Yarı İletkenler ve Diyot

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Temel Elektronik Dersleri 6.Hafta Yarı İletkenler-Diyot

YARIİLETKENLER

1940’lı yılların sonlarında yarıiletken transistörün ortaya çıkması ile birlikte, elektronik endüstrisinde çok hızlı gelişmeler olmuştur. Gerçekleşen minyatürleşme sayesinde, günümüzde daha önceki devrelerde kullanılan tek bir elemanın boyutlarından binlerce kat daha küçük bir alana komple sistemler sığdırılabilmektedir. Daha önceki yılların vakum tüplü devreleriyle kıyaslandığında, yarıiletken sistemlerin avantajları hemen görülebilir. Daha küçük ve hafif olmaları, ısıtıcı gereksinimi (tüplerde olduğu gibi) veya ısıtıcıdan kaynaklanan kayıpların olmaması, daha verimli olmaları, ısınma süresine gerek duymamaları ve fiziki olarak daha dayanıklı olmaları bu avantajlar arasında sayılabilir.

YALITKANLAR, İLETKENLER VE YARIİLETKENLERİN TANIMI

Bir maddenin elektriksel davranışları açısından o maddenin atomlarının son yörüngesinde bulunan valans (serbest) elektronların etkisi büyüktür. Valans elektronların sayısına bağlı olarak elementler;

A)Yalıtkanlar,
B)İletkenler,
C)Yarıiletkenler olmak üzere üç gruba ayrılır.

A) YALITKANLAR

Elektrik akımını iletmeyen maddelere yalıtkan madde denir. Maddelerin yalıtkanlık derecesi valans yörüngedeki (atomun son yörüngesi) elektron sayısı fazlalığına bağlıdır. Hiçbir atomun son yörüngesinde 8`den fazla elektron olmaz. Son yörüngesinde 8 elektron olan atomlar “doymuş yörüngeli atomlar” olarak adlandırılır. Bu atomlar kolay kolay son yörüngelerindeki elektronları bırakmazlar ve elektron almazlar. Yani çok iyi yalıtkandırlar. Son yörüngedeki elektron sayısı azaldıkça yalıtkanlık dereceside azalır. Hava, cam, seramik, plastik, mika ve kağıt gibi maddeler yalıtkanlar grubuna girerler.

B) İLETKENLER

Elektrik akımını ileten maddelere iletken madde adı verilir. Maddelerin iletkenlik derecesi atomun son yörüngesinde yeralan valans elektron sayısı azlığına bağlıdır. Bakır, altın, alüminyum, gümüş iyi iletkenlerdir. Bunlarda valans elektron sayısı 2 ile 3 arasında değişir.

C) YARIİLETKENLER

İletkenlikleri; iletkenler ile yalıtkanlar arasında olan (yani ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan olan) maddelere yarıiletken madde adı verilir. En yaygın olarak kullanılan yarıiletken maddelerden germanyum ve silisyum atomlarının Bohr modelleri Şekil 1.1`de gösterilmiştir. Şekil 1.1`de gösterildiği gibi germanyum atomunun toplam 32 adet yörüngesel elektronu varken, silisyumun toplam 14 adet elektronu vardır. Her iki durumda da en dış (valans) yörüngede 4 elektron bulunmaktadır.

Son yörüngede bulunan bu 4 valans elektronundan herhangi birini koparmak (serbest hale getirmek) için gerekli olan potansiyel enerji, yapıdaki herhangi başka bir elektronu uzaklaştırmak için gerekenden daha azdır. Saf bir germanyum veya silisyum kristalinde bulunan bu 4 valans elektron, Şekil 1.2`de silisyum için gösterildiği gibi 4 komşu atoma bağlıdır. Hem Ge hemde Si, 4 valans elektrona sahip oldukları için tetravalans atomlar olarak anılırlar.

Şekil 1.1 : Atomik yapı (a) Germanyum (b) Silisyum Şekil 1.2 : Silisyum atomunun kovalent bağlaşımı

Son yörüngedeki elektronların paylaşılmasıyla oluşan bu tür bağlara kovalent bağ denir. Her ne kadar kovalent bağ, valans elektronları ile ana atomlar arasında daha sağlam bir bağlaşıma yol açsada, valans elektronlarının doğal sebeplerle yeteri kadar kinetik enerji alıp kovalent bağdan koparak serbest duruma geçmeleri mümkündür. Bu doğal sebepler arasında foton şeklindeki ışık enerjisini ve çevreleyen ortamdaki ısı enerjisini sayabiliriz. Sıcaklık mutlak sıfırdan (0ºK) yükselmeye başladıkça, kristal yapının kazandığı ısıl enerji nedeniyle bazı kovalent bağlar çözülerek serbest elektronlar oluşur.

Oluşan bu serbest elektronlar iletkenlik oranını artıracak ve daha düşük bir direnç düzeyine yol açacaktır. Ge ve Si gibi artan sıcaklıkla dirençlerinde düşüş görülen maddelere, negatif sıcaklık katsayısına sahiptir denir. İletkenlerin ise birçoğunun direnci sıcaklıkla artmaktadır. Bunun nedeni, iletkendeki taşıyıcı sayısının sıcaklık ile önemli ölçüde artmaması, fakat nispeten sabit olan konumlarının üstündeki titreşme deseninin elektronların geçişini giderek zorlaştırmasıdır. Bu nedenle sıcaklıktaki bir artış, direncin artmasıyla ve bir pozitif sıcaklık katsayısıyla sonuçlanmaktadır.

ENERJİ DÜZEYLERİ

Elektron çekirdekten ne kadar uzakta ise, enerji durumu da o kadar yüksektir ve ana atomdan ayrılmış olan bir elektron atomik yapıdaki herhangi bir elektrondan daha yüksek bir enerji durumuna sahiptir. Herhangi bir yolla elektronlara sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa ana yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer. Böylece bir elektronun enerji seviyesi değişmiş olur. Her yörünge kendi alt yörüngelerine sahiptir. Kısacası, bir atomda çok sayıda ayrılmış, fakat birbirine yakın yerleşmiş enerji seviyeleri mevcuttur ve bunlar enerji bandı olarak isimlendirilir.

Valans banttaki bir elektron çeşitli etkilerle bulunduğu enerji bandından koparılıp serbest hale gelirse, elektronun bu anda bulunduğu banda “iletim bandı” denir. Valans bandı ile iletim bandı arasındaki “yasak band” elektronların alabileceği bir enerji seviyesine sahip değildir.

Şekil 1.3 : Enerji-band diyagramları (a) Yalıtkan (b) Yarıiletken (c) İletken

Şekil 1.3a`da görüldüğü gibi yalıtkan madde bir elmas kristalinde, içinde elektronlarında olabileceği enerji seviyeleri bulunmayan yasak bölgenin genişliği Eg = 6 eV kadardır. Bu geniş yasak bant, dolu valans bandını boş iletim bandından ayırır. Böyle bir yapıda elektrona dışarıdan uygulanacak bir etki ile sağlanacak enerji, bu elektronu, dolu valans bandından boş iletim bandına geçirmeye yetmez. Elektron dışarıdan uygulanan bir etki ile gerekli enerjiyi kazanamayacağı için iletim imkansızdır.

0°K veya mutlak sıfırda, yarıiletken maddelerin tüm serbest elektronları valans bandında bulunurlar. Ancak oda sıcaklığında (300°K=25°C) çok sayıda elektronun iletim bandına geçmesine yetecek enerjiyi (yani silisyumda Eg=1,1 eV`luk, germanyumda Eg=0,67 eV`luk yasak bant enerji aralığını atlamaya yetecek enerjiyi) aldıkları görülebilir (Şekil 1.3b).

Şekil 1.3c`de görüldüğü gibi iletkenlerde valans bandı iletim bandı ile iç içedir. İkisi arasında yasak bant yoktur. Diğer bir deyişle, valans banttaki elektronlar çok küçük bir etki ile daha yüksek enerji seviyelerine geçebilirler.

KATKILI MALZEMELER (N TİPİ VE P TİPİ)

Yarıiletken malzemelerin karakteristikleri (bant yapısı, elektriksel özellikleri vs.) nispeten saf yarıiletken malzemeye bazı katkı atomları eklenerek önemli ölçüde değiştirilebilir. Bu katkılama işlemine tabi tutulan yarıiletken malzemeye katkılı malzeme denir. Yarıiletken eleman üretiminde N ve P tipi olmak üzere iki katkılı malzeme vardır. Şimdi bunları ayrıntılı olarak inceleyelim:

A) N TİPİ YARIİLETKENLER

Hem N hem de P tipi yarıiletken maddeler, saf bir germanyum yada silisyum maddesine önceden belirlenmiş sayıda katkı atomu eklenmesiyle elde edilir. N tipi yarıiletken, saf bir germanyum yada silisyum kristaline antimon, arsenik ve fosfor gibi son yörüngesinde 5 valans elektrona sahip katkı maddeleri eklenerek oluşturulur. Bu katkı maddelerinin etkileri Şekil 1.4`de gösterilmiştir (Silisyum taban üzerine katkı olarak son yörüngesinde 5 elektron olan antimon kullanılmıştır). Katkı atomları, kristal yapıdaki bazı silisyum atomlarının yerlerini alırlar. Bunların 5 valans elektronundan dördü, kendine komşu olan silisyum atomunun birer elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Beşinci elektron boşta kalır, bağ kuramaz. Bu elektron çok zayıf olarak kendi çekirdeğine bağlıdır.

Şekil 1.4 : N tipi yarıiletkende antimon katkısı

Bu elektronu atomundan ayırmak için gerekli enerji germanyum için 0,01eV, silisyum için 0,05eV kadardır. Yukarıda açıklandığı gibi bünyesinde fazla elektron bulunan silisyum yada germanyuma N tipi yarıiletken denir. Fazla olan elektronu verebilme özelliğinden dolayı da N tipi yarıiletkene verici madde denir.

Şekil 1.5 : Enerji bandı yapısı üzerinde verici katkısının etkisi

B) P TİPİ YARIİLETKENLER

P tipi yarıiletken, saf bir germanyum yada silisyum kristaline son yörüngesinde üç valans elektrona sahip katkı atomları eklenerek oluşturulur. Bu amaçla en sık kullanılan elementler, bor, galyum ve indiyumdur. Bu elementlerden borun silisyum taban üzerindeki etkisi Şekil 1.5`de gösterilmiştir.

Yeni oluşturulan örgüde katkı atomu sadece üç tane kovalent bağ yapabilir. Dördüncü bağdaki elektron eksikliği bir oyuk oluşturur. Ortaya çıkan oyuklar serbest elektronları almaya hazır olduğundan eklenen katkılara alıcı atomlar denir.

Şekil 1.6 : (a) P tipi yarıiletkende bor katkısı (b) Enerji bandı yapısı üzerinde alıcı katkısının etkisi

Oyuğun iletkenlik üzerindeki etkisi Şekil 1.6b`de gösterilmiştir. Eğer bir valans elektron, kovalent bağını koparmaya yetecek kinetik enerjiyi alır ve oyuğun oluşturduğu boşluğu doldurursa, bu durumda elektronu bırakan kovalent bağda bir oyuk veya boşluk meydana gelir. Bundan dolayı Şekil 1.7`de görüldüğü gibi oyukların hareketi sağdan sola, elektronlarınki ise soldan sağa doğrudur.

Şekil 1.7 : Elektron-oyuk akışı

Saf haldeki Ge ve Si kristallerindeki elektron sayısı, sadece valans bandında bulunan ısı veya ışık kaynaklarından kovalent bağı koparmaya yetecek enerji alan (serbest hale gelen) veya saflaştırma işleminin yüzde yüz yapılamamasından kaynaklanan az sayıdaki elektrondan oluşur. Kovalent bağ yapısında geride kalan boşluklar çok sınırlı oyuk kaynağı durumundadır. Bu nedenle N tipi yarıiletkende elektron sayısı oyuk sayısından fazladır. Şekil 1.8a`da da gösterildiği gibi elektronlara çoğunluk taşıyıcısı, oyuklarada azınlık taşıyıcısı denir. P tipi yarıiletkende ise oyuklar çoğunluk taşıyıcısı, elektronlar azınlık taşıyıcısı durumundadır (Şekil 1.8b).

Şekil 1.8 : (a) N tipi yarıiletken (b) P tipi yarıiletken

DİYOTLAR

Diyot, üzerinden sadece tek yönde akım geçişine izin veren aktif bir devre elemanıdır. Yarı iletken elemanların en basiti olmasına rağmen, basit bir anahtarınkine benzeyen karakteristikleri ile elektronik sistemlerde çok önemli rol oynarlar.

Gerçek bir diyodun yapısını ve karakteristiklerini incelemeden önce, karşılaştırma olanağı vermek amacıyla, ideal diyottan bahsetmekte yarar vardır. İdeal diyot sırasıyla Şekil 2.1a ve Şekil 2.1b`deki sembol ve karakteristiklere sahip iki uçlu bir elemandır. Anot (+) ucu, Katot (-) ucu ifade eder. Karakteristik eğri üzerindeki Vf ve If sırası ile ileri(doğru) yön diyot gerilimi ve akımını, VR ve IR ise ters yön diyot gerilimi ve akımını ifade eder.

Şekil 2.1: İdeal diyot (a) Sembolü (b) Karakteristiği

İdeal diyot; ileri yönde iletim bölgesi için kısa devre elemanı, iletimin olmadığı bölge için açık devre elemanıdır. Bu ifadeyi matematiksel olarak belirtecek olursak; aşağıdaki sonuçları elde ederiz.

Pratik bir diyodun yapısı ve karakteristiği ileriki bölümlerde anlatılacaktır.

Diyotlar imal şekline bağlı olarak, nokta temaslı diyotlar ve PN yüzey birleşmeli diyotlar olmak üzere iki ana gruta toplanırlar. Nokta temaslı diyotlar; düşük akım, düşük sıcaklık ve güçlerde çalıştıklarından yerlerini daha iyi özellikleri olan PN yüzey birleşmeli diyotlara bırakmışlardır. Günümüzde nokta temaslı diyotların kullanım alanı çok kısıtlıdır.

POLARMASIZ PN BİRLEŞİMİ

Yarıiletken diyot, N tipi ve P tipi maddelerin biraraya getirilmesiyle oluşturulur (Ge veya Si gibi aynı taban kullanılarak). Elektron yönünden zengin N maddesi ile oyuk yönünden zengin P maddesi yüzey birleşimine tabi tutulursa, jonksiyon bölgesindeki elektron ve oyuklar birleşerek, jonksiyona yakın bölgede taşıyıcı eksilmesine yol açacaklardır. Birleşim sağlanınca N tipi maddedeki birleşim yüzeyine yakın serbest elektronlar P tipi maddeye geçerek buradaki oyukların bazılarını doldururlar.

Böylece N tipi maddede birleşim yüzeyine yakın bölgede elektron vererek nötr hale gelen pozitif iyonlar, P tipi maddede de elektron alarak nötr hale gelen negatif iyonlar oluşur. Başka bir ifadeyle, N tipi maddede bir kovalent bağ ile atoma bağlı olmayan ve atomda dengesizlik oluşturan serbest elektron atomdan ayrılıp P maddesine geçmiş, böylece N tipi maddede tamamen dengeli bir pozitif iyon oluşmuştur. P tipi maddede de kovalent bağında elektron eksikliğinden dolayı dengesiz atomlar vardır. N tipi maddeden P tipi maddeye geçen elektron oyukları doldurarak tamamen dengeli bir negatif iyon oluşturmuştur.

Şekil 2.2 : Harici öngerilimlemenin olmadığı durumda PN jonksiyonu

Birleşme yüzeyinin her iki tarafında toplanan pozitif (+) ve negatif (-) iyonlar bu bölgede potansiyel farkın oluşmasına sebep olur. Bu potansiyel fark daha fazla elektron ve oyuk birleşimine engel olur. Potansiyel farkın oluştuğu bölgeye boşaltılmış bölge yada gerilim setti bölgesi adı verilir.

Oluşan potansiyel fark; P ve N maddeleri germanyumdan yapılmışsa 0,3V, silisyumdan yapılmışsa 0,7V kadardır. P ve N maddeleri arasında elektron-oyuk hareketinin devamı için PN birleşimine dışarıdan oluşan potansiyel farkı ortadan kaldıracak kadar gerilim uygulanması gerekir. Uygulanacak bu gerilim miktarı ortam sıcaklığına göre ters orantılı olarak değişir.

POLARMALI PN BİRLEŞİMİ

Uçlarına gerilim uygulanmış diyota polarmalı diyot, yapılan işleme de diyodun polarmalandırılması(kutuplanması) denir. Diyodun polarmalandırılması demek, diyodun istenilen durumda çalışması için sabit DC(doğru) gerilimle beslenmesi demektir. Gerilim kaynağının diyot uçlarına bağlanma şekline göre polarma;

A) Ters polarma
B) Doğru polarma olmak üzere iki çeşittir.

A) TERS POLARMA

Şekil 2.3`de gösterildiği gibi PN jonksiyonuna, pozitif uç N tipi maddeye ve negatif uç da P tipi maddeye bağlanacak şekilde VE değerinde harici bir potansiyel uygulandığında, pozitif yükler N maddesindeki elektronları, negatif yükler ise oyukları çekerler. Bunun sonucunda boşaltılmış bölge genişlemiş olacaktır. Boşaltılmış bölgenin bu genişlemesi, çoğunluk taşıyıcılarının aşamayacakları kadar büyük bir engel oluşturacak ve çoğunluk taşıyıcısı akışını etkin olarak sıfıra indirecektir.

Şekil 2.3 : Ters polarmalandırılmış PN jonksiyonu

P maddesinde elektronlar, N maddesinde de oyuklar azınlık akım taşıyıcılarıdır. PN birleşimine uygulanan ters polarma gerilimi, bu azınlık akım taşıyıcılarını uyararak; yani bataryanın negatif ucu P maddesindeki azınlık akım taşıyıcısı elektronları birleşim yüzeyine doğru iterek, azınlık akım taşıyıcısı durumundaki bu elektronların gerilim settini aşmalarını sağlar. Gerilim settini aşan elektronlar N maddesinin azınlık akım taşıyıcısı olan oyuklarla bataryanın pozitif ucuna taşınır.

PN birleşiminde elektron-oyuk alışverişi gerçekleştiği için akım akışı sağlanır. Ortaya çıkan bu akıma ters doyma akımı denir ve s indisi ile gösterilir. Bu akım, bazı yüksek güç elemanları dışında ender olarak birkaç µA`i aşan büyüklüktedir. Ters doyma akımı, uygulanan ters polarma gerilim miktarı ve PN birleşiminde oluşan ısı değeri ile doğru orantılıdır. Bunun yanısıra PN birleşiminin yapıldığı madde özelliklerine bağlı olarakta değeri değişir.

Örneğin, germanyum maddede silisyum maddeye göre ısı ile ters polarma akımı daha fazladır. Uygulanan ters polarma gerilimi çok arttırılacak olursa bir seviyeden sonra iyice hız kazanan azınlık akım taşıyıcıları nedeni ile PN birleşimi iletken hale gelir. Bu olay kristal yapının bozulmasına neden olur. Ters yönde uygulanan ve diyodun bozulmasına neden olan bu gerilime diyot ters yön dayanma gerilimi denir.

B) DOĞRU POLARMA

Doğru polarma durumu, Şekil 2.4`de gösterildiği gibi P tipi maddeye pozitif, N tipi maddeye de negatif potansiyel uygulanarak sağlanır. Bataryanın negatif terminali N maddesindeki serbest elektronları birleşim yüzeyine doğru iterken, pozitif terminali de P maddesindeki oyukları birleşim yüzeyine iter. N maddesinin elektronları geçiş bölgesini aşıp P maddesindeki oyuklarla birleşirler. N maddesinden P maddesine geçen elektronlar, N maddesinde elektron eksikliği oluştururken, P maddesinde elektron fazlalığına neden olurlar. N maddesinde kaç elektron eksilmişse bataryanın negatif ucundan o kadar elektron N maddesine geçerek bu eksikliği kapatırlar. P maddesindeki fazla elektronlarda bataryanın pozitif ucu tarafından çekilerek bataryanın pozitif ucunda hareketlerini tamamlarlar. Buna bağlı olarakta, elektron akışının ters yönünde büyük bir ileri yön akımı akar.

Şekil 2.4 : Doğru polarmalandırılmış PN jonksiyonu

Azınlık taşıyıcısı akışının şiddeti değişmemesine karşılık, boşaltılmış bölge genişliğindeki azalma, jonksiyon üzerinden büyük bir çoğunluk taşıyıcısı akışına yol açmaktadır. Çoğunluk taşıyıcısı akışının şiddeti,?eki 2.5`de gösterildiği gibi ileri öngerilimlemenin artışıyla birlikte üstel olarak artacaktır.

Şekil 2.5 : Yarıiletken diyot karakteristikleri

Şekil 2.6 : Diyotun ileri yön polarması altında çalışması (animasyonun çalışması için S anahtarına tıklayınız)

Şekil 2.6’da diyotun doğru yön polarması altında çalışması canlandırılmıştır. Diyotun çalışmasını incelemek için lütfen devrede bulunan anahtar üzerine tıklayarak, elektron ve akım akışını izleyiniz.

GERMANYUM-SİLİSYUM KARŞILAŞTIRMASI

Silisyum diyotların, genelde germanyum diyotlara göre daha yüksek bir PIV ve akım değeri ile daha geniş bir sıcaklık aralığı vardır. Silisyum için PIV değerleri 1000V`a yakın olabilirken, germanyum için maksimum değer 400V`a yakındır. Silisyum 200 ºC`ye kadar sıcaklıklarda kullanılabilirken, germanyumda maksimum sıcaklık çok daha düşüktür (100 ºC). Ancak germanyuma kıyasla silisyumun dezavantajı, yukarı salınım bölgesine ulaşmak için daha yüksek bi rileri öngerilim düzeyinin gerekli olmasıdır (ileri yön kırılma gerilimi büyüktür). Silisyum diyotlarda bu değer 0,7V iken germanyum diyotlar için 0,3V`tur. Buna rağmeen silisyumun diğer karakteristikleri onun ticari elemanların çoğunluğunda tercih edilmesini sağlamaktadır.

DC VEYA STATİK DİRENÇ

Diyodun, belirli bir çalışma noktasındaki direncine DC veya statik direnci denir. Aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:

———— (2.2)

Şekil 2.7`deki ideal diyot karakteristiğinin id = 20mA`deki DC direnci;

Buna karşılık silisyum diyodun DC direnci ise;

olarak belirlenir.

id = 2mA`de ideal diyodun DC direnci 0W olarak kalır. Ancak silisyum diyodun DC direnci aşağıda belirlendiği şekilde değişiklik gösterir.

Sonuç olarak; ileri öngerilimleme bölgesindeki bir diyodun DC direnci, yüksek akım ve gerilim değerlerinde azalmaktadır.

Şekil 2.7 İdeal ve silisyum diyot karakteristikleri

Vd = -10V`daki ters öngerilimleme bölgesinde ideal diyodun direnci, teorik olarak sonsuzdur ve aşağıdaki formülle hesaplanır:

Silisyum diyodun ters öngerilimleme bölgesindeki DC direnci ise;

olarak bulunur ve bu da birçok uygulama için açık devreye karşılık gelmektedir.

Belirli bir çalışma noktasındaki DC direnç belirlendikten sonra diyodun yerine Şekil 2.8`deki gösterildiği gibi bir direnç konularak analize devam edilebilir.

Şekil 2.8

EŞDEĞER DEVRELER-DİYOT MODELLERİ

Eşdeğer devreler; eleman, sistem vs.`nin gerçek uç karakteristiklerini en iyi temsil edecek uygun elemanlar kombinasyonudur. Yani, birkez eşdeğer devre belirlendiğinde, elemanın sembolü şemadan çıkartılıp yerine (sistemin genel davranışı önemli ölçüde etkilenmeksizin) eşdeğer devre konabilir.

Bir silisyum yarıiletken diyodu, yaklaşık 0,7V`a varmadan iletim durumuna geçmediği için, eşdeğer devrede bu değere karşı koyan bir VT pil geriliminin görünmesi gerekir. Bu ise, eşdeğer devredeki ideal diyot öngerilimlenmeden önce, diyot üzerine düşen toplam ileri yön gerilimi VD`nin VT`den daha büyük olması gerektiğini gösterir. Endüstride diyot eşdeğer devresi terimi yerine diyot modeli kullanılır. Aşağıdaki şekillerde diyot modelleri ve parça bazında doğrusal karakteristikler verilmiştir.

Komple :

Şekil 2.9 : Diyot eşdeğer devreleri ve karakteristikleri

DİYOT UYGULAMALARI

Yarıiletken kristal diyotların yapısı, karakteristikleri ve modelleri yukarıda tanıtıldı. Bu bölümün amacı ise, değişik devre düzenlemelerinde çalışma alanına uygun modeller kullanarak diyodun pratik uygulamalarına ilişkin bilgiler kazandırmaktır. Bölümün sonunda diyotların DC ve AC devrelerindeki temel davranış yapısı açıkça anlaşılmış olmalıdır. Bu bölümde öğrenilen kavramlar daha sonraki bölümlerde büyük öneme sahip olacaktır. Örneğin; diyotlar transistörlerin temel yapısının tanımlanmasında ve transistör devrelerinin DC ve AC eksenlerinin analizinde sıkça kullanılmaktadır.

DC GİRİŞLİ SERİ DİYOT DEVRELERİ

Analizler için yaklaşık diyot modeli kullanılacaktır. Şekil 3.1`in tüm modelleri için, Şekil 3.2`de verilen polarite ile diyot üzerine uygulanan bütün gerilim değerleri açık devreye neden olacaktır. Yaklaşık modeller durumunda ise, silisyumda 0,7V ve germanyumda 0,3V`dan düşük ve Şekil 3.3`deki polariteye sahip gerilimler bir açık devre eşdeğerine yol açacaklardır. Şekil 3.4`de gösterilen polariteye sahip pozitif gerilimler diyoda uygulandığı takdirde, kısa devre eşdeğeri sağlanmış olacaktır.

Eşdeğer devrelerde yeralan 0,7V ve 0,3V`luk gerilim kaynakları bağımsız enerji kaynakları değildirler. Örneğin; diğer devre elemanlarından yalıtılmış tek başına bir diyodun uçlarına bir voltmetre bağlandığında 0,7V veya 0,3V`luk değerler göstermeyecektir. Bu, diyodu ideal karakteristikten ayıran sapma geriliminin etkilerini dahil etmek için kullanılan bir yöntemdir.

Uygulanan ileri öngerilimin büyüklüğü diyodun davranışları üzerinde belirgin bir etkiye sahiptir. Akım düzeyi ise, açık devre durumu için 0A`dir. Eğer kısa devre durumu sözkonusuysa akım; diyodun bağlı olduğu devre tarafından belirlenecektir.

DC girişli seri bağlı diyot devrelerinin analizinde, örnek olarak Şekil 3.5`deki devreyi kullanabiliriz. Burada dikkat edilmesi gereken nokta, diyodun açık devre durumunda mı, yoksa kısa devre durumunda mı olduğunun tespitidir. Eğer akımın yönü (Şekil 3.6`da olduğu gibi), diyot sembolündeki okun yönüyle aynı ise ve devrede diyodun VT gerilimini karşılamaya yeterli gerilim varsa diyot iletim durumundadır.

Şekil 3.5 : Seri bağlı diyot devresi

Şekil 3.6 : Diyot durumunun belirlenmesi

VE / VEYA MANTIK KAPILARI

Bir bilgisayar düzenlemesini incelemek nispeten basit olan diyot elemanı uygulamalarının genişliğini gösterecektir. Örnekte incelenecek devre pozitif mantıklı bir VEYA kapısıdır. Yani, şekildeki 10V düzeyi Boolean cebirine göre “1” ve 0V düzeyide “0” olarak verilmiştir. VEYA kapısı, girişlerden bir veya ikisi birden 1 olduğu zaman çıkış gerilim düzeyini 1 yapar. Her iki giriş 0 olduğunda, çıkış da 0`dır. VE/VEYA kapılarının analizi ideal diyot modeli kullanmak yerine diyot yaklaşık eşdeğerinin kullanılmasıyla oldukça kolaylaşmaktadır.

Örnek 3.1

Şekil 3.7`deki devre için VO`ı bulunuz.

Şekil 3.7 : Pozitif mantıklı VEYA kapısı

Çözüm :

0V düzeyindeki 2. giriş ucu toprak potansiyelindedir. Şekil 3.8`de görüldüğü gibi D1 anoduna 10V uygulandığı için iletim durumunda, D2 anoduna ise 0V uygulandığı için yalıtım durumundadır. Diyotların bu durumları Şekil 3.9`da gösterilmiştir.

Şekil 3.8

Şekil 3.9

D1`in iletim durumu VO = E – VD = 10 ` 0.7 = 9.3V düzeyinde bir çıkış gerilimi oluşturmaktadır. D2`nin katot (-) tarafında 9.3V ve anot (+) tarafında 0V olduğu için yalıtım durumundadır. Akımın yönü ve iletim için oluşan kesintisiz yol da D1`in iletim durumunda olduğunu göstermektedir. Çıkış gerilimi, “1” düzeyi için tanımlanan 10V`luk değerde değildir. Ancak 9.3V`luk çıkış gerilimi “1” düzeyinde kabul edilebilecek kadar büyük bir değerdir. Bundan dolayı çıkış, yalnızca tek giriş yardımıyla “1” düzeyinde bulunabilmektedir, ki bu da kapının bir VEYA kapısı olduğunun göstergesidir. Aynı devrenin 10V`luk iki girişle analizi her iki diyodun da iletim durumunda ve çıkışın 9.3V düzeyinde olacağını göstermektedir. Her iki girişe 0V uygulandığında ise, bu değer diyotları iletime geçirecek 0.7V`u sağlayamayacağı için, çıkış 0V düzeyinde olacaktır.

DOĞRULTMA DEVRELERİ

AC gerilimi DC gerilime çeviren devrelere doğrultma devreleri denir. Elde edilen DC gerilim dalgalı bir gerilimdir. Kullanılan doğrultma metoduna bağlı olarak DC gerilimdeki dalgalanma oranı fazladır.

AC gerilimi DC gerilime çevirmek için;

a) Yarım dalga,
b) Tam dalga doğrultma devreleri kullanılır.

Tam dalga doğrultma devreleri;

a) İki diyotlu,
b) Dört diyotlu (köprü tipi) tam dalga doğrultma devreleri olarak ikiye ayrılırlar.

A) YARIM DALGA DOĞRULTMA

Zamanla değişen sinyal girişli en basit devrelerden biri Şekil 3.10`da görülmektedir. Burada, yarım dalga doğrultucu adı verilen devre AC`den DC`ye dönüştürme işleminde belirli br kullanımı olan ortalama bir değere sahip VO dalga biçimi üretmektedir.

Şekil 3.10 : Yarım dalga dogrultucu

Şekil 3.10`daki t=0 ŞT/2 aralığında giriş gerilimi Vi`nin polaritesi, Şekil 3.11`de gösterilmiştir. Bu gerilim diyodu doğru polarize edecek yöndedir, yani diyodun anoduna pozitif (+), katoduna negatif (-) alternans gelmiştir. Diyot iletkendir ve devreden IR yük akımı akar. Bu akım yük üzerinde alt uç (-), üst uç (+) olacak şekilde VO çıkış gerilimi oluşturur. Diyot iletken olduğu anda kapalı bir anahtar gibi düşünülebilir.

T/2 Ş T periyodu boyunca Vi girişinin polaritesi Şekil 3.11`deki gibidir. Bu polarite diyodun yalıtkan duruma geçmesine neden olur. Yani diyodun anoduna (-), katoduna (+) alternans geldiği için, diyot yalıtkan durumdadır. Çıkış gerilimi VO ise yük üzerine gerilim düşümü olmadığı için sıfırdır (VO = I.R = 0.(R) = 0V).

Karşılaştırma amacıyla Vi girişi ve VO çıkışı Şekil 3.12`da birlikte çizilmiştir. Bu durumda VO çıkış sinyali tam bir periyot boyunca eksenin üstünde net pozitif bir alana ve aşağıdaki denklemle belirlenen ortalama bir değere sahiptir:

Şekil 3.12

Kısacası, girişe uygulanan alternatif gerilimin pozitif veya negatif alternansında çıkışta dalgalı doğru akım elde etmek için kullanılan devrelere yarım dalga doğrultma devreleri denmektedir.

Şekil 3.13 : Yarım Dalga Doğrultma

Şekil 3.13’de Yarım dalga doğrultma devresinin canlandırlması verilmiştir. Devrenin çalışmasını incelemek için lütfen anahtar üzerine tıklayınız.

B) TAM DALGA DOĞRULTMA

Girişe uygulanan alternatif gerilimin pozitif ve negatif her alternansında çıkış devresinde dalgalı doğru akım elde etmek için kullanılan doğrultuculara tam dalga doğrultucular denir. Yarım dalga doğrultucuların verimi düşüktür. Akımın aralıklı darbeli oluşu nedeniyle etkili bir filtreleme işi çok zordur. Bu sakıncaları olmayan tam dalga doğrultucular çok daha yaygın olarak kullanılır.

Tam dalga doğrultma devreleri iki diyotlu ve dört diyotlu (köprü tipi) tam dalga doğrultma devreleri olmak üzere ikiye ayrılır. Bunlar aşağıda ayrıntılı olarak incelenmiştir:

1) İki Diyotlu Tam Dalga Doğrultma

Şekil 3.14`de iki diyotlu doğrultma devresi görülmektedir. İki diyotlu doğrultma devresinde, sekonderin her iki sargı dilimi üzerinde giriş sinyalini oluşturmak için orta uçlu bir transformatör kullanılmalıdır. Sekonder sargı orta uçlu olduğundan, bu sargı sanki iki sargı birbirine seri olarak bağlanmış gibi hareket eder. İki diyodun anotları sekonder sargılarının alt ve üst uçlarına bağlanır. İki katot birbirine birleştirilir ve katotların birleştiği bu uç R yük direncine, direncin diğer ucu da sekonder sargının orta ucuna bağlanır. Yük direnci iki katoda seri bağlı olduğundan, her iki diyodun akımı bu dirençten geçmek zorundadır. Diyotlar tek yönlü iletkenliğe sahip olduklarından yük direncinden geçen akım daima aynı yöndedir. Bu şekilde yük direnci uçlarında istenen DC gerilim çıkışı elde edilir.

Transformatör sekonder sargısına uygulanan Vi`nin pozitif alternansında devre, Şekil 3.15`daki gibidir. Sekonder sargının üst ucu pozitif (+), alt ucu negatif (-) olur. Orta uç ise, üzt uca göre negatif (-) alt uca göre pozitifdir (+). Bu durumda D1 diyodu doğru polarmalandırıldığı için iletimde, D2 diyodu ters polarmalandırıldığı için yalıtımdadır. Devreden, transformatörün orta ucundan çıkıp yük ve D1 üzerinden geçerek sekonderin üst ucunda son bulan bir IR akımı akar.

Transformatörün sekonder sargısına bir öncekine göre farklı yönde gerilim uygulandığı takdirde, sekonder sargının üst ucu negatif (-), alt ucu pozitif (+) olur. Orta uç ise, üst uca göre pozitif (+) alt uca göre negatifdir (-). Bu durumda D1 diyodu ters polarmalandırıldığı için yalıtımda, D2 diyodu ise doğru polarmalandırıldığı için iletimdedir. Devreden, transformatörün orta ucundan çıkıp, yük ve D2 üzerinden geçerek sekonderin alt ucunda son bulan bir IR akımı akar. Yük direnci üzerindeki gerilimin polaritesi yine aynıdır.

2) Dört Diyotlu (Köprü Tipi) Tam Dalga Doğrultma

Şekil 3.17 : Tam dalga köprü tipi doğrultucu

Köprü tipi tam dalga doğrultma devresi Şekil 3.17`de görülmektedir. Girişe pozitif alternans uygulandığında, D2 ve D3 doğru polarize olduğu için iletken durumda, D1 ve D4 ters polarize olduğu için yalıtkan durumdadır. Şekil 3.18`de gösterildiği gibi iletken olan D2 ve D3 diyotları kapalı bir anahtar olarak, D1 ve D4 diyotları ise açık bir anahtar olarak kabul edilebilir. Diyotlar ideal kabul edildiği için yük direnci üzerindeki gerilim VO = Vi`dir.

Şekil 3.18 : Pozitif alternansta diyot durumları

Şekil 3.19

Girişin negatif alternansında ise; D1 ve D4 diyotları doğru polarmalandırıldığı için iletken, D2 ve D3 diyotları ters polarmalandırıldığı için yalıtkan durumdadırlar. Buradaki önemli nokta yük direnci üzerindeki polaritenin Şekil 3.19 ile aynı ve bunun da Şekil 3.20`de gösterildiği gibi ikinci pozitif darbeye neden olmasıdır.

Şekil 3.20

Kısacası, dört diyotlu tam dalga doğrultma devresindeki diyotlar ikişer ikişer sıra ile iletken olarak giriş geriliminin her iki alternansını da doğrultup çıkışa aktarırlar. Elde edilen DC gerilimin dalga şekli iki diyotlu tam dalga doğrultmadaki ile aynıdır.

Şekil 3.21 : Köprü Tipi Tam Dalga Do?rultma

Şekil 3.21’de Köprü tipi tam dalga doğrultma devresinin canlanırılması verilmiştir. Devrenin çalışmasını incelemek için lütfen anahtar üzerine tıklayınız.

Bir tam periyot boyunca eksen üzerindeki alan, yarım dalga doğrultma sistemine göre ikiye katlandığı için, DC düzeyde ikiye katlanmaktadır.

Silisyum diyotlarda pozitif iletme fazı süresince Şekil 3.23`de gösterildiği gibi VO`ın etkisi de ikiye katlanmıştır. Ancak, eğer Vm >> 2VT ise, bu durumda

————(3.2)

olacaktır.

Şekil 3.23

KIRPICI DEVRELER

Dönüşümlü dalga biçiminin geri kalan kısmını bozmadan giriş sinyalinin bir bölümünü “kırpma” özelliğine sahip devrelere “kırpıcı devreler” adı verilir. Yarım dalga doğrultucu, bir diyotlu kırpıcının en basit örneklerinden biridir. Diyodun yönüne bağlı olarak giriş sinyalinin pozitif veya negatif bölgesi kırpılmaktadır.

Kırpıcıları, seri ve paralel kırpıcılar olmak üzere iki gruba ayırmak mümkündür. Seri devrelerde diyot yüke seri, paralel devrelerde ise paralel bağlıdır.

Şekil 3.24

Şekil 3.24 (a)`daki seri devrenin çeşitli dalga biçimlerine tepkisi, Şekil 3.24 (b)`de gösterilmiştir.