomlarının dış yörüngelerinde tam dört elektronu içerirler. Onlar ne iyi iletkendir ne de iyi yalıtkandır. Bütün yarı iletkenler silikondan yapılmışlardır.

Elektrik devrelerinde bulunan diyot ve transistörler yarı-iletkendir.

Silikon, germanyum ve diğer madenler çok az serbest elektronu içerdiklerinden, yalnız olarak yarı iletken yapımında kullanılıyordu, yüksek akım geçirmeleri çok zordu. Dış yörüngelerindeki 4 elektrona dikkat edin. Bu 4 elektron valens elektronlar diye adlandırılır. Bir valens elektron bir atomun dış yörüngesine bitişik veya dışında bir elektrondur, diğer atomlarla kimyasal bağa girer.

Saf silikon veya germanyumun kristalleri içindeki, atomların 4 valens elektronu bitişik atomlar tarafından bağlanır. Bu kovalent bağ diye adlandırılır. 

Bu durumda, artık serbest elektron yoktur, sadece bir yalıtkan gibidir. Bununla beraber, yalıtkana benzemez, kovalent bağ kuvvetli değildir ve valens elektronların bazıları serbest elektron olurlar.

Bitişik saf silikon veya germanyum kristaline eklenen farklı metallerin elektronları iletkenliği arttırır. Bu işlem doping diye adlandırılır. Artırılmış yarı iletkenler bazen katkı yarı iletken diye adlandırılır. Katkı yarı iletkenler,  ilave olunan (diğer elementin) katkısına bağlı olarak N-tip veya P-tip diye adlandırılır. Fosforla zenginleştirilmiş saf silikon kristalini görmektesiniz. Fosfor nedeniyle 5 valens elektronuna sahiptir, bunların sadece 4’ü silikon atomlarıyla birleşecek, bağlı olmayan biri ayrılacaktır. Bu elektron herhangi bir atomla birleşmeyeceği gibi, kristal arasında serbestçe hareket eder ve bunun için serbest bir elektron olur. Her fosfor atomu için bir serbest elektron bulunacağından, mevcut fosfor atomlarının birçoğu, daha büyük sayıda serbest elektron bunu takip eder. Bu nedenle, doping (zenginleşme) vasıtasıyla, izin verilen miktarda akımın akışı sağlanır. Bilinen elementlerin çoğu, fosfor (P), arsenik (As) ve Antimon (Sb) N-tip yarı-iletken yapımında kullanılır.

P-tip yarı-iletkenler genel olarak, alüminyum (AL), galyum (Ga) veya indiyum (In) ile zenginleştirilir. Bu elementlerle doping farklı bir moleküler yapıyı yaratır.

Alüminyum (Al) saf silikona doping yapıldığında, alüminyum atomu kristal kafesine girer. Bu nedenle alüminyum 3 valens elektronuna sahiptir. Kovalent bağda, pozitif ve negatif yükler arasındaki bağa bakıldığında, balans nedeniyle, bağda elektriksel yük görülmeyecektir. Bununla beraber, bir elektron kafesin dışına atladığında, bu balansı bozar ve sonuçta boşluğu eşit pozitif yükle doldurulur.

Bu boşluk pozitif boşluk olarak adlandırılır, pozitif yüklü boşluk anlamına gelir. Bir pozitif boşluk, yarı-iletkenin iletkenliğini yükseltmek için ayni yolu takip eder. Bunun sebebi, yarı iletkenin atomları arasındaki zayıf silikon gibi bir bağdır ve valens elektronlar devamlı hareket edebilecekleri yer ararlar. Bunun için, bir boşluk formu, bir dakika voltaj ürettiğinde, bir valens elektronu bağın bozulması nedeniyle kendine avantaj sağlar ve pozitif boşluk içinde hareket eder. Bir elektron pozitif boşluğa hareket ettiğinde, diğer pozitif boşluk bu elektron vasıtasıyla yer açmak için vaziyet alır. Sonuç olarak, diğer elektron yeni formlu pozitif boşluğa hareket eder ve devam eder. Bu yolda, bir pozitif boşluğun önceliği, bir elektronun diğer elektrona hareketine neden olur, yarı iletkenleri daha iletken yapar.

Akım, gerçekte elektronların hareketiyle üretilir. Bununla birlikte, onu bir pozitif boşluğun hareketi nedeniyle olduğu gibi düşünmek mümkündür.

- Elektriklenme bir iletkende atomdan atoma elektron akışıdır.

- İletkenler birçok elektronunun serbest olarak hareketine izin veren maddelerdir.

- Yalıtkanlar birçok elektronunun serbest olarak hareket etmesine izin vermeyen maddelerdir.

- Yarı-iletkenler bir iletken veya yalıtkanın akım yönüne bağlı olarak hareket edebilen maddelerdir.

Her yıl yarı iletkenlerin kullanımı artmaktadır. Onlar vakum borusu yapılırlar, eskilerini değiştirmek için sık sık talep edilirler. Bu nedenle yarı-iletken vakum tüplerinin avantajlarını açık olarak listelersek.