Yarı İletken Fiziği
Yarı iletkenler, mütevazı bant aralıkları sayesinde iletkenlikleri sıcaklık, katkılama ve uygulanan alanlar aracılığıyla ayarlanabilen malzemeler olup, modern elektroniğin fiziksel temelini oluşturmaktadır.
Tanım
Yarı iletken fiziği, elektronik bant kuramının, termal uyarım ve katkılamanın iletim bandını ve valans bandını hareketli elektronlar ve boşluklarla doldurabildiği kadar küçük bir bant aralığına sahip malzemelere uygulanmasıdır; bu elektron ve boşlukların konsantrasyonları ve hareketleri elektronik cihazlar inşa etmek için kontrol edilebilmektedir.
Kapsam
Bu alan, yarı iletken katıların fiziğini kapsamaktadır: içsel ve dışsal (katkılı) davranış, elektron ve boşluk taşıyıcı istatistikleri, Fermi seviyesinin konumu, p-n eklemlerinin oluşumu ve arayüzlerdeki bant bükülmesi ile cihazları yöneten optik soğurma ve taşıma özellikleri. Küçük bant aralığına sahip malzemelere bant kuramını uygulamakta ve mikroskobik elektronik yapıyı diyotların, transistörlerin ve optoelektronik cihazların çalışmasıyla ilişkilendirmekte, ancak cihaz mühendisliği detaylarını uygulamalı alanlara bırakmaktadır.
Alt konular
Temel sorular
- Bir yarı iletkenin küçük bant aralığı, taşıyıcı konsantrasyonunu sıcaklığa ve katkılamaya nasıl duyarlı hale getirmektedir?
- Boşlukların rolü nedir ve donör ile akseptör safsızlıkları n-tipi ve p-tipi malzemeyi nasıl oluşturmaktadır?
- Bir p-n eklemi, bant bükülmesi ve dahili potansiyel aracılığıyla akımı nasıl doğrultmaktadır?
- Yarı iletken cihazları yöneten optik soğurmayı ve taşıyıcı hareketliliğini ne belirlemektedir?
Anahtar kavramlar
- Bant aralığı, iletim bandı ve valans bandı
- Yük taşıyıcıları olarak elektronlar ve boşluklar
- Donör ve akseptör katkılaması (n-tipi ve p-tipi)
- Fermi seviyesi ve taşıyıcı istatistikleri
- p-n eklemi, dahili potansiyel ve doğrultma
Temel kuramlar
- Taşıyıcı istatistikleri ve kütle etkisi yasası
- Denge elektron ve boşluk konsantrasyonları, durum yoğunluğundan ve Fermi-Dirac istatistiklerinden türemektedir; ürünleri belirli bir sıcaklıkta sabittir, bu nedenle bir taşıyıcıyı artıran katkılama diğerini bastırmaktadır.
- p-n eklemi doğrultması
- p-tipi ve n-tipi malzemeyi birleştirmek, Fermi seviyesini hizalamakta, bantları bükmekte ve dahili bir alana sahip bir tükenme bölgesi oluşturmaktadır; bu da akımın sadece tek yönde kolayca akmasına izin vermekte ve diyotun temelini oluşturmaktadır.
Klinik önem
Yarı iletken fiziği, tüm elektronik ve bilgi teknolojisi endüstrisinin temelini oluşturmaktadır: diyotlar, transistörler, entegre devreler, güneş pilleri, ışık yayan diyotlar, lazerler ve fotodedektörlerin tamamı, burada geliştirilen taşıyıcı ve eklem fiziğine dayanmaktadır.
Tarihçe
Bantların kuantum kuramı, yarı iletken davranışını 1930'larda açıklamış ve Bardeen, Brattain ve Shockley tarafından Bell Labs'ta 1947-1948'de nokta-temaslı ve eklem transistörlerinin icadı, yarı iletken fiziğini modern elektroniğin ve ardından gelen mikroelektronik devrimin temeli haline getirmiştir.
Öne çıkan isimler
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
İlgili konular
Temel eserler
- sze2007
- ashcroft1976
Sıkça sorulan sorular
- Boşluk nedir?
- Boşluk, aksi takdirde dolu olan bir valans bandındaki bir elektronun yokluğudur; pozitif yüklü hareketli bir taşıyıcı gibi davranmaktadır ve boşlukları takip etmek, onları doldurmak için hareket eden birçok elektronu takip etmekten çok daha basittir.
- Çok az miktarda safsızlık eklemek iletkenliği neden bu kadar dramatik değiştirmektedir?
- Donör veya akseptör atomları, bant aralığının hemen içine, oda sıcaklığında kolayca iyonize olan enerji seviyeleri sokmaktadır; bu nedenle milyonda bir (ppm) düzeyindeki katkılama bile serbest taşıyıcı konsantrasyonunu birçok büyüklük mertebesinde değiştirebilmektedir.