Cevap :
Teknoloji - Güneş Pilleri -- Çağımızın en moderin teknolojisinin ham maddesi silisyum. Silisyum bileşikleri oranı yer kabuğundan %25.7 olarak oksiyen sonrası ikinci sırada yer alır. Silisyum oksit (SiO2) doğada kum ve kuartz şeklinde bulunur. Silisyum, yeryüzünde en çok bulunanelementlerden bir tanesidir. Yarıiletken özelliğe sahip oluşu ve doğada çok bulunması, transistör, diyot ve hafızalarda entegre devrelerin ve bilgisayarların silisyum teknolojisi üzerine inşa edilmesini sağlamıştır. Bugün, "Silikon Vadisi" denilen dev endüstrinin adı bir silisyum bileşiği olan silikondan gelmektedir. Kısacası, kum olarak tanıdığımız madde bileşiği insan oğlunun var oluşundan bu güne kadar hayatının bir parçası olmuştur ve 50 yıl öncesi gelişmeye başlayan yarı iletken teknolojisi ile mucizevi özellikleri sayesinde, mesela cep telefonu parçası olarak, gece gündüz yanımızda taşımaktayız.
Yarıiletkenlik nedir?
Yarıiletkenler elektrik iletkenliği bakımından, iletken ile yalıtkan arasında kalan maddelerdir. Yarıiletken silisyum atomu biraz inceleyelim. Silisyum atomun ortasını çekirdek oluşturur. Çekirdeğin içinde eşit sayıda proton ve nötron bulunmaktadır. Protonlar atomun pozitif elektrik yükünü oluştururlar, nötronlar ise atomun kütlesini oluşturmaktadırlar. Çekirdeğin dışında çeşitli yörüngelerde dolaşan ve atomun negatif elektrik yükünü oluşturan elektronlar vardır. Evrende her şey dengededir. Burada da atomun dengede olması için elektronların sayısı protonların sayısına eşit olması gerekmektedir. Yukarıdaki şekilde gösterilen silikon atomunun elektronları en iç yörüngede 2 adet ortada 8 adet ve en dışta ise 4 adet olarak dizilmiştir. Bunların iç ve orta yörüngede olan 10 tanesi atomun çekirdeğine oldukça sıkı olarak bağlı olup en dıştaki 4 adedi ise gevşek olarak bulunurlar. En dıştaki 4 adet valans elektron yarı iletken içindeki elektrik akımını sağladıkları için ayrıca önemlidirler.
Bir çok atom yan yana dizildiklerinde birbirlerine bağlanıp kristal yapı oluştururlar. Bu bağlantı dış yörüngedeki valans elektronları ortak kullanarak oluşturulur. Bu bağlantıya Kovalant Bağ (Covalent Bonding) adı verilmektedir
Katkılandırma nasıl yapılır?
Difüzyon sayesinde kristal gövdeyi bir sünger olarak düşündüğümüz zaman ve bu gövdenin yüzeyine yabancı madde etkelediğimizde kristal gövdede bulunan hatalardan veya bu gövdeyi ısıtarak hareketlendirdiğimiz zaman, yabancı madde kristal gövdesinde yerini alır, kristal gövdede yayılmış olur.
Difüzyon sayesinde katkılandırma (semiconductor doping) iki adımda gerçekleşir. 25-100 arasında silikon devre levhası (wafer) fırın içine dizilir ve ilk adımda ön katkılandırma yapılır. Ön katkılandırma sılıkon devre levhaları katkı maddeli gaz atmosferinde 1000 °C 'ye kadar ısıtılır. Yüksek ısı sayesinde katkı maddesi levhanın içine doğru belli bir düzeyde yayılır. Katkılandırma maddesine göre kullanılan gaz türleri PH3, B2H6 ile BN3 olarak kullınılır.
Katkı maddelerinin konsentrasyonu silikon devre levhası yüzeyinde en yoğun olduğu için ikinci adımda iert atmosferde (mesela azot gaz atmosferi) yüksek termik ısı altında atomların yeniden düzenlenmesi ve derine doğru yayılması sağlanır (Drive-in-Diffusion).
İyon nakliye katkılandırması günümüzde daha iyi kontrol edilebildiği ve termik enerji gerekmediği için en yaygın katkılandırma yöntemidir. Bu yöntem sayesinde madde iyonlaştırılarak silikon devre levhası ile yüksek hızla çarpıştırılır ve nakliye edilir. Hızlandırma enerjisi kiloelektrolvolt [keV] ile megaelektrolvolt [MeV] arasında olabilir.
İyonlaştırılmış yabancı maddenin nakliye derinliği enerjisinden, iyon kütlesinden ve devre levhası kütlesinden (Si) ibarettir.
Yarıiletkenlik nedir?
Yarıiletkenler elektrik iletkenliği bakımından, iletken ile yalıtkan arasında kalan maddelerdir. Yarıiletken silisyum atomu biraz inceleyelim. Silisyum atomun ortasını çekirdek oluşturur. Çekirdeğin içinde eşit sayıda proton ve nötron bulunmaktadır. Protonlar atomun pozitif elektrik yükünü oluştururlar, nötronlar ise atomun kütlesini oluşturmaktadırlar. Çekirdeğin dışında çeşitli yörüngelerde dolaşan ve atomun negatif elektrik yükünü oluşturan elektronlar vardır. Evrende her şey dengededir. Burada da atomun dengede olması için elektronların sayısı protonların sayısına eşit olması gerekmektedir. Yukarıdaki şekilde gösterilen silikon atomunun elektronları en iç yörüngede 2 adet ortada 8 adet ve en dışta ise 4 adet olarak dizilmiştir. Bunların iç ve orta yörüngede olan 10 tanesi atomun çekirdeğine oldukça sıkı olarak bağlı olup en dıştaki 4 adedi ise gevşek olarak bulunurlar. En dıştaki 4 adet valans elektron yarı iletken içindeki elektrik akımını sağladıkları için ayrıca önemlidirler.
Bir çok atom yan yana dizildiklerinde birbirlerine bağlanıp kristal yapı oluştururlar. Bu bağlantı dış yörüngedeki valans elektronları ortak kullanarak oluşturulur. Bu bağlantıya Kovalant Bağ (Covalent Bonding) adı verilmektedir.
Şimdi atomun çekirdeğini bir mıknatıs gibi düşünelim. Bu mıknatısın metal bir parayı çekmesine izin verelim. Bu parayı mıknatıs üzerinden almamız güç olacaktır. Parayı mıknatıstan uzaklaştırdıkça, mıknatısın para üzerindeki çekim gücü azalacak, bizimde parayı mıknatısın çekim gücünden koparmamız kolaylaşacaktır. Atomdaki çekirdek pozitif yük taşıdığı için negatif yük taşıyan elektronları ve kendisine yakın yörüngedeki elektronları daha kuvvetti çekeceğini düşünürsek, dış yörüngedeki elektronlar daha az bir enerji ile atomdan kopartılabilir.
Dış yörüngedeki elektronları bazı yöntemlerle koparmak mümkündür. Örneğin ısı, radyasyon. Bir madde içindeki elektronlar bu tür etkilerle koparılırsa elektronlar serbest elektron olarak dolaşırlar. Elektrik akımını elektronlar sağladığına göre bir maddeden elektrik akımı geçebilmesi için serbest elektronlara ihtiyaç vardır.
Bir maddenin valans band ile iletken band arasındaki mesafe büyük ise ve ısı veya radyasyon sayesinde kolayca valans bandından iletken bandına geçiş yapamıyorsa, o madde yalıtkandır. İletken maddelerde valans bandı ve iletken bandı arasında mesafe yok sayılır ve serbest elektronlar doğal olarak bulunur. Maddenin atomlarından elektronları çok küçük enerjilerle koparmak mümkün oluyorsa bunlar saf yarı iletken olarak tanımlanmaktadır.
Saf silisyum kristal maddenin içine birtakım katkılar yaparak yarı iletken maddelerin valans ve iletken bandı arasındaki mesafeyi düşürebilir ve daha düşük enerji ile serbest elektronlar oluşturabiliriz. Katkı maddesi olarak silisyum değerliğinden farklı atomlar saf silisyumun kristal gövdesine yerleştirmek ve zayıf E-alanı oluşturmak gerekir.
Silisyum (IV) değerli atom olduğuna göre (valans bandında 4 elektron bulunur) katkı maddesi olarak III ve V değerindeki atomlar kullanılması gerekmektedir. III değerli atom (alüminyum, bor, galyum ve indiyum) ve V değerli atom fosfor olarak kullanılır.
V değerlikli atomun 4 elektronu etrafındaki silikon atomları ile kovalant bağ oluşturup bir elektronu açıkta kalmaktadır ve kristal yapı içine fazladan bir elektron verdiği için bu atomlara verici (Donator) atom denmektedir. Kristal içindeki fazla elektronlar kristale negatif özellik kazandırdığı için n-tipi yarı iletken denilmektedir. N-tipi yarı iletkenlerdeki fazladan olan elektronlar iletkenliği sağlamaktadır.
III değerlikli atom etrafındaki 3 elektron silisyum kristali içinde kovalant bağ oluşturduğunda bir elektron eksik kaldığı için orada bir boşluk (Hole) oluşur. III değerlikli bu atomlara (Acceptor) alıcı atomu denmektedir. Kristal yapı içindeki boşluklar pozitif yük taşıdıkları için bu şekildeki kristal yapıya p-tipi yarı iletken denir. P-tipi yarı iletkenlerdeki boşluklar dışardan elektron alabildiği için iletkenliği boşluklar sağlamaktadır.
