Yarı İletken Malzeme Kimyası
Yarı iletken malzeme kimyası, iletkenliği metaller ile yalıtkanlar arasında yer alan ve bileşim ile katkılama (doping) yoluyla hassas bir şekilde kontrol edilebilen katıları incelemektedir. Bu katılar, elektronik ve optoelektronik cihazların yapımında kullanılan malzemeleri sağlamaktadır.
Tanım
Yarı iletken, elektrik iletkenliği sıcaklık ve özellikle katkılama (doping) yoluyla birçok büyüklük mertebesinde kontrol edilebilen, mütevazı bir bant aralığına sahip bir katıdır; yarı iletken malzeme kimyası, bu tür katıların bileşimini, kusurlarını ve hazırlanmasını incelemektedir.
Kapsam
Bu konu, yarı iletken katıların kimyasını kapsamaktadır: bir yarı iletkeni tanımlayan bant aralığı, içsel (intrinsic) ve dışsal (extrinsic) iletkenlik, silikon ve germanyum gibi elementel yarı iletkenlerin donörler ve akseptörlerle katkılanması (doping). Ayrıca, ayarlanabilir doğrudan bant aralıkları ışık emisyonuna uygun olan bileşik yarı iletkenlere (III-V ve II-VI aileleri) ve cihaz kalitesinde malzeme üreten saflaştırma, kristal büyütme ve ince film biriktirme yöntemlerine de değinilmektedir.
Temel sorular
- Bir yarı iletkeni hangi bant aralığı aralığı tanımlamaktadır?
- Donör ve akseptör katkılayıcılar iletkenliği ve taşıyıcı tipini nasıl kontrol etmektedir?
- Bileşik yarı iletkenler, mevcut bant aralıklarının aralığını nasıl genişletmektedir?
- Cihaz kalitesindeki yarı iletken malzeme nasıl saflaştırılmakta ve büyütülmektedir?
Anahtar kavramlar
- Bant aralığı
- İçsel (intrinsic) ve dışsal (extrinsic) yarı iletkenler
- Donör ve akseptör katkılama (doping)
- III-V ve II-VI bileşikleri
- Doğrudan ve dolaylı bant aralıkları
- Kristal büyütme ve saflaştırma
Temel kuramlar
- İçsel (intrinsic) ve dışsal (extrinsic) iletkenlik
- İçsel bir yarı iletkende iletkenlik, bant aralığı boyunca termal olarak üretilen elektron-boşluk çiftlerine dayanmaktadır; donör veya akseptör atomlarla katkılama (doping), seçilen bir işaretin taşıyıcılarını sağlayan sığ durumlar ekleyerek iletkenliği bileşimle kontrol edilebilir hale getirmektedir.
- Bileşik yarı iletkenler ve bant aralığı mühendisliği
- III ve V veya II ve VI gruplarından elementlerin birleştirilmesi, bant aralığı ve doğrudan veya dolaylı olup olmadığı bileşimle ayarlanabilen yarı iletkenler üretmektedir; bu durum, belirli elektronik ve ışık yayan işlevlere uygun malzemelerin tasarlanmasına olanak tanımaktadır.
Mekanizmalar
Donör katkılayıcılar elektronları iletim bandının hemen altına, akseptörler ise boşlukları valans bandının hemen üzerine yerleştirmektedir; bu sayede mütevazı termal enerji onları iyonize etmekte ve taşıyıcı konsantrasyonunu sabitlemektedir. Doğrudan bir bant aralığı boyunca taşıyıcı rekombinasyonu ışık yaymakta olup, bu durum yarı iletken ışık kaynaklarının temelini oluşturmaktadır.
Klinik önem
Yarı iletken malzemeler, mikroelektronik ve optoelektroniğin temelini oluşturmaktadır: katkılı silikon transistörler ve entegre devreler üretirken, bileşik yarı iletkenler ışık yayan diyotlar, lazer diyotlar ve fotodedektörler yapmaktadır. Dikkatli kimya ile elde edilen saflık ve kristal mükemmelliği, cihaz performansını belirlemektedir.
Tarihçe
Yarı iletkenlere ilişkin anlayış, silikon ve germanyumun kontrollü katkılanmasının (doping) anahtarlanabilir, yükseltici bir cihaz üretebileceğini gösteren 1947 transistör icadı etrafında şekillenmiştir. Bölgesel saflaştırma ve tek kristal büyütme tekniklerinin geliştirilmesi, ultra saf malzeme sağlamış ve bileşik yarı iletkenler alanı ışık emisyonu ve yüksek hızlı elektroniklere doğru genişletmiştir.
Öne çıkan isimler
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
İlgili konular
Temel eserler
- callister2018
- kittel2005
Sıkça sorulan sorular
- Katkılama (doping), yalıtkan görünümlü bir kristali nasıl faydalı bir iletkene dönüştürmektedir?
- Konakçıdan bir fazla veya bir eksik valans elektronuna sahip çok küçük miktarda bir elementin eklenmesi, bant kenarlarına yakın sığ enerji seviyeleri oluşturmaktadır. Bunlar, kolayca aktive olan elektronları veya boşlukları serbest bırakarak iletkenliği büyüklük mertebelerinde artırmakta ve iletkenliğin negatif veya pozitif taşıyıcılar tarafından olup olmadığını belirlemektedir.
- Işık yayan cihazlar neden silikon yerine bileşik yarı iletkenler kullanmaktadır?
- Silikon dolaylı bir bant aralığına sahiptir, bu nedenle elektron-boşluk rekombinasyonu nadiren bir foton yaymaktadır. Birçok bileşik yarı iletkenin doğrudan bant aralıkları bulunmaktadır; bu aralıklarda rekombinasyon verimli bir şekilde ışık üretmekte ve bu da onları ışık yayan diyotlar ve lazer diyotlar için tercih edilen malzemeler haline getirmektedir.