KATHIAL ELEKTRONI ĞI
Doç.Dr. Faruk ÖZEK
A.Ü.F.F. Döner Sermaye i ş letmesi Yay ı nları No: 52
Elektronik Mühendisi* Bölümü A.Ü.F.F
I
B E
KATIHAL ELEKTRON İĞİ
Doç.Dr. Faruk ÖZEK
A.Ü.F.F. Döner Sermaye i ş letmesi Yay ı nları No: 52
Elektronik Mühendisli ğ i Bölümü A.Ü.F.F
I
KATIHAL ELEKTRONI ĞI
ÖNSÖZ
KATIHAL ELEKTRONİĞİ KITABI HAZIRLANIRKEN, KONULAR İN KOLAYLİKLA ANLA ŞİLABILIR OLMASİNA ÖNCELIK TANINMIŞ TIR. AYRİNTİLİ TEORIK BILGILER FAKOLTEMIZ YAY İNLAR! DAHIL OLMAK ÜZERE BA ŞKA KAYNAKLARDAN DA SA ĞLANABILECEĞINDEN, BURADA, GEREKSIZ TEKRARDAN ÖZELLIKLE KAÇINILMI Ş TIR. BÖYLECE, MINİMUM KITAP HACMI IÇINDE MAKSIMUM B11 G1 VERILMESI AMAÇLANMI Ş TIR. KITAP, BU HALIYLE, TEORIK A ĞİRLİKLİ KITAPLAR! TAMAMLAYIC1 N İTELİKTEDİR. YARI-ILETKEN ELEKTRONİK BILEŞENLER DAHA ÇOK PRATIK KULLAN İM AÇİSİNDAN INCELENMIŞ VE KONULAR YERI GELDIKÇE UYGULAMA
İLE
ILIŞKILENDIRILMIŞ TIR. BU KİTABIN ELEKTRON İK MÜHENDİSLİĞİ Ö ĞRENCILERININ YANİSİRA FIZIK VE FIZIK MOHENDISLI ĞI BÖLÜMLERI- Ö ĞRENCILERI IÇIN DE YARARLİ OLMASİN! DILERIM.
SON OLARAK, KITABIN BILGISAYAR YAZIMINI GERÇEKLEŞTIREN EŞIM SAYİN NURHAN ÖZEK'E TE ŞEKKORLERIMI SUNAR/M.
FARUK ÖZEK ELEKTRONIK MOHENDISLIĞİ BÖLÜMÜ
A. Ü.F.F. 1998
İ Ç İ NDEKİ LER
ATOMUN ELEKTRONIK YAPISI ELEKTRON YÖRÜNGELER İ
1
KIMYASAL BAĞ LAR
3
KATILAR
5
ENERJI BANDLARI
6
VALANS BANDI - ILETKENLIK BANDI
7
FOTON
7
YARI- İLETKENLER İ LETKEN, YALITKAN, YARI- İ LETKEN
11
KATKISIZ YARI- İ LETKEN
12
KATKILI YARI-ILETKENLER : N-TIPI, P-TIPI
13
PN EKLEM İ DENGE DURUMUNDA PN EKLEM İ
17
ILERI KUTUPLAMA - TERS KUTUPLAMA
19
PN D İYODUN AKIM-VOLTAJ KARAKTERISTIKLER İ
21
EKLEM KIRILMASI
22
PN DİYOD UYGULAMALAR! ZENER 1:4YOD
24
VAR İ KAP D İYOD
25
I Ş IK YAYAN D İYOD : LED
26
FOTO-D İYOD
27
GÜNE Ş PIL İ
29
TRANSİSTÖR TR İYOD LAMBALI YÜKSELT İ C İ
32
TR İYOD LAMBA İ LE TRANSISTÖRÜ-N KAR ŞILAŞTIRILMASI 34 TRANS İSTÖR f İZİĞ t
36
BJT İ LE AKIM YÜKSELTME KAZANCI
37
FOTO-TRANS İ STÖR
38
LED I Ş IMASININ TRANSISTOR İLE MODÜLASYONU
39
ALAN ETKILI TRANSİSTÖR JFET
41
MOSFET
44
CMOS
46
YARI - İLETKEN ANAHTARLAMA ELEMANLARI TR1STOR (SCR)
48
LASCR
49
TRİAK
50
D İAK
51
QUADRAC
54
BAZI Ö-ZEL YAR1- İLETKENLER UJT
55
PUT
58
FOTO-REZISTÖR (LDR)
59
LDR İ LE IŞIK KONTROLLÜ OSSILATOR
61
TERM İ STÖR
62
KATIHAL GÖRÜNTÜ ALGILAYICILARI CCD
65
BAZI FİZİ KSEL SABiTLER
76
KAYNAKLAR
77
BÖLÜM 1
ATOMUN ELEKTRONIK YAPISI
1.1 ELEKTRON YÖRÜNGELERi Elektronlar, çekirdek (nucleus) etraf ı nda, herbiri belirli bir enerji düzeyine karşı l ı k gelen yörüngelerde dönerler. Herbir elektron yörüngesinde bulunabilecek maksimum elektron say ı s ı belirlidir: 1 nci yörüngede en fazla 2 elektron, 2 ve 3 üncü yörüngelerde en fazla 8 elektron bulunabilir. Atom numaras ı (bir atomdaki elektron veya proton say ı s ı ) Z > 20 ise 3, 4, 5 ve 6 nc ı yörüngelerde 8 den fazla elektron bulunabilir. Ancak, en d ış yörüngede, yine en çok 8 elektron vard ı r. Z2 için 1 nci yörüngede 2 elektron, Z>2 için en d ış yörüngede 8 elektron varsa, elektron yörüngeleri için "tamamlanm ış " denir. Yorüngeleri tamamlanm ış atomlar kararl ı (stable) yap ı dad ı rlar ve di ğ er atomlarla ba ğ yapmaya yatk ı n de ğ ildirler. Kararl ı atom yap ı lar ı na örnekler Şekil 1.1 de gösterilmi ş tir: Helyum Z = 2 Neon Z = (2+8) Argon Z = (2+8+8)
Atomun en d ış yörüngesinde dönen elektronlara valans elektronlara adi verilir (valance: ba ğ de ğ er).
Örnek: Silisyum atomu: Şekil 1.2. Bu ş ekilde, silisyum atomunun sadece d ış yörüngesi dikkate al ı nd ığı zamanki basitle ş tirilmi ş diyagram ı da gösterilmi ş tir.
HELYUM
NEON
ARGON
Şekil 1.1 Kararl ı atom yap ı lar ı na örnekler [1]
VALANS ELEKTRONLARI
Şekil 1.2 Silisyum atomu ve basitle ş tirilmi ş diyagram ı [2]
Bir atomun en d ış yörüngesinde 8'e yak ı n sayida elektron varsa, örnek klor: Şekil 1.3, di ğer bir atomdan birkaç elektron alarak elektron say ı s ı n ı 8'e tamamlar ve kararl ı yap ı ya ula şı r.
2
KLOR
Şekil 1.3 Klor atomu
Eğ er, en d ış yörüngesinde birkaç elektron varsa, atom bu elektronlar ı ba ş ka bir atoma vererek yine kararl ı bir yap ı ya ula ş m ış olur: Şekil 1.4.
SODYUM
Şekil 1.4 Sodyum atomu
1.2 KIMYASAL BAĞ LAR Atomlar, d ış yörüngedeki elektron say ı s ı n ı "tamamlamak" üzere, a ş ağı daki iki yoldan biri ile bile ş ik olu ş tururlar:
İYON İ K BAĞ LANMA: Şekil 1.5: iki atomdan biri di ğerine elektron verir ve pozitif iyon haline geçer. Elektron alan atom d ış yörüngesini tamamlar. Bağ , z ıt yüklerin birbirini çekmesinden olu ş ur. 3
•
Şekil 1.5 İ yonik ba ğ lanma
KOVALANT BA Ğ LANMA: Şekil 1.6: Valens elektronlar ı n ı n payla şı lmas ı ile olu ş ur.
Şekil 1.6 Kovalant ba ğ lanma Silisyum, germanyum gibi 4 valans elektronlu atomlar kovalant bağ lanma yaparlar: Şekil 1.7. Üç valans elektronlu atomlar (Ga Z=31, In Z=49, gibi) ile be ş valans elektronlu atomlar (As Z = 33, Sb Z = 51, gibi) kovalant ba ğ lanma yaparlar: GaAs, InSb. Üç ve be ş valans elektronlu atomlar aras ı ndaki ba ğlanma Şekil 1.8 de aç ı klanm ış t ı r. o
o
o
5
\.. ğ c°" g°° 0
0
.
OO
O
0-0
0
0-0
)cş \.)07 °\° .°07 °
`-.0---"
0-----
' --
0---' o
o
Şekil 1.7 Silisyum atomlar ı aras ı nda kovalant ba ğ lanma [2] 4
Şekil 1.8 Üç ve be ş valans elektronlu atomlar aras ı nda kovalant ba ğ lanma [2]
1.3 KATI LAR
Bir s ı v ı n ı n s ıcakl ığı yeteri kadar azalt ı l ı rsa, moleküller birbirine yakla şı r, "donma noktas ı " denen bir s ı cakl ı k derecesinde moleküler bağ lar kopar ve atomlar "kristal" ad ı verilen rijid yap ı lar içinde düzenlenirler. Yakla şı k tüm kat ı lar kristal yap ı dad ı rlar (cam gibi baz ı maddeler ise "amorti' yap ıdad ı r). Üç temel tür kristal yap ı s ı vard ı r: ELEKTROVALANT kristal: Birbirine elektrovalant (elektrostatik) kuvvetle ba ğ l ı iyonlardan olu ş ur. Örnek: tuz kristali: Şekil 1.9.
•
SODYUM İYONU
o KLOR İYONU
Şekil 1.9 Elektrovalant (iyonik ba ğl ı) kristal 5
Kübik yap ı (lattice), kristal boyunca tekrarlan ı r. Bu tür kristaller suda çözüldü ğ ünde, iyonlar ı n çözeltide serbest kalmas ı sonucu, iletken çözelti olu ş ur. KOVALANT kristal: Si, Ge örnek olarak verilebilir. Atomlar birbirine kovalant ba ğ larla ba ğ l ı d ı r. Is ı etkisi ile kristal yap ı n ı n ortak valans ba ğ lar ı kopabilir ve bunun sonucu kristal içinde serbest elektronlar ortaya ç ı kabilir. METAL İ K kristal: Pür metalik kristallerde, atomlar pozitif iyonlar halinde lattice yap ı s ı içindedirler. D ış yörüngeden kopmu ş bulunan elektronlar, kristal yap ı içinde serbestçe hareket edebilirler. Bu nedenledir ki, metaller iyi iletkendirler. 1.4 ENERJI BANDLARI Her elektron yörüngesi bir enerji DÜZEY İ dir. Atomlar birbirine yakla ş t ığı nda, yani atomlar aras ı uzakl ı k azald ı kça, enerji düzeyleri üst üste biner ve düzeyler BAND (ku ş ak) olu ş turacak ş ekilde geniş ler [3, 4], Şekil 1.10.
ATOM
MOLEKÜL
KR İSTAL
Eg }
ÜÇ ATOM
ATONILAR ARASI UZAKLIK
Şekil 1.10 Band olu ş umu 6
SONSUZ ATOM
Band içindeki düzeyler aras ı nda 10 -14 eV kadar küçük enerji farklar ı varsa da, bandlar sürekli yap ı da kabul edilirler.
1.5 VALANS BANDI - İ LETKENLİ K BANDI Valans elektronlar ı n ı n bulundu ğ u, en d ış taki enerji band ı na valans band ı (valance band), bir sonraki müsaadeli (allowed) band'a iletkenlik band ı (conduction band) ad ı verilir. Valans band ı n en üst de ğeri Ev , iletkenlik band ı n ı n en alt de ğ eri Ec ile gösterilir. Mutlak s ıfı r noktas ı nda (absolute zero: -273 °C) tüm elektronlar valans band ı ndad ı r. S ı cakl ı k yükseldi ğ inde, yasak enerji aral ığı ndan (forbidden energy gap: E g) daha fazla enerji kazanan elektronlar iletkenlik band ı na yükselerek serbest kal ı rlar ve arkalar ı nda pozitif yüklü bir "bo ş luk" (hole) b ı rak ı rlar; Şekil 1.11, ve böylece bir elektronhole çifti (EHÇ) olu ş ur. ELEKTRON
İLETKENLİK BANDI
o --> VALANS BAND
HOLE
Şekil 1.11 Elektron-hole çifti olu ş umu [5]
Elektrik alan ı uyguland ığı nda, elektron ve hole'ler z ı t yönde hareket eder ve ak ı m olu ş tururlar.
1.6 FOTON
Elektronun bir üst enerji düzeyine yükselebilmesi için d ış arı dan ( ı s ı gibi) enerji almas ı gerekir. Bu durumda atoma "uyar ı lm ış " (excited) denir (uyar ı lma ile "iyonla ş ma" aras ı ndaki temel fark, uyar ı lmada elektronun yine atom yap ı s ı içinde kalmas ı , iyonla ş mada ise atomu tamamen terk etmesidir). 7
Elektronlar d ış ar ı dan foton enerjisi alarak da iletkenlik band ı na yükselebilirler: Şekil 1.12. Bunun için gelen foton enerjisinin, hv, en az
Eg=Ec--.E, kadar olmas ı gerekir.
(c
)
> Eg Ev J-
Şekil 1.12 Foton enerjisi ile uyar ı lma [6] Şekil 1.12 (a) Uyar ı lma : EHÇ olu ş umu (b) Kristale ı s ı transferi (c) Eiektron-hole birle ş mesi (recombination)
Valans banda geri dönen elektronun hole ile birle ş mesi sonucunda, enerjisinde foton yay ı nlan ı r. Yay ı nlanan fotonun X dalga boyu, E ş itlik 1.1 ile verilir.
= h.c/Ef
burada
(1.1)
X : dalga boyu, p. h : Plank sabiti = 4.14x10 -15 eV.sn c : I şı k h ı z ı = 3x10 14 p/sn Ef: eV (p.: mikron = 10 -3 mm = 10 -6 m)
Örnek: Eg de ğeri 1.43 eV olan GaAs kristaline enerjisi 2 eV olan foton düş mektedir, Şekil 1.13. (a)
2 eV enerji kazanan elektron iletkenlik band ı na yükselir. 8
(b)
Kristale, 2-1.43 = 0.57 eV e ş de ğ eri kadar ı s ı enerjisi b ı rak ı r.
(c)
Ec E, = 1.43 eV enerjisinde, X = 0.87 p. dalga boyunda (infrared ışı ma bölgesinde) foton yay ı nlan ı r.
Şekil 1.13 GaAs kristalinde foton ile uyar ı lma ve foton yay ı nlanmas ı [6]
Elektronun VL.B.na geri dönü ş ü s ı ras ı nda foton (görünür ışı k veya infrared) yay ı nlanmas ı , genel tan ı m ı ile luminescence olarak adland ı rı l ı r ve: 1.
Elektron, foton absorblanmas ı ile uyar ı lm ış ise: photoluminescence ( Şekil 1.12)
2.
Uyar ı lma, kristale ak ı m verilerek olu ş mu ş ise: electroluminescence
3.
EHÇ'leri elektron bombard ı man ı sonucu olu ş mu ş ise: cathodoluminescence
olarak türlere ayr ı l ı r. baz ı yar ı -iletken kullan ı lan olarak eleman Elektronik (semiconductor) kristallerin E g enerji değerleri Tablo 1.1 de verilmi ş tir.
9
Tablo 1.1 [6]
Kristal
Eg (eV)
Ge Si GaP GaAs GaSb ZnS CdS CdSe
0.67 1.11 2.26 1.43 0.70 3.60 2.42 1.73
10
BÖLÜM 2
YARI - İ LETKENLER
2.1
İ LETKEN, YALITKAN, YARI- İ LETKEN
İ letken (conductor), yal ı tkan (insulator) ve (semiconductor) band yap ı lar ı Şekil 2.1'de gösterilmi ş tir.
İ LETKENLİ K BANDI
yar ı -iletken
Eg
z
w
VALANS BAND İLETKEN
YALITKAN
YARI-İLETKEN • • O • 0 •
Şekil 2.1 İ letken, yal ıtkan, yar ı -iletken [•-•
Şekildeki yar ı -iletken, içinde safs ı zl ı k (impurity) bulunmayan "katk ı s ı z" (intrinsic) yar ı iletkeni göstermektedir. Katk ı s ı z ve katk ı l ı yar ı iletkenler, bu bölümde ayr ı nt ı l ı olarak aç ı klanm ış t ı r.
İ LETKEN
: İ letkenlik band ı k ı smen (partially) dolu Yasak enerji aral ığı (forbidden energy gap): E g : dar 11
YALITKAN : İ letkenlik band ı bo ş (empty) Eg geni ş • Eg>- 3 eV
YARI- İ LETKEN (Y- İ ): Eg yal ıtkana göre daha dar: Eg< 3eV Bu nedenle, valans elektronlar ı n ı n enerji kazan ı p iletkenlik band ı na (11_43.) ç ı kma olas ı l ığı yüksektir.
2.2 KATKISIZ YARI- İ LETKEN İ çinde safs ı zl ı k bulunmayan Y- İ 'lerdir. Mutlak s ıfı r derecesinde (T= -273 °C) hiç bir yük ta ş ıy ı cis ı (carrier) yoktur. Is ı enerjisi alan valans elektronlar ı İ L.B. na ç ı kabilir. Böylece yük ta şı y ı c ı lar!, dolay ı s ı ile iletkenlik, olu ş ur. Ta şı y ıc ı lar çiftler halinde olu ş tu ğ undan, İ L.B. daki elektron konsantrasyonu, n, valans band ı nda (VL.B.) ortaya ç ı kan hole konsantrasyonuna eş ittir; n=p. Elektronun İ L.B. na ç ı kma olas ı l ığı , veya bu bandda "bulunma olas ı l ığı ", E ş itlik 2.1 de verilen Boltzmann faktörü ile tan ı mlan ı r [6,8j: n Boltzmann faktörü : exp (-E gİ2kT) = — N,
(2.1)
burada Eg = E,- E v = 8.6x10-5 eV/° K =1.38x1023 Joule/°K n : İ L.B.ndaki elektron konsantrasyonu N, : iL.B.nda, valans elektronlar ı n ı kabul edebilecek enerji düzeyleri konsantrasyonu. k : Boltzmann sabiti
E ş itlik 2.1 deki kT de ğeri, elektronun "ortalama termal enerjisi" dir. Oda s ı cakIl ığı nda: T=27 °C : kT=0.0258 eV = 1/40 eV
12
Eş itlikde 2.1 de 2 say ı s ı n ı n bulunmas ı , elektron ve hole'lerin çift olarak olu ş mas ı ndan dolay ı d ı r. Belirli bir kristal için, yani E g : sabit, Boltzmann faktörü sadece T s ı cakl ığı na ba ğ l ı d ı r; s ı cakl ı k artt ı kça elektronun iletkenlik band ı nda bulunma olas ı l ığı da artar. örnek Hesaplama : Ge kristali Eg = 0.67 eV (Tablo 1.1) T = 300° K (oda s ı cakl ığı ) E ş itlik 2.1 den, Boltzmann faktörü = 2x10 -6 elektron İ L.B.ndaki Ge kristalinde, oda s ı cakl ığı nda, Yani konsantrasyonu (birim hac ı mdaki iletkenlik elektronu say ı s ı ) olabilece ğ inin yüzde 0.0002'si kadard ı r. S ıcakl ı k, örnek olarak, üç kat ı na ç ı kar ı ld ığı nda, T =81 °C=354° K, elektronun İ L.B.nda bulunma olas ı l ığı yakla şı k yüzde 0.002 de ğerine yükselir. Matematiksel olarak bak ı ld ığı nda, ta şı y ı c ı say ı n ı art ı rmak için s ı cakl ığı n yükseltilmesi bir yol olarak dü ş ünülebilir. Ancak, bu yol pratik de ğ ildir. Y- İ 'deki yük ta şı y ı c ı say ı s ı n ı , dolay ı s ı ile iletkenli ğ i, art ı rmak için kristale uygun safs ı zl ı k kat ı l ı r (doping). Böylece olu ş an "katk ı l ı " Yilerde çok daha yüksek oranlarda ta şı y ı c ı say ı s ı sa ğ lanm ış olur.
2.3 KATKILI YARI- İ LETKEN LER 2.3.a N-TIPI YARI- İ LETKEN As, P, S, Sb gibi 5 valans elektronlu safs ı zl ı k elementleri Si veya Ge kristal yapts ı na eklendi ğ inde: a.
Safs ı zl ı k elementinin 4 valans elektronu, Si veya Ge'un valans band ı n' 8'e "tamamlar". Geriye kalan 5 nci elektron, ekstra (excess) negatif yük ta ş ıy ı c ı s ı olarak ortaya ç ı kar; Şekil 2.2.
13
FAZLADAN ELEKTRON
It Şekil 2.2 N-tipi yar ı iletken yap ı s ı [2] b.
Safs ızl ı k elementi, Si veya Ge'un İ L.B.na çok yak ı n bir enerji düzeyi oluşturur (ED: donor level, donor: verici); Şekiı 2.3. Mutlak s ıcakl ı k derecesinde, T=0°K, tüm ekstra elektronlar bu düzeydedirler. Bu elektronlar ı n İ L.B.na ç ı kmas ı için çok az miktarda termal enerji dahi yeterlidir. Sonuçta, ekstra elektronlar İ L.B.na "verilir" ve kristalin iletkenliğ i artm ış olur.
Ec
• • • •
T=50°K
T=0°K
Şekil 2.3 N-tipi yar ı iletken band yap ı s ı [6] Elektronu donor düzeyinden İ L-B.na ç ı karmak için gerekli Ec-ED enerjisi Ge kristali için yakla şı k 0.01 eV, Si için yakla şı k 0.04 eV kadard ı r. 14
2.3.b P-T İ Pİ YARI-İLETKEN Al, B, In gibi 3 valans -elektronlu safs ı zl ı k elementleri Si veya Ge'a eklendi ğinde: a.
Bir elektron noksanl ığı (8-7), (missing electron), nedeni ile bir hole (boşluk) ortaya ç ıkar; Şekil 2.4.
HOLE
Şekil 2.4 P-tipi yar ı iletken yap ı s ı b.
Safs ızl ı k elementi, Si veya Ge'un VL.B. na çok yak ı n bir enerji düzeyi olu şturur (EA: acceptor level, akseptör: al ı cı); Şekil 2.5. Mutlak s ı cakl ı k derecesinde akseptör düzeyi tamamen bo ştur. Sıcakl ı k derecesinin çok az yükselmesi ile VL.B. Baki elektronlar EA düzeyine "al ı n ı r" ve geride yani VL.B. da hole b ı rak ı rlar. Katk ıs ız yarı iletkene göre çok fazla say ıda hole oluş ur, dolay ı s ı ile kristalin iletkenliği artm ış olur.
Ec EA
Ev T=0°K
T=50°K
Şekil 2.5 P-tipi yar ı iletken band yap ı s ı
Akseptör düzeyi, VL.B. in en üst düzeyinden, Ge kristali için 0.01 eV, Si kristali için ortalama 0.04 eV kadar yukar ı dad ı r. 15
Si kristalindeki safs ı zl ı k enerjisi düzeyleri Şekil 2.6 da verilmi ş tir. Enerji de ğerleri, iL.B. n ı n en alt, VL.B. In en üst de ğerinden olan enerji farklar ı d ı r. Donor düzeyleri +, akseptör düzeyleri — i ş areti ile belirtilmi ş tir.
İLETKENLİ K BANDI • Li + (0.033)
• p' (0.044) • As + (0.049) • Slı " (0.039)
O, I
• + (0.18)
I. 2
(1.3
• Ni' (0.35)
0,4
• S" (0.37)
0.5
Au - (0.54)
Mn' (0.53) • Zn - (0.55)
(1.5
• Cu - (0.49)
U. 4
• Au + (0.35)
0 .3
• Zn - (0.31) • Ni - (0.22)
0.2
0.1 )
•B
(0.045)
• Cu' (0.24)
• In - (0.16) • Ga - (0.065)
• Al - (0.057)
VALANS BAND
Şekil 2.6 Si kristalinde safs ı zl ı k enerji düzeyleri [6]
16
BÖLÜM 3
PN EKLEMİ
3.1 DENGE DURUMUNDA PN EKLEM İ PN eklemi (p-n junction), ak ı m doğ rultmada kullan ı lan doğ rultucu diyod, foton dedektörü olan foto-diyod, ışı k yayan diyod: LED, transistör ve baz ı diğer elektronik elemanlar ı n temelidir. PN eklemi, p ve n-tipi iki yar ı iletkenin birle şmesi ile olu ş ur. Birle şme öncesi, her iki tip yar ı iletken enerji bandlar ı Şekil 3.1 de gösterilmi ştir: N
P
••
le• • • lo •• * 4* ••
İ L.B.
L_
VL.B.
ELEKTRON ENERJ İS İ 00 .0i0 0 O
O
Şekil 3.1 Eklem öncesi p ve n-tipi yar ı iletken enerji bandlar ı
P-tipi yar ı iletkenin İ L.B. ı nda çok az say ı da elektron, n-tipi yar ı iletkenin VL.B. ı nda da yine çok az say ı da hole vard ı r. P-tipi yar ı iletkende holeler ço ğ unluk (majority), elektronlar az ı nl ı k taşı yı cı land ı r (minority carriers). N tipinde ise elektronlar ço ğ unluk, hole'ler az ı nl ı k taşı yı c ı land ı r. İ ki tip yar ı iletken birle ştiğ inde, yani PN eklemi olu şduğ unda: 1.
N taraf ı ndaki İ L.B. e!ektronlar ı , pozitif yüklü P taraf ı na geçerken, geride pozitif yüklü donor (safs ı zl ı k) atomlar ı b ı rak ı rlar. 17
2.
P taraf ı na geçen elektronlar, buradaki hole'ler ile birle ş irler ve böylece nötr (yüksüz) atomlar ortaya ç ı kar
3.
Elektronlar ı n P taraf ı na diffüzyonu, yine P deki az ı nl ı k elektronlar ı taraf ı ndan itilme sonucu bir noktada durdurulur ve N elektronlar ı eklemin sol taraf ı ndan birikir. N elektronlar ı n ı n P deki hareketi için yukar ı da belirtilenler, P hole'lerinin N taraf ı na diffüzyonu için de geçerlidir.
depletion
POTANSİYEL
P
N
o
• ELEKTRON O HOLE
Şekil 3.2 PN eklemi ve eklemdeki potansiyel de ği ş imi [9] Sonuç, Şekil 3.2: a.
b.
c.
İ ki y-i'nin birle ş tiğ i yüzeyin sa ğ ve solunu kapsamak üzere, yakla şı k 1 p. kal ı nl ığı nda, eklem bölgesi olu ş ur. Bu bölgedeki atomlar nötrle ş diğ inden eklem bölgesi yük ta ş ı y ı c ı s ı yönünden "fakir" dir. Dolay ı s ı ile eklem bölgesine "fakirle ş miş " (depletion) bölge denir. Ayr ı ca Schottky tabakas ı ad ı da verilmektedir. Çok az say ı da yük bulundu ğ undan, eklem bölgesi yakla şı k yal ı tkand ı r, ba ş ka bir deyi ş le rezistivitesi yüksektir. Eklem bölgesinin N tarafı yak ı n ı nda çok dar bir pozitif tabaka, P taraf ı yak ı n ı nda ise yine çok dar bir negatif yüklü tabaka ortaya ç ı km ış t ı r. Eklem bölgesinin solunda pozirtif P, sa ğı nda negatif N bölgeleri vard ı r. Dolay ı s ı ile PN eklemine PN diyod da denir ve bu nedenledir ki Şekil 3.2 nin en üstünde diyod sembolü bulunmaktad ı r. 18
PN eklemli diyodun enerji diyagram ı Şekil 3.3 de aç ı klanm ış t ı r: P tarafı N den daha yüksek enerjide görülmektedir. N taraf ı P ye iletkenlik elektronu verirken, ayn ı zamanda, P taraf ı na enerji transfer etmi ş olur [10]. Çünkü, N iletkenlik elektronlar ı daha yüksek enerji düzeyindedirler; Şekil 3.1.
P
N f, Vo
E
Ec
Şekil 3.3 PN eklemli diyod enerji diyagram ı [6]
Eklem potansiyel fark ı Vc, = (kT/e),In(n nin p)
(3.1)
k : Boltzmann sabiti T : Mutlak s ı cakl ı k e : Elektron yükü =1.6x1019 Coulomb nn : N İ L.B.daki elektron konsantrasyonu n P'• P İ L •B' daki elektron konsantrasyonu Vo kontakt potansiyelidir ve örnek olarak Ge için 0.46 Volt'dur. PN ekleminin olu ş umu ve eklemdeki ta şı y ı c ı hareketleri ile ilgili teorik bilgiler literatürde mevcuttur [4,11].
3.2 ILERI KUTUPLAMA -TERS KUTUPLAMA Forward Biasing — Reverse Biasing Bir voltaj kayna ğı n ı n pozitif kutbu PN diyodun P taraf ı na, negatif kutbu N tarafı na ba ğlan ı rsa, diyod ileri kutuplanm ış , veya polarlanm ış , olur, Şekil 3-4. 19
Bu durumda a. b. c. d.
P deki hole'ler ve N deki elektronlar ekleme do ğ ru itilir. Engel bölgesi (depletion layer) daral ı r. Diyoddan ak ı m geçer. Eklem bölgesi, diyodun direnci en yüksek bölgesi oldu ğ undan, ak ı m ı n yaratt ığı voltaj tamamen bu bölgeye dü ş er. e. Bunun sonucunda, eklem potansiyeli azal ı r: Vo-V F (Şekil 3.5). f. Sonuç: Azalan potansiyel engeli nedeni ile ço ğ unluk ta ş ı y ı c ı lar ı eklemi kolayl ı kla geçerler.
VF
VR
+
z o
o
O o..
Şekil 3.4 İ leri (solda) ve ters (sa ğda) kutuplama [9]
VF
VR
Ec
- T Vo-VF
Ev
Vo+ V R
Şekil 3.5 İ leri (solda) ve ters (sa ğda) kutuplamada enerji band yap ı lar ı [5] 20
Bir voltaj kayna ğı n ı n pozitif kutbu PN diyodun N taraf ı na, negatif kutbu P taraf ı na bağ lan ı rsa, diyod ters kutuplanm ış olur; Şekil 3.4. Bu durumda a. b. c. d. e.
P ve N deki ço ğ unluk ta şı y ı c ı lar' diyodun uçlar ı na do ğ ru çekilir. Eklem bölgesi geni ş ler. Eklem potansiyel engeli artar: V o-ı-V R Diyoddan ak ı m geçmez. Sadece az ı nl ı k ta ş ı y ı c ı lar ı n ı n olu ş turdu ğ u çok dü ş ük bir sürüklenme (drift) ak ı m ortaya ç ı kar. Ters ak ı m (reverse current) olarak adland ı rı l ı r. De ğeri yakla şı k 1 mikro Amper'dir. Şekil 3.4 de lo olarak gösterilmi ş tir.
Ters ak ı m ı olu ş turan P az ı nl ı k elektronlar ı , P den N ye do ğ ru hareket ederler, ki bu ak ı m ı n yönü, ileri kutuplamada N den P ye giden N ço ğ unluk elektronlar ı n ı n ak ış yönünün tersidir. Ters ak ı m çok dü ş ük de ğerde olmas ı na ra ğmen, ters kutuplama voltaj ı belli bir de ğ ere yükseldi ğ inde birden artar ve eklem k ı r ı lmas ı na (breakdown) yol açar. Eklem k ı rı lmas ı , Bölüm 3.4 de aç ı klanm ış t ı r.
3.3 PN D İ YODUN AKIM-VOLTAJ KARAKTER İ STİ KLERİ PN diyoda d ış arıdan V voltaj ı uyguland ığı nda, eklemden geçen toplam ak ı m Eş itlik 3.2 ile verilir (6).
1= 10 [ exp (eV/kT)-1]
burada
lo : ters ak ı m
e: elektron yükü
(3.2)
k: Boltzmann sabiti
kT/e = 0.0258 Volt (oda s ı cakl ığı nda)
V pozitif veya negatif olabilir. İ leri kutuplamada V: pozitif, ters kutuplamada V: negatif. V voltaj ı pozitif ve kT/e de ğerinin birkaç kat ı olduğ unda, E ş itlik 3.2 deki eksponansiyel terim bir'den çok daha 21
büyük olur ve ak ı m ileri kutuplama voltaj ı ile eksponansiyel olarak artar; Şekil 3.6. V negatif ise (ters kutuplama), E ş itlik 3.2 deki eksponansiyel terim s ıfı r'a yakla ş ı r ve ak ı m 1=-1,, de ğ erini al ı r. Ters ak ı m, belli bir VB de ğ erine kadar ters kutuplama voltaj ı VR den ba ğı ms ı zd ı r, sabittir yani "doyma" (saturation) özelli ğ i gösterir.
çi ğ tunel Şekil 3.6 PN diyodun I-V karakteristikleri Ters kutuplama voltaj ı VR, k ı rı lma voltaj ı VB de ğerinde ise, ç ığ ve tunel etkilerinin sonucu, ters ak ı m ani olarak artmaya ba ş lar.
3.4 EKLEM KIRILMASI
Junction Breakdown
Ters kutuplama voltaj ı n ı n belli bir de ğ erinde, ters ak ı m ı n ani olarak artmas ı demek olan eklem k ı rı lmas ı ç ığ ve tunel etkilerinin sonucudur; Şekil 3.7. P
E
N
ELEKTRONLAR
ORİJİNAL ELEKTRON 4- YEN İ ELEKTRONLAR
Ec Nz■
Şekil 3.7 Ç ığ (solda) ve tunel (sa ğda) etkileri [5,12] 22
Ç ığ (avalanche) Etkisi: Ters kutuplamada, gerilim artt ı kça daha çok yük diyod uçlar ı na çekilir ve diyod içindeki elektrik alan artmaya baş lar. Yüksek elektrik alan ı nda, yüksek enerji ile sürüklenen elektronlar yollar ı üzerindeki kristal yap ı daki atomlardan elektron sökerler ve böylece zincirleme elektron ço ğ almas ı olu ş ur ve ters ak ı m artar. Tunel Etkisi (Zener k ı nlmas ı ): Safs ı zl ı k (impurity) konsantrasyonu çok yüksek diyodlarda ortaya ç ı kar. Yüksek safs ı zl ı k konsantrasyonu, dar eklem bölgesine neden olur. Ters kutuplama voltaj ı belli bir de ğere yükseldi ğinde P taraf ı n ı n VL.B. ile N taraf ı n ı n iL.B. ayn ı düzeye gelir ve elektronlar, aç ı klamas ı kuantum mekani ğinde yap ı lan [3] "tunel etkisi" ile N tarafı n ı n iletkenlik band ı na geçerler ve ters ak ı m ı yüksek ölçüde artt ı rı rlar. PN diyodun tamamen k ı sa devre olmas ı anlam ı na gelen eklem k ı rı lmas ı ndan, voltaj regülasyonunda (voltaj ı n sabit bir de ğ erde tutulmas ı nda) yararlan ı l ı r: Bölüm 4.1: Zener diyod.
23
BÖLÜM 4
PN DIYOD UYGULAMALARI
SEMBOL
4.1 ZENER DIYOD
Çal ış ma voltaj ı , k ı rı lma voltaj ı olan Vz dir. VB yerine, Zener diyodu belirtmek üzere V z kullan ı lm ış t ı r. K ı rı lma durumunda ortaya ç ı kan "k ı rı lma ak ı m ı " I z ile ters ak ı m lo ı nda E ş itlik 4.1 ile verilcn ba ğı nt ı mevcuttur [12]. ars
(4.1)
Iz = M.10
burada M(multiplication factor)=1/[1-(V/Vz )n]
Eş itlik 4.1 deki n, kristal tipine ba ğ l ı bir sabittir ve silisyum için yakla şı k 6 d ı r. Yine ayn ı e ş itlik incelendi ğ inde görülür ki Vz=VR ğ unda Iz ak ı m ı sonsuza gider. Bunu önlemek için Zener diyoda, oldu ak ı m s ı n ı rlamak üzere bir R direnci ba ğ lan ı r. Zener diyodun voltaj regülasyonunda kullan ı l ış ı Şekil 4.1 de örnekle aç ı klanm ış t ı r. Vz de ğeri -15 Volt olan Zener diyodun I-V karakteristi ğ i Şekil 4.1a da gösterilmi ş tir. Voltaj kayna ğı V.=17 Volt gerilim üretmektedir, ancak bu de ğerin üstünde ve alt ı nda 1 Volt dalgalanma (ripple) mevcuttur. Zener diyodu ile, voltaj kayna ğı ç ı k ış ı V. ,V. nin hemen alt ı nda,15 Volt'da sabit olarak tutulmu ş olur.
24
-I ş V
(a)
(b)
Şekil 4.1 Zener diyod (a) ve uygulama örne ğ i (b)
4.2 VAR İ KAP D İYOD ingilizce "variable capacitance" kelimelerinden türetilmi ş olup, de ğ iş ken kapasiteli diyod anlam ı na gelir. Varikap diyoda, Zener diyoda oldu ğ u gibi, ters kutuplama uygulan ı r.
4.,
■ rı od
SEMBOL Katod
PN diyodun, pozitif P ve negatif N bölgeleri ve bu bölgeler aras ı nda yakla şı k yal ıtkan (dielektrik) bir eklem bölgesinden olu ş tu ğ u Bölüm 3 de aç ı klanm ış d ı . Bu yap ı s ı nedeni ile PN diyod, kapasitör özelli ği ta ş ar [13]. Metal pffikal ı bir kapasitörün s ığ as ı C, E ş Itlik 4.2 ile verilir.
(4.2)
C = K. Ş/4
25
burada K: metal plâkalar aras ı ndaki maddenin dielektrik katsay ı s ı S: metal plakalann yüzey alan ı d: iki plaka aras ı ndaki uzakl ı k
E ş itlik 4.2 de d d ışı ndaki bütün de ğerler sabittir. Dolay ı s ı ile kapasite (s ığ a) C de ğeri sadece d ile de ğ i ş ir. PN diyodda d, P ve N bölgeleri aras ı ndaki eklem bölgesinin geni ş li ğ ine karşı l ı k gelir. Sonuç olarak, ters kutuplama voltaj ı artt ı kça eklem bölgesi geni ş ler ve PN diyod kapasitesi azal ı r, ters kutuplama voltaj ı azald ı kça daral ı r ve C artar. Uygulama örnekleri: Yay ı n istasyonuna ayarlama (tuning), frekans çoğalt ı cı (multiplier) devreleri, genlik ve frekans modülasyonlu devreler.
4.3 I Ş IK YAYAN D İYOD : LED
I şı k yayan diyod, İ ngilizce "Light Emitting Diode" kelimelerinin karşı l ığı d ı r ve k ı saca LED olarak belirtilir. LED in yap ı s ı ve foton olu ş umu Şekil 4.2 de gösterilmi ş tir. LED ileri kutuplan ı r. Kutuplama güç kayna ğı ndan N taraf ı na elektron enjekte edilir. Bu elektronlar ı n kristaldeki holetler ile birle ş mesi (recombination) sonucu foton yay ı nlan ı r. Yay ı nlanan ışı ma görünür ışı k bölgesinde oldu ğ u gibi, infrared (IR) bölgesinde de olabilir.
PN EKLEM
MilMS11/1/
ıilINIAM
Şekil 4.2 LED: yap ı s ı (solda) ve foton olu ş umu (sa ğda), [5,2] 26
Görünür iışı ş k veren LED uygulama örnekleri olarak, TV cihaz ı nda aç ı k/kapal ı olu ş u belirten ye ş il/k ı rm ız ı LED, müzik seti, otomobil göstergeleri verilebilir. En çok bilinen IR LED uygulamas ı ise TV uzaktan kumandas ı nda kullan ı lan LED dir ve kristal olarak genellikle GaAs kullan ı l ı r; 2■, LED çal ış ma ak ı m ı I F=20 mA ile 100 mA aras ı nda de ğ iş ir. Daha yüksek ak ı mlarda LED kristalinde k ı r ı lma ortaya ç ı kar. Bunun önlenmesi için, genellikle, LED seri ba ğ l ı bir dirençle birlikte kullan ı l ı r. Örnek devre Şekil 4.3 de gösterilmi ş tir.
Vcc
SV
CQY 17: Çal ış ma gerilimi V=1.7 V R :: 33 L
Çal ış ma ak ı m ı I F=100 mA Mi 17
,
‘
h
IR
RL = (5-1.7)/0.1 = 33 Ohm
Şekil 4.3 LED: CQY 17: Örnek devre
4.4 F OTO-D İYOD Görünür ışığı , IR veya ultraviyole ışı may ı alg ı lay ı p elektriksel sinyale çeviren bir transducer'dir. Örnek olarak, TV cihaz ı nda, uzaktan kumandadan gelen IR sinyallerini alg ı layan bir dedektör vard ı r. Foto-diyodun çal ış mas ı , LED in çal ış mas ı n ı n tam tersidir; $ekil 4.4. I ş ı ma, ters kutuplanm ış diyodun eklem bölgesi (depletion region) üzerine dü ş tüğünde foton absorblanmas ı sonucu elektron-hole çiftleri olu ş ur. Eklem üzerindeki elektrik alan ı elektron ve hole'ü birbirinden ay ı rı r ve z ı t yönlerde hareket ettirir. Böylece, d ış devreden I F ak ı m ı akar (I F :elektron ak ışı yönü).
27
FOTON
P
+ + O+O
090 N
C
O + +
- OOO® - _ G- G _ _ C4)- - -G -
I -I-
ANOD
KATOD
Şekil 4.4 Foto-diyod [2]
Foto-diyodun ak ı m-voltaj karakteristi ğ i Şekil 4.5 de gösterilmi ş tir. Diyoda hiç ışı k dü ş medi ğ inde, yani karanl ı kta da çok az bir ak ı m vard ı r (dark characteristic). Diyoda dü ş en ışı k ş iddeti (intensity) artt ı kça I F akı m ı da artar.
ARTAN IŞ IK MİKTARI
Şekil 4.5 Foto-diyod: ak ı m-voltaj karakteristi ğ i [5]
Foto-diyod örnek devresi Şekil 4.6 da verilmi ş tir. BP104 diyodu IR ışı maya duyarl ı d ı r. Ters kutuplama voltaj ı +5 Volt'dur. Şekil 4.6 daki ak ı m yönü, hole ak ışı yönüdür. 28
Şekil 4.6 Foto-diyod: örnek temel devre
Fotonun olu ş turduğ u ak ı m: I F I F = Coulomb/sn = (foton say ı s ı/sn)(e- say ı s ı/foton)(Coulomb/a- ) burada (foton say ı s ı/srı ) : i ş ı k ş iddeti : light intensity (e- say ıs ı/foton) : kuantum verimi : quantum efficiency Kuantum verimi, rl kristal türüne ba ğ l ı bir parametredir. Aç ı kt ı r ki, yüksek de ğerde foto-ak ı m için kuantum verimi de yüksek olmal ı d ı r. ,
Foto-ak ı ma, I F , ayrıca karanl ı k ak ı m ı da eklenir. Karanl ı k ak ı m ı , diyoda ış Ima dü ş medi ğ inde de var olan ak ı md ı r, ve çevreden ı s ı enerjisi alan valans elektronlar ı n ı n 1L.B. na ç ı kmas ı sonucu olu ş ur (Bölüm 1.5 ve 2.2). Ancak de ğeri genellikle çok dü ş üktür. Sonuç olarak I F ak ı m ı n ı n tamamen foton etkisi ile olu ş duğ u kabul edilebilir.
4.5 GÜNEŞ P İ Lİ Solar Cell, Photovoltaic Cell Foto-diyod akım üretir. E ğer Şekil 4.4 deki diyod bir d ış voltaj kayna ğı ile kutuplanmazsa, diyoda dü ş en ış ima diyodda voltaj üretir. Bu yap ı güneş pilidir. foto-diyod : akım üretir güne ş pili : gerilim üretir. 29
PN diyodun anodu (P), bir yük direnci ile katoda (N) ba ğ lan ı rsa d ış devreden i ş ima ş iddeti ile do ğ ru orant ı l ı bir ak ı m akar.
YAPISI Construction Güne ş pilinin yap ı s ı Şekil 4.7 de gösterilmi ş tir. Güne ş pilinin amac ı elektrik gücü üretmek oldu ğundan, güç kayb ı n ı n en az olmas ı ve ayni zamanda olabildi ğ ince çok i ş ima enerjisi almas ı istenir. Bu nedenlerle: 1.
Kristalin direnci dü ş ük olmal ı d ı r. Böylece, kristal içindeki elektrik enerjisi kayb ı da dü ş ük olur. Enerji daha çok di ş devreye verilir.
2.
I ş ığa duyarl ı yüzey alan ı geni ş olmal ıd ı r. Böylece, daha çok i ş ima enerjisi toplanm ış olur.
3.
Fakirle ş me yani eklem bölgesi dar olmal ı d ı r. Böylece, fotonlar ı n olu ş turdu ğ u elektron ve hole'lerin tekrar birle ş mesi (recombination) azal ı r ve pilin veriminin de azalmas ı önlenmi ş olur,
4.
I ş ı man ı n dü ş dü ğü en üst tabaka minimum kal ı nl ı kta olmal ı d ı r. Böylece, güne ş den gelen ultraviyole ış ima da az bir absorblanma ile eklem bölgesine ula ş abilir ve elektron-hole çiftleri olu ş turur. GÜNE Ş I Ş INI
Cam
il
metelik halka p tipi kristal eklem n tipi kristal
Şekil 4.7 Güne ş pili
ÇALI Ş MASI Operation Güne ş pilinin çal ış mas ı Şekil 3.2 yard ı m ı ile aç ı klanabilir. Eklem bölgesine dü ş en fotonlar, buradaki atomlardan elektron sökerler ve 30
böylece elektron-hole çiftleri olu ş ur. Eklem potansiyeli nedeni ile elektronlar N taraf ı na, hole'ler P taraf ı na çekilir. Ba ş ka bir anlat ı mla, eklemin sa ğı nda ve N taraf ı na yak ı n pozitif bölge fotonun olu ş turdu ğ u
hole'leri sola yani P ye, P taraf ı na yak ı n negatif bölge ise elektronlar ı sa ğ a yani N ye iter. Sonuçta PN diyodun iki ucunda potansiyel fark ı olu ş ur ( Şekil 4.7 ye göre: e - lar a ş a ğı hole'ler yukar ı itilir).
Şekil 4.8 Güne ş pili yükselticisi [14j
Güne ş pili ortalama 0.5 V gerilim ve 8-10 mA aras ı ak ı m üretir. Güne ş pilinin bir yükseltici ile birlikte kullan ı ld ığı örnek devre Şekil 4.8 de verilmi ş tir.
31
BÖLÜM 5
TRANS İSTÖR
PN diyod kendi içinde ak ı m yükseltmesi yapmaz. Örnek olarak, foto-diyod içinden ve d ış devreden akan ak ı m sadece diyod üzerine düş en ışı ma miktar ı artt ı kça artar. Şekil 4.4 deki gibi bir devreden akan I F ak ı m ı sonucu R direncine dü ş en voltaj ancak bir d ış yükseltici (amplifier) ile yükseltilebilir. Yükseltme (amplification) için, iki yar ı -iletken diyodun NPN veya PNPyap ı s ı içinde yanyana getirilmesi gerekir. Bu yap ı TRANS İ STÖR olarak adland ı rı l ı r ve bu adland ı rma transistörün çal ış mas ı na ba ğ l ı olarak transfer resistor kelimelerinden türetilmi ş tir. -
Transistör kendi içinde yükseltme yapar. Bu nedenle AKTIF bir devre eleman ı d ı r. Çal ış mas ı "triyod lamba!' yükseltici"nin çal ış ma prensibine benzer. Bu tür yükseltici günümüz teknolojisinde art ı k kullan ı lmamaktad ı r, ancak transistörün çal ış mas ı n ı aç ı klamak amac ı ile bu bölümde incelenmi ş tir.
5.1 TR İYOD LAMBALI YÜKSELT İ C İ Yap ı s ı Şekil 5.1 de gösterilmi ş olan triyod lamba, Amerikan literatüründe "triode tube", Ingiliz literatüründe "triode valve°' olarak adland ı rı l ı r. Valve kelimesi borularda su ak ışı n ı ayarlayan, aç ı p kapayan VANA anlam ı na gelir. Bu nedenle yana su ak ışı na karşı de ğ iş ebilen bir direnç (resistor) i ş levi görür. Triyod lamba ile ak ı m yükseltme Şekil 5.2 de aç ı klanm ış t ı r. Dü ş ük voltajl ı (low-voltage) bir batarya ile ince bir tel olan filaman (heater) ı s ıtil ı r. Filaman da çok yak ı ndaki katodu ı s ı t ı r. !sinan katoddan, termal enerji kazanan elektronlar yay ı nlan ı r.
32
Kafes (grid) pozitif ise: Katodun yayd ığı elektronlar hızlanarak kafese çekilir, kafes içinden geçerek daha yüksek pozitif de ğ erdeki anoda ula şı rlar ve triyoddan geçen ak ı m artar. Kafes negatif ise: Katoddan ç ı kan elektronlar, kafes taraf ı ndan katoda doğ ru geri itilirler. Triyoddan akan ak ı m azal ı r veya kafes voltaj ı gerekti ğ i kadar yüksek de ğerde negatif ise,tamamen durur. Böylece, kafes, pozitif veya negatif olu ş una göre, katoddan anoda olan ak ı m transferini bir yana veya de ğ i ş ken direnç (resistor) gibi davranarak ço ğ alt ı r veya azalt ı r.
KATOD(SICAK)
TUNGSTEN FİLAMAN ELEKTRONLAR
Şekil 5.1 Triyod lamba [ 2]
Şekil 5.2 Triyod lamba ile ak ı m yükseltme [1] 33
5.2 TRİYOD LAMBA ILE TRANS İ STÖRÜN KARŞ ILA Ş TIRILMASI Şekil 5.3 de triyod lamba ile transistörün kar şı la ş t ı r ı lmas ı yap ı lm ış t ı r.
lEixuLLamilEhlırınşi anod kafes (grid) katod
C: collector (toplay ı c ı ) B: base (taban) E: emitter (yay ı c ı )
ANOD
KAFES
KATOD TRİYOD LAMBA SEMBOLÜ
Şekil 5.3 Triyod Lamba (solda) ile NPN Transistörün (sa ğda) karşı laş t ı nlmas ı
Emitter negatif kutuba ba ğ l ı d ı r. Ernitter'in yayd ığı elektronlar pozitif yüklü base'e hızıandırılarak çekilir ve base'e göre daha pozitif olan collector'a ula şı rlar. Base, triyod lambadaki kafesin yana iş levini görür. Hole (h+) ak ışı yönü elektron (e") ak ışı yönünün tersidir. NPN ve PNP transistör sembolleri Şekil 5.4 de gösterilmi ş tir. Base ile emitter aras ı ndaki ok'un yönü, her zaman hole ak ışı yönünü gösterir. Transistör ile ak ı m yükseltme Şekil 5.5 de aç ı klanm ış tı r ( Şekil 5.2 ile karşı la ş tı r ı n ı z). Transistörün, daha do ğ rusu base'in de ğ i ş ken direnç olarak i ş levi, sembolik olarak Şekil 5.6 da gösterilmi ş tir.
34
c
E
Şekil 5.4 NPN ve PNP transistör sembolleri
ÇIKIŞ
-1-v
Şekil 5.5 Transistör ile ak ı m yükseltme [ 1 ]
B o- - -
Şekil 5.6 Base: de ğ i ş ken direnç 35
5.3 TRANSISTÖR F İZi Ğİ Transistörün çal ış abilmesi için, P N eklemlerinden biri ileri (forward), di ğ eri ters (reverse) kutuplanmal ı d ı r ; Şekil 5.7. İ ki tür kutuplama (polarlama) nedeni ile transistöre "bipolar junction transistor" de denir; k ı saca BJT.
ters k.
ileri k.
VBB
cc
Şekil 5.7 Transistörde elektron ve hole ak ı mlar ı
Vcc ve VBB nin negatif kutuplar ı yard ı m ı ile emitter, kendi içindeki elektronlar ı , yani ço ğ unluk ta ş ly ı c ı lar ı n ı base'e yayar, enjekte eder. BaseV BB nin pozitif kutbuna ba ğ l ı d ı r ve böylece emitterden gelen elektronlar ı n collector'a geçi ş ini hızlandırarak sa ğ lar. Collector bu elektronlar ı n yakla şı k %98 kadar ı n ı toplar ve Vcc yardmi ile d ış devreden geçirmek sureti ile bir "i ş " yapt ı rm ış olur.
Base, ayr ı ca, emitter'dan gelen elektronlar ı n P bölgesinde y ığı lmas ı n ı önlemek için, bu elektronlann bir k ı sm ı n ı , % 2, kendi üzerine çeker.
36
Soru: Elektronlar base'den geçerken, neden buradaki hole'ler ile birle ş mezler? Cevap: a. Base'deki safs ı zl ı k, yani hole yo ğ unlu ğ u dü ş üktür. b. Base'in kal ı nl ığı azd ı r, dar bir tabakad ı r. c. Çok az say ı da hole, elektronlarla birle ş se dahi, yerlerine VBB bataryas ı ndan pozitif yük base'e verilir. Böylece, base'in pozitifli ğ i devam ettirilmi ş olur. Sonuç olarak, emitter üzerinden l E=I c+I B kadar ak ı m geçer. Emitter'deki ço ğ unluk elektronlar ı n ı n yan ı s ı ra, basa bölgesindeki az ı nl ı k elektronlar ı da collector'a çekilir ve çok dü ş ük bir s ı z ı nt ı (leakage) ak ı m ı olu ş turur : I co (ters ak ı m). Buradaki o harfi, base'in opera (aç ı k) oldu ğ u zamanki I c ak ı m ı oldu ğ unu belirtir. Dolay ı s ı ile collector ak ı m ı :
I c=l c (çoğunluk) -1- Ic o (az ı nl ı k)
I co ak ı m ı mikro-Amper mertebesindedir ve dolay ı s ı ile ihmal edilebilir.
5.4 BJT iLE AKIM YÜKSELTME KAZANCI BJT ç ı k ışı olan I c ak ı m ı , base voltaj ı na ba ğ l ı olmak üzere I B ı m ı ile kontrol edilir. Collector ak ı m ı n ı n base ak ı m ı na oran ı , basek BJT'nin ak ı m kazanc ı d ı r.
Kazanç (gain) 13 =
1 E3
İ yi bir transistör için I c ak ı m de ğ eri, I B ile karşı la ş t ı rı ld ığı nda, çok daha yüksek de ğ erde olmal ı d ı r. Kazanc ı
p. ı oo olan bir transistör için örnek hesaplama:
37
Transistörde voltaj dü ş mesinin hemen tamam ı ters-kutuplu B-C eklemindedir. E-B eklemi ileri - kutuplamal ı d ı r ve bu eklemdeki voltaj dü ş mesi so C1 yakla şı k s ıfı rd ı r. Buna göre base ak ı m ı yakla şı k 5 V 1B=5V/50 kQ=0.1 mA. Buradan I c= f3I B=10 mA (Şekilde I B , I c : elektron ak ış yönü)
500 Q
10 V -
Ic
5.5 FOTO-TRANSİ STÖR
Foto-diyodun kendi içinde ak ı m yükseltmesi yapmad ığı ve akı rnin ancak bir ek, d ış yükseltici ile art ı r ı labilece ğ i bu bölümün giri ş k ı sm ı nda belirtilmi ş di. Foto-transistör, F-TR, hem üzerine dü ş en ışı ma sonucu ak ı m üretir ve hem de bu ak ı m ı kendi içinde yükseltir (internal amplification). Dolay ı s ı ile
F-TR=foto- diyod+yükseltici
ş eklinde bir tan ı miama yap ı labilir. F- TR ün çal ış mas ı BPW 14 transistörü örnek devresi ile aç ı klanm ış t ı r; Şekil 5.8.
+5V c
NPN
V. 100 Q
Şekil 5.8 BPW 14 Foto-transistör 38
FAKIRLEŞ ME BÖLGESI
Şekil 5.9 Darlington Foto-transistör [14]
Base ba ğ lant ı l ı de ğ ildir. Fotonlar base'e dü ş er ve özellikle basecollector, B-C, ekleminde elektron-hole çiftleri olu ş tururlar. B-C eklemi ters kutuplamal ı d ı r ve foto-diyod ( Şekil 4.4) gibi davran ı t. Fotonun olu ş turdu ğu elektronlar collector'a çekilir, hole'ler ise base'den emitter'a akar, ki bu I B ak ı m ı n ı olu ş turur (bak ı n ı z: Şekil 5.7: I B elektron ak ı m ı na e ş it ve z ıt yönlü, Vgg nin sa ğ lad ığı hale ak ı m ı ). Sonuç: 1. F-TR'e dü ş en ışı k miktar ı artt ı kça, olu ş an elektron-hole çifti say ı s ı artar. 2. Artan elektron-hole çifti say ı s ı , artan I B ak ı m ı demektir. 3. Artan I B base ak ı m ı da F-TR ç ı k ış ak ı m ı I c de yükselmeye yol açar. Bir transistörün ç ı k ışı ikinci bir transistörün base'ine verilerek, ak ı m daha da yükseltilebilir. Benzer ş ekilde, iki F-TR tek birim içinde birle ş ir ve Darlington F-TR'ü ad ı n ı al ı r; Şekil 5.9. İ kinci F-TR, birincinin ç ı kışı n ı yükseltirken kendisi de ak ı m üretir. Toplam ak ı m kazanc ı , iki transistörün ak ı m kazançlar ı n ı n çarp ı m ı na e ş ittir (Örnek Darlington F-TR:BPX 99).
5.6. LED I Ş IMASININ TRANS İ STÖR iLE MODÜLASYONU NPN transistör ç ı k ışı LED'in katoduna uygulan ı r: Şekil 5.10. R ak ı m-s ı n ı rlay ı c ı dirençtir. Base devresine modüle edici, örne ğ in sinüsoidal bir elektriksel giri ş sinyali uyguland ığı nda LED'in ış Ima ç ı k ışı da giri ş e ba ğl ı olarak, bir ortalama de ğerin üst ve alt ı nda, yine sinüsoidal bir de ğiş me gösterir. 39
ELEKTRiKSEL GiRİS
Şekil 5.10 Transistör ile LED ç ı k ışı modülasyonu [8]
40
BÖLÜM 6
ALAN-ETK İ Lİ TRANS İSTÖR
Bölüm 5 de, transistör (BJT) ç ı kış akı m ı n ı n, giri ş AKIMI ile kontrol edildi ği görülmü ştü. Alan-etkili transistörde, field-effect transistor (FET) ise ç ı k ış akı m ı giri ş VOLTAJı ile kontrol edilir: BJT : akım kontrollü FET : voltaj kontrollü FET'de, giri şten (input) çekilen ak ı m son derece küçüktür, yakla şı k 1 piko-Amper kadard ı r. Örnek: Piezoelektrik transducer ç ı kışı n ı n FET'e giri ş olarak verilmesi. FET TÜRLERI I. Yüzey temas!! FET (junction FET: JFET) (junction-gate FET: JGFET) 2. MOSFET: metal-oxide semiconductor FET (MOS transistor) (insulated-gate FET: IGFET) Her iki tür FET de, kendi içinde n-kanall ı (n-channel) ve p-kanall ı olmak üzere iki ayr ı yap ıdad ı rlar.
6.1 JFET JFET yap ı s ı ve sembolleri Şekil 6.1 de gösterilmi ştir. BJT ile karşı laştı rmal ı olarak: 41
BJT Emitter : E Base :B Collector : C Ayr ı ca: n-kanall ı JFET p-kanall ı JFET
FET Source (kaynak) : S Gatc (kap ı ) :G Drain (oluk) :D
-* -->
NPN BJT PNP BJT ye kar şı l ı k gelir.
b
c
Şekil 6.1 JFET: Yap ı s ı ve sembolleri [9] (a) yap ıs ı , (b) n-kanall ı , (c) p-kanall ı JFET ve MOSFET, sembollerinde ok yönü elektron hareket yönünü gösterir (BJT sembollerinde ise ok yönü hole hareket yönünü göstermekteydi).
JFET F İZİ G İ : JFET in çal ışmas ı , n-kanall ı tür örne ğ i için, Şekil 6.2 de aç ı klanm ıştı r. N-tipi kristal üzerinde, dar bir bölgede PN eklemi ve ikisi aras ı nda yaklaşı k yal ı tkan fakirle şme bölgesi (depletion region) vard ı r. Eklem ters kutuplanm ıştı r. Elektron ak ı m ı kaynaktan olu ğ a doğ ru akar ve pbölgesine (kap ı : gate) uygulanan voltaj ile kontrol edilir. Kap ı ya uygulanan voltaja ba ğ l ı olarak fakirle şme bölgesi geni şler/daral ı r. Kap ı n ı n yana etkisi ile elektron ak ı m ı azal ı r/artar. 42
Genellikle n-tipi kristalin her iki taraf ı nda da p-tipi kap ı vard ı r. Kanal, iki fakirle şme bölgesi aras ı nda bulunur. ID(e)
FAKİRLEŞME BÖLGESI
11 VDS
./
VGS S
Şekil 6.2 JFET'in çal ışmas ı [9]
AKIM-VOLTAJ KARAKTER İSTİ KLERİ
G ve S aras ı ndaki gerilim VGS=O ise 1 D akı m ı , Vcıs geriliminin artışı ile IDSS ile gösterilen en yüksek de ğerine ula şı r: Şekil 6.3. Ak ı m, Vp değerinden sonra hemen hemen sabitle şir (saturation).
IDDS
Şekil 6.3 JFET ak ı m-voltaj karakteristikleri 43
N kanall ı JFET için çizilen bu grafikte ayr ı ca görüldü ğ ü gibi VGS negatif voltaj ı artarken I n ak ı m ı azal ı r ve Vp voltaj ı daha düş ük değ erlerde ortaya ç ı kmaya başlar. Pratikte, Vps voltaj ı Vp değ erini aşmaz. Çünkü, bu değ erin aşı lmas ı JFET yap ı s ı nda geriye dönü ş ü olmayan k ı rı lmaya (breakdown) neden olur.
6.2 MOSFET
MOSFET'ler yap ı sal farkl ı l ı k açı s ı ndan iki türdür: E-MOSFET : Endükleme (enhancement) MOSFET D-MOSFET : Depletion (fakirle ş me bölgeli) MOSFET Sembolleri Şekil 6.4 de gösterilmi ştir. G
a B
B
ENHANCEMENT
G
b B
B
DEPLETION
Şekil 6.4 MOSFET sembolleri [9] (a) n-kanall ı (b) p-kanall ı E-MOSFET'in yap ı s ı ve çal ış mas ı , n-kanall ı tür örne ğ i için, Şekil 6.5 de açı klanm ıştı r. Metal plaka (metal plate) kap ı ile yar ı-iletken NPN aras ı nda çok ince yal ıtkan bir oksit, Si02, tabakas ı vard ı r. NPN nin iki ucundan birine, örne ğ in soldakine (kaynak: source) +10 volt uygulanm ış , di ğ eri (oluk) ise topraklanm ışt ı r.
Kap ı voltaj ı n ı n s ıfı r olmas ı durumu: NPN den ak ı m geçmez. Çünkü ak ı m soldaki ters kutuplanm ış PN eklemi tarafı ndan durdurulur. 44
Kap ı voltaj ı n ı n pozitif olmas ı durumu: Pozitif yüklü kap ı n ı n elektrik alan ı (electric field) P taban ı ndaki (base: B, substrate) hole'leri iter, elektronları çeker. Böylece, P nin kap ıya yak ı n üst k ısm ı nda geçici bir iletken N bölgesi, yani kanal, olu ş ur (endüklenir). Ancak S ve D aras ı nda ak ı m akması için VG kap ı voltaj ı n ı n pozitif olmas ı n ı n yan ı s ı ra, belli bir e şik (threshold) de ğ erinin üstünde olmas ı da gerekir. Sonuç: Kap ı ya uygulanan voltaj miktar ı na bağ l ı olarak, kanal geni şliğ i, yani akı m miktarı değişk: yana etkisi.
VG
+10 v
SiO2
ENHANCEMENT MOSFET
+10 v01 T
Şekil 6.5 MOSFET üstte: kap ı voltaj ı s ıfı r altta: pozitif kap ı voltaj ı [2] 45
D-MOSFET'in yap ı s ı ve çal ışmas ı , n-kanall ı tür örne ğ i için Şekil 6.6 da açı klanm ışt ı r. Metal kap ı n ı n altı nda bulunan SiO2 tabakas ı içine, yap ı sal olarak, bir miktar pozitif iyon kat ı lm ıştı r.
Şekil 6.6 N kanal!' D-MOSFET yap ı s ı Bu pozitif iyonlar, P tipi yar ı -iletkendeki (base: taban) elektronlar ı n bir k ısm ı n ı kendine çekerken ve böylece n kanal olu ştururken, yak ı n ı ndaki hole'leri a şa ğı ya doğ ru iter. Böylece SiO 2 tabakas ı n ı n alt ı nda iletken n kanal ve onun da alt ı nda hem elektron hem de hole yönünden fakirleşmiş bir bölge ortaya ç ı kar. Bu tür MOSFET'e "depletion" türü denmesinin nedeni budur. Elektronlar ı n kap ı ya (G) do ğ ru hareketi, Şekil 6.4 de verilen semboldeki ok yönünden de anla şı labilmektedir. Yap ı sal olarak bir iletken n kanal ı n varl ığı , kap ı voltaj ı VG=0 oldu ğ u zaman da S ve D aras ı nda ak ı m akabilmesi demektir. Kap ı voltaj ı negatif ise kanal daral ı r ve ak ı m azal ı r, pozitif ise kanal geni ş ler ve ak ı m artar.
6.3 CMOS
Complementary Metal Oxide Semiconductor
CMOS, tümleyici metal oksit yar ı -iletken anlam ı na gelmektedir. Yap ı sal olarak bir n-kanall ı E-MOSFET ile bir p-kanall ı E-MOSFET'in birlikte kullan ı lmas ı ndan olu ş ur. Uygulama örneklerinden biri inversion (tersine çevirme) i şlemidir. Şekil 6.7. Inversion'da giri ş voltaj ı Vi =1 de ğerindeyken (yüksek: high) çı kış voltaj ı Vo =O değ erinde (alçak: Iow), Vi =0 de ğ erindeyken ise ç ı k ış voltaj ı 1 değerindedir.
1 o Şekil 6.7 Inversion: giriş voltaj ı n ı n tersine çevrilmesi Inversion i şleminin olu ş umu Şekil 6.8 de aç ı klanm ışt ı r. Giri ş voltaj ı 0 (low) oldu ğ unda sol tarafta bulunan n kanall ı E-MOSFET çal ışmaz. Sağ taraftaki p-kanall ı E-MOSFET'in kap ı voltaj ı , +Vss ye göre negatif oldu ğ undan bu MOFSET çal ışı r ve çı k ışta pozitif gerilim (high) gözlenir. Giri ş voltaj ı pozitif (high) oldu ğunda ise p-kanall ı E-MOSFET çal ışmaz. N-kanall ı E-MOSFET'in pozitif kap ı voltaj ı , topraktan elektron çeker ve çı k ışta "low" gerilim gözlenir.
v, G
e-
h+
1< N
P
N
P
N-KANAL
Va
N
P-KANAL
P
O +V ss
Şekil 6.8 Inversion i ş leminin olu ş umu Sonuç olarak CMOS, bu i şlevi ile inverter, 1 ve 0 şeklinde de ğ işen (binary) giri ş voltaj sinyalini tersine çevirmi ş olur. 47
BÖLÜM 7
YARI - İ LETKEN ANAHTARLAMA ELEMANLARI TRİSTÖR - TR İYAK - D İAK
7.1 TRiSTÖR Tristör (thyristör), alternatif olarak "silicon cotrolled rectif ıer": SCR olarak da isimlendirilir (silisyum kontrollü ak ı m do ğ rultucu). 0.7 Volt gibi dü şük bir gerilim ve 10 mA gibi küçük ak ı m ile 300 Volt, 15 A gibi yüksek gerilim ve ak ı m kontrol edilebilir. Elektrik motorları ve jeneratörlerin aç/kapa anahtarlamas ı (switching), ayd ı nlatma miktar ı n ı değ iştiren "dimmer" uygulama örnekleridir. YAPISI VE ÇALI Ş MASI: Şekil 7.1 SEMBOL
G
G
A K
G
Şekil 7.1 Tristör [2] 48
Yüksek s ıcakl ı k ve voltaja dayan ı kl ı oldu ğ undan genellikle silisyum kristalidir. İki terminali, yani anod ile katod aras ı ndaki akı m, üçüncü terminal olan kap ı ya (gate) belli bir dü şük sinyal uyguland ığı nda akar, bu değerin alt ı nda akmaz. Dolay ı s ı ile anahtarlama bir d ış sinyal ile gerçekleştirilir. PNP ve NPN olmak üzere iki transistörden olu şmu ş gibi kabul edilebilir. Anoda pozitif voltaj uyguland ığı nda, akı m ileri kutuplanm ış birinci PN ekleminden geçer. Kap ıya uygulanan voltaj pozitif de ğ il veya pozitif, ancak belli bir eşik değ erinin (silisyum için 0.7 Volt) alt ı nda ise, akı m ikinci NP eklemine, dolayı s ı ile de katoda, geçmez. Kap ıya eşik değeri üzerinde pozitif voltaj uyguland ığı nda: NPN nin base'ine hole ak ı m ı verilmi ş olur ve NPN den yükseltilmi ş akı m geçer. Ayr ı ca, NPN nin collector elektron ak ı m ı , PNP nin base'ine uygulanm ış olur ve PNP den geçen ak ı m da artar. Sonuçta, anod ile katod aras ı nda yüksek değerde ak ı m olu şur. Görülmektedir ki, kap ı ya uygulanan küçük bir tetikleme, yani ba şlang ı ç ak ı m ı , yüksek de ğerde akı m ile sonuçlan ı r. Tristör (SCR) do ğ rultucu, rectifıer, olarak da kullan ı labilir. Çünkü, alternatif ak ı m ı n üst pozitif alternans ı nda tristörden ak ı m geçer, ait yani negatif alternans ı nda ise ak ı m geçmez. Ancak buradaki do ğ rultma, ak ı m ı n yarı -dalga doğ rultmas ı d ı r. LASCR
Light
—
Activated SCR
LASCR, ışı kla aktif duruma geçen bir yar ı-iletken bile şendir. Bu nedenle foto tristör olarak da adland ı rı l ı r. Şekil 7.2 de LASCR nin görünü şü ve sembolü gösterilmi ştir. -
A
A
G
A
Şekil 7.2 LASCR: Görünü ş ü ve sembolleri
49
I şı k fotonlar ı n ı n kap ı bölgesinde olu şturdu ğ u yeterli say ı daki elektronhole çiftleri, SCR yi aktif (iletken) duruma getirebilir. Böylece, ışı k ile, yüksek değerlerdeki ak ı m devreleri kontrol edilebilir. Genellikle kap ı , aç ı k yani ba ğ iant ı s ı zd ı r. Eğer kap ı ya gerilim uygulan ı r ve bu gerilim LASCR yi tetiklemek için gerekli e şik voltaj ı na çok yak ı n ise, çok dü ş ük düzeyde ışı k ile de LASCR aktif duruma getirilebilir. LASCR İ LE VENEYA KAPILARI
AND Gate, OR Gate
LASCR uygulamalar ı na örnekler, Şekil 7.3 de açı klanm ış bulunan VE (AND), VEYA (OR) kap ı devreleridir. Her iki LASCR ye de yeterli ışı k dü ştüğ ünde VE kap ı , LASCR terden herhangi birine ışı k yeterli ışı k dü ştü ğ ünde VEYA kap ı devresi çal ışarak yük üzerinden ak ı m geçmesi sağ lanir.
GÜÇ
(i) Şekil 7.3 LASCR ile VE, VEYA kap ı ları olabilir. LASCR ler yakla şı k 3
Burada yük, elektrik motoru, role, Amper ak ı ma kadar dayan ı kl ı d ı r. 7.2 TR İ AK
Bidirectional Thyristor
Triak, üç uçlu alternatif ak ı m anahtar ı d ı r (triode a.c. switch). Tristörün a.c. nin üst alternansinda çal ışt ığı belirtilmi şti.
M2
Şekil 7.4 Triak: Görünü şü ve sembolü sb
Tam-dalga da (full-wave) çal ış ma için paralel ve ters ba ğ l ı iki tristör kullan ı l ı r ve bu yap ı triak olarak adland ı nl ı r, Şekil 7.5 in sol tarafı nda gösterilmi ştir. Görüldü ğ ü gibi tek kap ı bağ lantı s ı vard ı r. Ancak bu ikili sistemin çal ışmas ı için Mi ucu pozitif oldu ğ unda G de senkronize (ayn ı anda) olmak üzere pozitif, Mi ucu negatif oldu ğ unda G de yine ayn ı anda negatif olmal ı d ı r. Çok daha kullan ışl ı yap ı Şekil 7.5 in sağ tarafı nda görülmektedir. Burada kap ı n ı n pozitif veya negatif olmas ı triak' ı n çal ışmas ı n ı etkilemez. Anod ve katod terimleri de geçersizdir. Çünkü, triak için iki-yönlü (bi-directional) tristör tan ı mlamas ı yap ı labilir.
AC
i N
N
P
P
N
-ı
P
P
M1
G
Şekil 7.5 Triak : Tam-dalga ile çal ış ma
7.3 DİAK Diode A.C. Switch Genellikle tristör ve triak' ı n tetiklenmesinde kullan ı l ı r ve bu elemanlara seri ba ğ l ı d ı r. M2
M2
o M2
M1
Şekil 7.6 Diak: Yap ı s ı ve sembolleri 51
M1
Yap ı s ı NPN transistöre benzer. Ancak P ye ba ğ lantı yoktur. Uçları na pozitif veya negatif voltaj uyguland ığı nda, eklemlerden biri ileri di ğ eri ters kutuplan ı r ve sadece ters (s ı z ı ntı ) ak ı m akar. Voltaj, k ı rı lma voltaj ı değ erine ç ı ktığı nda, yakla şı k 30V, diak'tan yüksek miktarda ak ı m geçer, yani diak dü şük direnç gösterir ve böylece diak üzerindeki voltaj dü şmesi (voltage drop) azal ı r. Buna karşı l ı k, seri bağ l ı bulunduğ u tristör veya triak üzerindeki voltaj ani olarak artar. Sonuç plarak, tristör veya triak gate'i tetiklenmi ş olur. DIAK İ LE DARBE (PULSE) OLU ŞTURMA Diak uygulamalar ı ndan biri Şekil 7.7 de gösterilmi ş bulunan devre ile darbe olu şturmakt ı r. C kondansatörü üzerindeki gerilim, diak' ı n tetikleme (k ı rı lma) voltaj ı na ulaştığı nda diak iletkenleşir ve RL üzerinden ak ı m geçmeye ba şlar.
Şekil 7.7. Diak ile darbe (pulse) olu şturma
Ancak bu s ı rada C deki yük bo şalmaktad ı r ve gerilim, diak' ı n k ı rı lma voltaj ı n ı n altı na dü ştüğ ünde diak yal ı tkanla şı r, RL den geçen ak ı m durur. C kondansatörü tekrar dolmaya ba şlar. Bu i şlem birbiri ard ı na tekrarlan ı r ve sonuç olarak RL den darbeler şeklinde ak ı m geçer. Darbenin süresi P potansiyometresi ile azalt ı l ı p, art ı rı labilir. D İAK VE TR İAK'IN B İ RLİ KTE KULLANIMI: Uygulama Örnekleri Diak' ı n genellikle triak' ı n tetiklenmesinde kullan ı ld ığı daha önce belirtilmi şti. Bu konu ile ilgili örnek devre Şekil 7.8 de gösterilmi ştir. 52
Şekil 7.a Diak ve Triak: Örnek devre.
Devrenin çal ışmas ı şöyledir: a.
220 V kaynağı n pozitif alternans ı nda, C kondansatörü de, R ve P üzerinden pozitif yükle dolmaya ba şlar.
b.
C üzerindeki artan gerilim, diak' ı n kı rı lma voltaj de ğ erine eşit oldu ğ unda, pozitif yük (hole'ler) diak üzerinden triak' ı n kap ı s ı na ulaşı r ve triak iletkenle şir.
c.
Ak ı m, yük ve triak üzerinden akmaya ba şlar.
d.
Pozitif alternans s ı fı ra dü şer, triak yal ı tkanla şı r.
e.
Negatif alternansda, C kondansatörü de negatif yükle dolmaya başlar.
f.
C gerilimi, diak k ı rı lma voltaj ı na eşit oldu ğ unda C deki negatif yük (elektronlar) diak üzerinden triak' ı n kap ı s ı na ula şı r ve triak tetiklenir.
g.
Alçı m, tekrar yük ve triak üzerinden akmaya ba şlar. Bu işlemler, böylece birbiri ard ı na tekrarlan ı r.
53
P potansiyometresinin de ğ erini değ iştirerek C nin dolma süresi de değ i ştirilebilir. Örne ğ in, P nin değ eri artarsa, C daha yava ş dolar ve devredeki ak ı m ı n ortalama de ğ eri dü şer. Yük, e ğer bir lamba ise devre, temel bir dimmer devresi olarak dü ş ünülebilir. Ak ı m ı n değeri ışı k kontrollü olarak da de ğ iştirilebilir. P nin bir LASCR ile yer değ iştirdi ğ i dü ş ünülsün. Gece gibi karanl ı k şartları nda LASCR iletken de ğ ildir, yani sonsuz direnç gösterir. LASCR ye ışı k dü şmeye baş lad ığı nda (sabah, öğ le) ve belli bir e ş ik değerini aşt ığı nda LASCR iletkenleş ir, direnci dü şer, C kondansatörü yüklenir ve devreden ak ı m geçer. Yük, e ğ er bir elektrik motoru ise, Şekil 7.8 deki devre, karanl ı kta duran, ayd ı nl ı kta çal ışan ışı k kontrollü motor devresidir. Diak ve triak genellikle birlikte kullan ı ld ığı ndan, kullan ı m kolayl ığı açı s ı ndan tek bir bileşen olarak da üretilmektedir ve bu bile şen Şekil 7.9 da gösterildi ğ i gibi quadrac olarak adland ı r ı l ı r. Quadrac' ı n kap ı s ı , diak giriş idir.
Şekil 7.9 Quadrac
54
BÖLÜM 8
BAZI ÖZEL YAR!- İ LETKENLER UJT, PUT, LDR, TERM İ STÖR Bu bölümün konusu olan dört elektronik bile şen yapısal özellikler gösterdiğ inden ayr ı bir bölümde incelenmi ştir. UJT ve PUT, bir tür transistör olarak adland ı rı lmaları na karşı n UJT tek eklemli, yani diyod yap ıs ı nda, PUT ise dört tabakal ı yani SCR ye benzer yap ı dad ı r. LDR (foto-rezistör) ve termistör'de ise eklem yoktur, yani tek bir yar ı-iletken kristaldirler. LDR ışı k, termistör ı s ı alg ı lamada kuflan ı l ı rlar. 8.1. UJT
Unijunction Transistör
Ossilasyon, tetikleme, zamanlama devreleri, testere di şi (sawtooth) jeneratörleri, UJT {tek eklemli transistör) için uygulama ömekleridir. UJT'nin yap ı s ı , sembolü ve görünü şü Şekil 8.1 de sunulmuştur.
B2
B2 B1 B1
Şekil 8.1 UJT: Yap ı s ı , sembolü, görünü ş ü 55
Transistör olarak adland ı rı lmas ı na karşı n UJT, PN ekleminden oluşur, yani diyod yap ıs ı ndad ı r. Üç ba ğ lantı ucu vard ı r. İ ki ucu base (B), P bölgesine ba ğ l ı ucu emitter (E) dir. Bu nedenle önceleri, çift bul! (double base) diyod olarak adland ı rı lmaktayd ı . Şekil 8.1 deki yap ı , ntipi UJT içindir ve pratikte bu tip UJT genellikle daha çok kullan ı l ı r. N bölgesindeki safs ı zl ı k (dopant) miktar ı çok azd ı r, dolay ı s ı ile bu bölgenin direnci yüksektir. Ayr ı ca emitter, B2 ye daha yak ı nd ı r. Yap ı s ı , Şekil 6.1 deki JFET yap ı s ı na benzer. Aradaki fark, UJT'de P ve N aras ı nda fakirleşme bölgesinin bulunmay ışı d ı r (Soru: UJT'de fakirleşme bölgesinin bulunmay ışı hangi sonuca yol açar?). Şekil 8.1 deki sembol yine n-tipi UJT içindir. Ok yönü, hole ak ış yönünü gösterir. Bu sembol, n-kanall ı JFET sembolüne çok benzer, ancak UJT de E'den başlayan çizgi düz de ğ il aç ı l ı d ı r. P-tipi UJT sembolünde ok yönü tersinedir.
EŞ DEĞ ER DEVRE VE AKIM-VOLTAJ KARAKTER İSTİ KLERİ UJT eşdeğer devresi Şekil 8.2 nin solunda gösterilmi ştir. B1 ve B2 uçları aras ı na VB gerilimi uygulanm ıştı r. Bu iki uç aras ı ndaki direnç RB ise RB, ve RB2' nin toplam ı na eşittir. E
Vv
11 VB
Vp
Şekil 8.2 UJT e şdeğer devresi ve I-V karakteristikleri VE=O ise, yani UJT nin çal ışmad ığı durumda, RB, üzerine dü şen voltaj
VB,
. VB
(Tl =
56
RBİ RB)
VE O ise a . VE
< «Bi durumunda, E-B1 aras ı ters kutupludur, dolay ı s ı ile 1 E4)
b. VE?..11VB İ durumunda IE ak ı m ı akar Ş ekil 8.2 nin sa ğ taraf ı nda, UJT'nin ak ı m-voltaj karakteristikleri gösterilmi ştir. I E ak ı m ı VE=VP değerine kadar çok k ı sa bir bölgede ve yava şça artar (P: peak).
(VD=0. 7 Vo lt)
VP=11VB1 + VD
Grafikteki AB aral ığı nda IE nin art ışı daha fazlad ı r, yani bu aral ı kta UJT negatif direnç gösterir, çünkü Rgi direnci dü şer (neden?). AB aral ığı , UJT nin çal ış ma bölgesidir. Vv, vadi voltaj ı olarak adland ı rı l ı r. B noktas ı ndan sonra, UJT normal bir diyod karakteristi ğ i gösterir.
UJT OSS İ LASYON DEVRES İ UJT uygulamalar ı ndan birinin de ossilasyon devresi oldu ğ u UJT ossilasyon devresi Şekil 8.3 de verilmi ştir.
Vo
c T
Şekil 8.3 UJT ossilasyon devresi
C kondansatörü, R i direnci üzerinden dolmaya ba şlar. C üzerindeki gerilim Vp ye eş it oldu ğunda IE ak ı m ı akmaya ve Vo gözlenmeye başlar. Bu arada C deki yük azalmaktad ı r ve bir süre sonra UJT yal ıtkanla şı r ve bu işlem birbiri ard ı na tekrarlan ı r. 57
Ossilasyon periyodu
T = R İ C.In[1/(1-r1)]
Ossilasyon frekans ı
f = 1/T
8.2. PUT
Programmable Unijunction Transistor
PUT, programlanabilir UJT, uygulama ve ak ı m-voltaj karakteristikleri bak ı m ı ndan UJT ile ayn ı d ı r. Bu nedenlerle, her ikisi için de, kı saltmada UT harfleri kullan ı l ı r. Yap ı sal olarak ise UJT den tamamen farkl ı d ı r. PUT da UJT gibi üç uçlu bir bile ş endir. Ancak dört tabaka (wafer) yar ı-iletkenden olu şur. Dolayı s ı ile sembolü SCR sembolüne çok benzer, ancak PUT sembolünde kap ı (gate), anoda ba ğ l ıd ı r. A A
K K
Şekil 8.4 PUT Yap ı , sembol ve devresi UJT ile PUT aras ı ndaki temel fark şudur: UJT nin tetikleme, yani çal ışma voltaj ı Vp yap ı sal olarak sabittir, de ğ iştirilemez. PUT da ise tetikleme voltaj ı n ı , Rİ , R2 voltaj bölücüsü ile değ i ştirebilme şans ı vard ı r. Silisyumun kontakt veya eklem potansiyeli 0.7 Volt oldu ğ undan, PUT tetikleme voltaj ı
Vp = VG+0.7 V
VB = 9V
R2 = R, R2 = 2R i R2 = 5R1
ise ise ise 58
Vp= 5.2 V Vp= 3.7 V Vp = 5.2 V
Dolayı s ı ile, PUT daki programlanabilir kelimesi, tetikleme voltaj ı n ı n ayarlanabilme yani kontrol edilebilmesine karşı l ı k gelmektedir.
8.3
FOTO-REZ İSTÖR
LDR Light-Dependent Resistor
Fotoğ raf makinesindaki pozometre, karanlikta yanan ayd ı nl ı kta sönen vitrin ışı kland ı rma devresi gibi uygulamalar ı bulunan fotorezistör, LDR, direnci ışıkla de ğ i şen bir elektronik bile şendir. Genellikle CdS kristalinden yap ı l ı r. FOTONLAR
PENCERE
CdS
V
Şekil 8.5 LDR Ak ı m olu ş umu, yap ı ve temel devresi Şekil 8.5 in sol tarafı nda gösterildi ğ i ve ayr ı ca Şekil 1.12 den de anlaşı lacağı gibi, yeterli enerjiye sahip ışı k (fotonlar), valans band ı ndaki elektronlar ı iletkenlik band ı na yükseltir, böylece LDR nin R direnci dü şerken RL yük direnci üzerindeki potansiyel artar. RL Ç ı k ış voltaj ı Vo=Vs R+RL
LDR görünür ışığa duyarl ı d ı r. Görünür ışığı n dalga boyu 0.4 p, (mikron) ile 0.7g aras ı nda değ i şir. Görünür ışı k miktar ı birimi olarak genellikle lux (L) kullan ı l ı r. I şı k miktarı L ile LDR direnci R aras ı nda aşağı daki bağ ı ntı mevcuttur:
R1=R2(L1/L2)
-a 59
(8.1)
Burada
Ri : L, ışı k miktarı karşı l ığı LDR direnci R R2 : L2 ışı k miktar ı karşı l ığı LDR direnci R
I şı k miktar ı ile R direnci aras ı ndaki bu logaritmik ba ğı ntı , log-log grafik kağı d ı na çizildi ğ inde Şekil 8.6 daki do ğrusal (linear) de ğ işim gözlenir.
R(OHM)
L(LUX)
Şekil 8.6 Artan ışık miktar ı ile LDR direncinin azalmas ı LDR üzerine hiç ışı k dü şmediğ inde yani karanl ı kta ölçülen R değ erine "dark resistance" ad ı verilir. NORP12 tipi LDR için bu de ğ er 1 Mega Ohm olup genellikle tüm LDR'ler için yakla şı k geçerlidir. DirençLux doğ rusunun eğ imi, a=tan O, a şa ğıdaki eşitlikten hesaplan ı r:
a
=
log (R1 / R2) (8.2) log (L İ / L2)
Eğ im değeri, genellikle 0.55 ile 0.90 aras ı nda değ i şir. NORP12 için, aşağı daki değ erler katalogda verilmi ştir.
L (lux) 10 1000
R(Ohm) 9 000 400
Bu veriler ile, E şitlik 8.2 den, NORP12 için eğ im a=0.67 olarak bulunur. 60
Eğ im değ eri, katalog verilerinden herhangi biri ve E şitlik 8.1 in kullan ı lmas ı ile, çe ş itli çevre ışı k düzeyleri için LDR direnç de ğ erleri hesaplanabilir. Örnek olarak, güne ş li yaz günü ve ö ğ le saatlerinde çevre ışığı yakla şı k 105 lux'dür. Bu şartlarda NOORP12 tipi LDR nin yakla şı k 20 Ohm direnç göstermesi beklenir.
LDR İ LE I Ş IK KONTROLLU OSS İ LATÖR LDR ile 555 timer'in birlikte kullan ı m ı ile kurulan "astable multivibrator" devresi Ş ekil 8.7 de sunulmu ştur. RA
+ V (Vc c)
Tnigh Tiow
Şekil 8.7 LDR ve 555 timer ile ossilasyon devresi
Ossilasyon periyodu
T = TH TL 1.44
Ossilasyon Frekans ı
f = 1/T -
(RA + 2R8) C
Üzerine dü ş en ışı k miktarı art ı nca RA, LDR, direnci azal ı r ve ossilasyon frekans ı da artar veya tersine, azalan ışı k miktarı ile frekans azal ı r. Başka bir deyi ş le, ossilasyon frekans ı ışı k miktarı ile kontrol edilebilir. Ç ı k ış voltaj ı , dikdörtgen dalga şeklindedir. Ç ı k ışı n, 1 (high:H) 61
veya 0 (low: L) gibi iki düzeyde (binary) olmas ı , bu devrenin mikro i şlemci ile birlikte kullan ı m olanağı n ı sağ lar.
8.4 TERM İ STÖR Termistör, direnci s ıcakl ı kla değ i ş en bir ı s ı alg ı layı c ı s ı d ı r (resistance temperature detector: RTD). Si, Ge veya seramik malzemeden yap ı lm ış bir yar ı-iletkendir. Eklemi yoktur. Çevre s ı cakl ığın ı n veya üzerinden geçen ak ı m nedeni ile kendi s ı cakl ığı n ı n, artmas ı ile yeterli ı s ı enerjisi kazanan valans elektronlar ı , iletkenlik band ı na -ç ı kar ve termistörün direnci dü şer. S ı cakl ığı n azalmas ı ile ise direnci artar. Bu haliyle termistör, negatif s ı cakl ı k katsay ı s ı gösterir (negative temperature coefficient: NTC). Dolay ı s ı ile Şekil 8.8 in sa ğ tarafı ndaki voltaj bölücü devrenin V o ç ı k ış voltaj ı , artan çevre s ı cakl ığı ile artar.
Şekil 8.8 Termistör: Sembolü ve voltaj bölücü devresi
Metaller, s ıcakl ı k değ işimlerine yar ı-iletkenlerin tersine tepki verirler. Yani, artan çevre s ı cakl ığı metallerin direncini de art ı rı r. Bu nedenle, metaller pozitif s ı cakl ı k katsay ı s ı (PTC) gösterirler, örnek platin (PRTD).
SICAKLIK — DIRENÇ BA Ğ INTISI S ıcakl ı k ve termistör direnci aras ı nda E şitlik 8.3 de verilen ba ğı nt ı vard ı r: 62
P RT
P
= Ro.exP( — --) TT TO
(8.3)
Burada RT TT s ı cakl ı k derecesindeki (Kelvin) direnç To : referans s ı cakl ığı (Kelvin) Ro : referans s ıcakl ığı ndaki direnç : karakteristik s ıcakl ı k (Kelvin), veya materyal sabiti
Ürün kataloglar ı nda genellikle p, To ve Ro değ erleri verilir. f3 de ğ eri 2500-5000 Kelvin aras ı nda de ğ i şir. Referans s ıcakl ığı , genellikle, yakla şı k oda s ı cakl ığı olan 25°C dir. E şitlik 8.3 ile yap ı lan hesaplamalarda, s ı cakl ı k derecesinin santigrad de ğ il Kelvin oldu ğ una dikkat edilmelidir (° K = 273+°C).
UYGULAMA ÖRNE Ğ I Termistörlerin, elektronik termometre, termostat, yang ı n alarm ı , elektronik cihazlardaki devreleri a şı rı ı s ı nmadan koruma gibi çe şitli ölçüm ve kontrol uygulamalar ı vard ı r. RÖLE
Şekil 8.9 Termistör uygulama örne ğ i
63
Şekil 8.9 da uygulama örne ğ i olarak, s ı v ı düzeyi ölçme sistemi gösterilmi ştir. S ı v ı n ı n üstünde bulunduğ u s ı rada s ı cak olan termistörün direnci dü şüktür ve devreden röleyi çekecek yeterlilikte ak ı m geçer. S ı v ı düzeyi, termistöre deyecek kadar yükseldi ğ inde, termistör ı s ı s ı n ı s ı v ıya vererek so ğ ur, direnci artar, devreden geçen ak ı m azal ı r ve röle aç ı l ı r.
64
BÖLÜM 9
KATIHAL GÖRÜNTÜ ALGILAYICILARI
SOLID -STATE IMAGE SENSORS CCD
9.1 CCD
CCD, ,charge-coupied devire, CCD-kameran ı n, optiksel görüntüyü elektronik ç ı kışa çeviren, yani optoelektronik k ı sm ı d ı r; Şekil 9.1. TV KAMERA
Şekil 9.1 CCD-kamera ile görüntüleme [15]
Türkçe'ye "yük-çiftlenmi ş sistem" olarak çevrilebilecek olan CCD bir mozaik -dedektör sistemidir (mosaic veya matrix detector array). Günümçtz teknolojisi ile, toplam 3.07x3.07 cm boyutlar ı nda 2048x2048 dedektörden olu şan CCD yap ı labilmektedir ki mozayi ğ i olu şturan herbir dedektörün boyutlar ı 151.1x15µ kadar küçük olabilmektedir (11.1=0.001 mm).
65
Görüntü, her bir dedektör aras ı nda bölüş ülür. Dolayı s ı ile her bir dedektör bir görüntü elemanid ı r: pixel (picture element, picture cell).
512 x 512
1024 x 1024
400 x 1200
2048 x 2048
Şekil 9.2 GGD
CCD 1.
Toplam boyutlar küçüktür.
2.
Sistemi oluşturan dedektörlerin (pixel) boyutlar ı da küçüktür. Küçük pixel boyutu sonucu, sistemin görüntüde ay ı rt etme yetene ğ i (resolution) yüksektir.
3.
Çal ışmas ı için gerekli güç tüketimi azd ı r (low power consumption).
4.
Bilgisayarla e şleştirilmesi kolayd ı r.
CCD ilç görüntüleme ad ı ndan da -anla şılabileceğ i gibi, görüntülenen cisimden gelen ışığı n dedektörlerde elektrik yükleri (charge) oluşturmas ı ve bu yüklerin sistemden d ışarı transfer edilip (read-out) işlenmesi ve görüntünün olu şturulması esas ına dayan ı r. Mozaik görüntüleme sistemi, foto-diyod dedektörlerden de oluşturulabilir. CCD teknolojisi böyle bir sisteme göre a şağı daki üstünlüklere sahiptir: 1.
Düş ük ışık düzeylerinde de görüntüleme yapabilme yetene ğ i (sensitivity at low light levels)
66
2.
Minimum lag ve bloorning
Lag : Dedektörde olu şan elektriksel sinyalin (yük), read-out sı ras ı nda tamamen d ışarı transfer edilememesi; bir k ı sm ı n ı n sistemde kalmas ı dı r. Blooming :I şı k şiddetinin sistemin baz ı bölgelerinde yüksek olduğu durumda, dedektörden dedektöre elektriksel sinyal s ı z ı ntıs ı (leakage) olmas ıd ı r. 9.2 ELEKTR İ KSEL YÜKÜN DEPOLANMASI - MOS YAPISI
CCD sistemini olu şturan her bir dedektör MOS yap ı s ı ndad ı r; Şekil 9.3. MOS: metal-oxide-semiconductor.
METAL (+) Si02
(14
49 P 14 İRLEŞME FAK
- YÜK
Şekil 9.3 MOS yap ı sı {6],
Fakirle şmi ş bölge düşük potansiyeldedir ve foton absorblanmas ı sonucu olu şan elektronlar ın depoland ığı bir potansiyel kuyusudur (potential well). Oksit tabakas ı , depolanm ış negatif yükün kuyudan d ışar ı s ızmas ı n ı önler. Bu anlat ı lanlar ışığı nda bak ı ld ığı nda, MOS yap ı s ı n ın bir kapasitör özelli ğ i gösterdi ği -açı kt ı r. MOS kapasitör (dedektör) üzerine i şıma, yani foton, dü ştüğ ünde kap ı alt ı nda elektron ve hole'ler olu şur; Şekil 9A. Hole'ler pozitif kap ı voltaj ı etkisi ile topraklanm ış P taban ı içine itilirler. Elektronlar ise, yine pozitif kap ı vOaj ı nedeni ile yukarıya doğru çekilir, ancak yal ıtkan oksit tabakası nedeni ile kap ı ya ula şamazlar. -Ayr ıca P taban ı n ı n az ı nl ı k elektronlar ı n ı n kap ı altında olu şturdu ğ u ince negatif yük tabakas ı tarafı ndan da bir miktar itilirler. Sonuç olarak, elektronlar -kap ı (elektrod) alt ı ndaki potansiyel kuyusunda birikirler ve sinyal yükünü (signal charge) olu ştururlar; Ş ekil 9.3. Biriken yük miktarı , -MOS kapasitöre dü şen ışı ma miktar ı ile doğ ru orant ı l ı dı r.
METAL KAPI(SAYDAM)
WWWWWWWWWWWWWWWWWWWW~
Si02
ece e 7
e
dıı
Şekil 9.4 MOS kapasitörde fotonun olu şturduğ u elektron ve hole hareketleri [5]
68
9.3. YCLKÜN TRANSFER
Reat~ıt
Potansiyel kuyusundaki yük paketi, birbirine ba ğ lanm ış elektrodlara s ı ra ile voltaj uygulanarak ve böylece sistem boyunca hareket ettirilerek, i şlenmek üzere d ışarı transfer edilebilir; Şekil 9.5. Şekil 9.5 (a) (b)
(c) (d) (e)
İ çinde yük bulunan potansiyel kuyusu ikinci elektroda voltaj uygulamaya ba şlan ı r. Kom şu potansiyel kuyusu olu şur. Yük bu yeni kuyuya transfer olmaya başlar. Yük, iki kuyu aras ı nda paylaşı l ır. Birinci elektrod voltaj ını s ıfıra doğ ru azaltmaya başlan ı r. Birinci kuyu ortadan kalkmaya ba şlar. Birinci elektrod voltaj ı s ıfı rdır. Yük, birinci dedektörden ikinciye transfer-edilmi ştir.
Mevcut , teknoloji ile, toplanan yük birkaç saat sistemde saklanabilmektedir. Ayrı ca, yük transfer etkinli ğ i (efficiency) %99.9 dan daha fazlad4,r. 9.4 OPTİKSEL GÖRÜNTÜLEME Uygulamada, elektrodlara gruplar halinde voltaj uygulan ır. Grup sayı s ı için "faz" (phase) terimi kullan ı l ı r. Şekil 9:6 da üç fazl ı sistem açı klanm ıştı r. Elektrod, voltajlar ı , üç voltaj hatt ı ile sağlan ı r. L, hatt ı voltaj ı pozitif olduğunda, L2 ve L3 hat voltajlan s ıfı rd ı r. Fotonları n oluşturduğ u yükler, G, elektrodlar ı alt ı nda birikir. Uygun bir yük biriktirme (integration) süresi sonunda yük, voltaj hatlar ı na s ı ras ı ile ve tekrarl ı olmak üzere voltaj uygulanarak MOS kapasiteleri üzerinden soldan sa ğa doğ ru hareket ettirilir ve ç ı k ışa ulaşma zamanının fonksiyonu olarak d ışarı al ı n ı r (read-out).
69
+ V
METAL ELEKTROD
Wıll MM I N IMİ El KO I I 12 — OKS İT P
(al + V
O + V
(bi + V
+ V
(ci
+
O
+ V
Ar INIMEIraır ADI (d)
+V
(e)
Şekil 9.5 Yük paketinin dedektörler aras ı nda hareketi [16]
70
L, L, L,
v, +)
tl
(
t2
t,
Vl
V2(+)
Şekil 9.6 Üç fazl ı sistem [6]
Voltaj, hatlara zaınaniannuş olarak verilir (clocked voltage). Örnek olarak, sistemin en solundaki yük paketi, sa ğı ndaki yüklere göre sistem d ışı na daha geç ula şı r ve böylece, ç ı k ışta, yükün hangi MOS kapasitörden (dedektör: pixel) geldi ğ i zamana ba ğ l ı olarak belirlenir. Şekil 9.7 de, görüntülenen cismin bir noktas ı ndan gelen ışığı n soldan beşinci pixel'e düştüğ ü -kabul edilmi ştir. Bu durumdaki ç ı kış sinyali (negatif), ayn ı şeklin sağ tarafında gösterilmi ştir (ç ı k ışa transfer edilen negatif yük burada voltaja çevrilir.
71
Ş ekil 9.6 ve 9.7 deki gibi yük transfer yöntemi, bir tek diziden olu şan dedektQr sistemi (linear CCD) için herhangi bir sorun yaratmaz. Mozaik sistem {area CCD) ise, M sat ır x N sütundan olu şan bir matrix şjstemdir. Görüntülenen cismin üzerindeki ışı k dağı t ı m ı na bağ l ı olarak sistem üzerinde olu şan yük dağıl ı m ı n ın, önce birinci sat ı r, sonra ikincisi, şeklinde bir işlernle d ışarı al ı nmas ı uzun zaman al ı r. Bunun yerine, çiaha h ı zl ı ç ı kış -almak için, iki farkl ı yöntem uygulan ı r:
Electrodes
3-phase clocking waveforms move charge packet sequentially through device
Incident light irradiates photosensitive area
Output
O V, OV,
V,
O V,
V,
■ Integrating period
Ir
>\\\
Read out period
Output signal generated 2 by incident light
Şekil 9.7 Çı kış sinyali-zaman ili şkisi [161
FRAME TRANSFER : Şekil 9.8
Frame: CCD matrix sisteminin tümünün bir defa taranmas ı . Görüntü alg ı layan CCD nin yan ında, ışığa karşı korunmu ş ikinci bir CCD vard ı r. Bu ikinci CCD, yük depolama k ı sm ı (storage system) veya yük transfer kay ıt edici (register) olarak adland ı rı l ı r. Sistem sütunlara (channel) ayr ılmıştı r. Her sütunun sonunda üç hat ç ı k ışı vard ı r. Her sutun soldan sa ğa taran ı r, oluş an yükler transfer register>da depolan ı r. Yük ç ı kışı "readout register"dan d ışar ı al ı n ı r. Bu işlem
72
yap ı l ı rken, bir sonraki görüntü CCD üzerinde olu şur. Böylece, çok yükseKh ızlarda, birbiri ard ına görüntü almak mümkün olur.
INTERL,INE TRANSFER: Stitunlar-aras ı transfer : Şekil 9.9
Işığa karşı korunmu ş transfer/depolama k ı sm ı sütunlar aras ı nda yer al ı r. -Çok-daha h ızl ı yük transferi ve dolay ı s ı ile h ı zl ı frame taramas ı (scannigg) yap ı l ı r. Ancak bu yapı , görüntünün yar ı s ı n ı n kayb ı na neden olur. TV yayı nlar ı nda henüz Günümüzde CCD-kamera kullan ı lmamakta ise de yak ı n bir gelecekte bu tür uygulama beklenmektedir.
Ancak CCD-kamera, bilgisayarla birlikte kullan ı lmaktad ı r. Bunun için CCD çık ışı n ı n sayı sal (digital) duruma getirilmesi gerekir. CCD üzerindeki görüntünün bir tam taranmas ı sonucu olu şan ç ı k ışı n, yani frame'in depolanmas ı ve sayı sal hale getirilmesi frame grabber (grabber: tutucu) taraf ı ndan yapı l ı r; Şekil 9.10. Sonuçta, bilgisayar ile görüntü i şleme (image processing) de yap ı labilir ve elektriksel görüntü, monitörde optiksel görüntüye çevrilir.
Read out register
minumumee anıammı.
UMM ~R Mal 0193.1 Storage section shielded from light
Imaging section optically sensitive
MIS EM EM EM MEI
MM serea MM MM IYISI MU firall mai sam 11013111 il= MI ;eri MM 111182 2611511 SUNI MU autfo 1B8@0 rilRal lezaı MUZ MI MM MU Wall MM MIII MEG Ma MM
MM MM Ille Will Mi ILIN ILMI 111311 MIII MM MIII HİMMM 1•111111 MM MM ININ Mil MM Will =I IYI IME EM MINI MI ~Il
Channel stop
Şekil 9.8 Frame transfer [16] 73
• Output
Readout register
Output
Imaging section, optically sensitive section, shielded from light
I Transfer gate
Şekil 9.9 Interline transfer [16]
MONİTÖR
Ş ekil 9.10 CCO-kamera ile bilgisayar kombinasyonu 74
9.5 PERFORMANS PARAMETRELER İ
DUYARLILIK, Sensitivity, S Foton-duyarl ı bir dedektörün duyarl ı l ığı , üzerine dü şen miktarı qa karşı üretti ği k-ullamlabilir voltajd ı r:
(9.1)
S=Vd /E
burada
ışı k
dedektörün ürettiği voltaj E ışı k akı sı (light fiux)
Vd
Duyarl ı lı-k, ayn ı zamanda, sistemin yükü-voltaja dönü ştürme yetene ğ ine de ba ğ l ı d ı r.
GÜRÜLTÜ, Noise, N Sistemdffl çevre s ıcaklığı -etkisi altı nda yükler de olu şabilir (Bölüm 4.4: dark current). Gürültünün artmas ı sistemin S/N oran ı n ı (signal-tonoise ratio) olumsuz etkiler.
CEVAP-SÜRES İ , Response Time Cevap süresi, dü şen ışı k şiddetindeki değiş meye karşı l ı k sistemin ne kadar süre içinde ç ıkış (output) üretcce ğ inin ölçüsüdür ve k ı sa olmas ı isterıir.
FRAME TIME, CCD_mozayiğinin bir tam taranmas ı için geçen süredir. Bir saniyede al ı nan frame say ı sı ise frame frekans ıd ı r ve özellikle h ızl ı hareketli cisimlerin göri:ıntülenmesi durumunda önemlidir.
75
BAZİ FİZİKSEL SAB İTLER
Işı k H ı z ı
c
3 x 108 m/sn
Elektron Yükü
e
1.6 x 10 -19 Coulomb
Planck Sabiti
h
4.14 x 10 -15 eV.sn 6.63 x 10 -34 J.sn
Boltzmann Sabiti
8.61 x 10 -5 eV/°K
k
1.38 x 10 -23 J/°K
ı o -3 m m
1 mikron (*)
10 "8 m
(*)
1 mikron, enerjisi 1.24 eV, yakla şı k 1 eV, olan fotonun dalga boyudur. 76
KAYNAKLAR
[1]
Isaacs, A. "Introducing science" A Pelican Original, Flarmondsworth, England (1972)
[2]
Masten, L.B., Masten, B.R. "Understanding optronics" Texas Instruments Inc., Dallas (1981)
[3]
Pohl, H.A. "Quantum mechanics for science and engineering" Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J. (1967)
[4]
Büget, U., Prof.Dr. "PN Eklemi: kristal diyod ve tranzistörler" Meteksan Yay ı nları No:8, Ankara (1984)
[5]
Wilson, J., Hawkes, J.F.B. "Optoelectronics: an introduction" Prentice Hali, London (1989)
[6]
Streetman, B.G. "Solid state electronic devices" Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J. (1990)
[7]
Hudson, R.D. "Infrared system engineering" Wiley - Interscienoe, London (1969)
[8]
Bhattacharya, "Semiconductor optoelectronic devices" Prentice - Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J. (1994)
[9]
Jones, M.H. "A practical introduction to electronic circuits" Cambridge University Press, Cambridge (1990) 77
[10] Watson, J. "Mastering electronics" Mac Millan, Mester Series, London (1990) [11] Durlu, T.N., Prof.Dr. (A.Ü.F.F.Fizik Bölümü) "Katı hal Fizi ğ ine Giri ş" Bilim Kitap ve K ı rtasiye Ltd:, Ankara (1992), 2. bask ı . [12] Seymour, J. "Electronic devices and components" Longman Scientific and Technical, Essex (1990) [13] Dutar, C. "Transistör esaslar ı " Cilt I, Özden Ofset, İzmir [14] Tischler, M. "Optoelectronics: fiber optics and lasers" Macmillan/McGraw Hill, Glencoe, Illinois (1992) [15] "The CCD image sensor" Thomson Composants-Militaries -et Spatiaux [16] Watson, J. "Optoelectronics" Van Nostrand Reinhold, -UK (1988)
78
