Modern dünyamız yarı iletkenlere dayanıyor. Bilgisayar, cep telefonu ve dijital kameraya dek yarı iletkenler çoğu cihazın vazgeçilmez bir bileşeni. Araba, buzdolabı, fırın, kahve makinesi veya LED ışıklar gibi aydınlatmalı ekranı veya kontrol devresi olan her şey yarı iletkenlere sahip. İçinde yarı iletken devreler olmayan elektrikli modern bir cihaz bulmanız zordur.
Çoğu insan silikonu ve Silikon Vadisi'ni (aslında doğru çevirisi "silisyum"dur, "silikon" bir plastiktir) duymuş olsa da bunun mevcut maddelerin yalnızca tek bir örneği olduğunu bilmez. Ancak her türlü bilgisayar ve elektronik cihazda kullanılan silisyum metalinin teknik sınırlamaları var. Özellikle mühendisler elektronik cihazları ışık üretmek veya işlemek için kullanmaya çalıştıkça bunu görüyor. Bu yüzden silisyuma alternatif yeni yarı iletken maddeler arıyorlar.
Yarı İletkeni Anlamak
Adından da anlaşılacağı gibi yarı iletken herhangi bir sıcaklıkta iletken olan çoğu metalin ve genelde elektriği iletmeyen cam, plastik ve taş gibi yalıtkanların aksine elektriği yalnızca belirli sıcaklıkta ileten maddelerdir.
Ancak en önemli özellikleri bu değil. Doğru biçimde tasarlandığında bu maddeler içlerinden geçen elektriği değiştiriyor. Tıpkı aktığı yönleri sınırlaması veya gücünü artırması gibi. Bu özellikler tüm modern elektronikleri mümkün kılan diyot ve transistörün temelini oluşturur. Bu devre parçaları duvar prizinden gelen elektriği cihazlara uygun yapmak ve bilgiyi 1 ve 0 halinde iletmek gibi işlevlere sahip. Yarı iletkenler ayrıca ışığı emerek elektrik akımına ve voltaja dönüştürüyor. Bu süreç dışarı ışık yayılan ters biçimde de olabilir. Bu özellik lazer, LED ışık ve dijital kamerayı mümkün kılıyor.
Yarı İletkenin Keşif Öyküsü
Bunların hepsi çok modern görünse de yarı iletkenlerin ilk keşfi 1830'lara uzanıyor. 1880'lerde Alexander Graham Bell, sesi bir ışık demetiyle iletmek için selenyum kullanmayı denedi. Selenyum ayrıca 1880'lerde ilk güneş pillerinin yapımında kullanıldı.
En büyük sorun kullanılan elementlerin saflaştırılamamasıydı. Trilyonda bir veya yüzde 0,0000000001 kadar küçük kirlilikler yarı iletkenin davranış şeklini temelden değiştirir. Teknoloji daha saf malzeme üretimine olanak tanıdıkça daha gelişmiş yarı iletkenler ortaya çıktı.
İlk yarı iletken transistör 1948'de germanyumdan yapıldı ancak silisyum (dilimizde "silikon" olarak yanlış bilinir) hızla baskın yarı iletken malzeme haline geldi. Silisyum mekanik yönden güçlüdür, temizlenmesi nispeten kolaydır ve yeterli elektriksel özelliklere sahiptir.
Aynı zamanda inanılmaz derecede bollar: Yerkabuğunun yüzde 28,2'si silisyumdur. Bu da metali oldukça ucuz yapıyor. Silisyum neredeyse mükemmel bir yarı iletken oldu ve diyot ve transistör yapımında kullanılarak hala hemen her bilgisayar çipinin temelini oluşturuyor. Ancak önemli bir sorunu vardır: Silisyum ışığı elektrik sinyaline veya elektriği yeniden ışığa çevirmede yetersizdir.
Yarı iletkenlerin birincil kullanımı metal hatlarla bağlı bilgisayar işlemcisiyken bu pek sorun olmaz. Ancak güneş paneli, kamera sensörü ve ışıkla ilgili diğer uygulamalarda yarı iletken kullanımı arttıkça silisyumun bu zayıflığı engel haline geldi.
Yeni Yarı İletkenler Bulmak
Yeni yarı iletken arayışı bir süredir devam ediyor ve periyodik tablo iyi bir başlangıç noktası. Yandaki tabloda IV ile başlayan sütundaki her element elektronlarından dördünü komşusuyla paylaşarak bağ oluşturur. Bu grupta en güçlü bağ kuran element elmas oluşturan karbondur (C). Elmas iyi bir yalıtkandır (ve saydamdır) çünkü karbon elektronlara çok sıkı tutunur. Bu yüzden elmasa elektriği iletmesi için akım verirseniz direnir ve sonunda yanar.
Sütunun alt bölümündeki kalay (Sn) ve kurşun (Pb) elementleri ise çok daha metaliktir. Çoğu metal gibi elektron bağları o denli gevşektir ki elektronları az miktarda enerjiyle koparmak ve maddenin içinde serbestçe akmalarını (elektrik akımının kendisi) sağlamak mümkündür.
Silisyum (Si) ve germanyum (Ge) ise bu iki grubun ortasında yer alıyor yani yarı iletkendir. Ancak yapılarındaki tuhaflık nedeniyle ışığı elektriğe dönüştürmede pek iyi değiller. Işıktan daha iyi anlayan malzemeler bulmak için IV. grubun her iki yanına gitmek gerek. "Grup III" ve "Grup V" sütunlarından elementleri birleştirmek yarı iletken özelliklere sahip yeni maddeler üretmeyi sağlar. Galyum arsenit (GaAs) gibi "III-V" maddeleri lazer, LED ışık ve fotodetektör (kameralarda bulunan) gibi cihazların yapımında kullanılıyor. Yani silisyumun yapamadığını yapıyor.
Peki ışığı elektriğe dönüştürmekte bu denli kötüyse neden güneş panellerinde silisyum kullanılıyor? Yanıt maliyet. Silisyum dünya yüzeyinin her yerinden rafine edilebilirken, III-V bileşiklerini oluşturan elementler çok daha nadirler.
Silisyum güneş paneli güneş ışığını %10 ila %15 verimle elektriğe dönüştürür. III-V elementine sahip panel ise üç kat daha verimli çalışır ancak çoğu zaman üç kattan pahalıdır. III-V malzemeleri ayrıca silisyumdan kırılganlar ve geniş güneş panelleri yapmayı zorlaştırır.
Ancak III-V malzemelerinin sunduğu elektron hızları bilgisayardakinden yüzlerce kat hızlı transistör üretmeyi mümkün kılar. Bu elementler bir gün bilgisayardaki kabloların yerini ışık ışınlarının almasını ve veri akışının büyük oranda artmasını sağlayacak.
III-V malzemelerinin yanı sıra kullanımda olan II-VI malzemeleri de var. Bu malzemeler 1800'lerde araştırılan bazı sülfürleri ve oksitleri içeriyor. Çinko, kadmiyum, tellürlü cıva birleşimleri kızılötesi kameranın yanında güneş pili yapımında kullanıldı. Bu malzemeler kırılgandır ve üretimi çok zordur.
Yarı İletkenin Geleceği
Yeni yarı iletken malzemeler nasıl kullanılacak? Yüksek güçlü III-V (galyum-nitrür) yarı iletkenler elektrik şebekesi sistemlerinin belkemiği olacak. Çünkü yüksek voltaj iletimi sağlıyorlar. Yeni III-V malzemeleri (antimonitler ve bizmutitler) tıbbi, askeri ve sivil kullanımlarda kızılötesini algılamanın yanında yeni telekomünikasyon olanakları sunuyor. Yüksek verimli ancak ucuz güneş pilleri için yeni yarı iletkenler yapmak için toprakta bol bulunan element birleşimleri araştırılıyor.
Peki silisyuma ne olacak? Işığı verimli kullanamaması kenara atılacağı anlamına gelmiyor. Bazı bilim insanları "silisyum fotoniği" dedikleri yolla silisyumun ışığı daha iyi kontrol etmesini sağlama arayışında. Yöntemlerden biri silisyuma grup IV'ten bir element olan kalay, silikon veya germanyum eklenmesi. Silisyumun özelliğini değiştirerek ışığı daha verimli emmesini ve yaymasını sağlar. Yöntem henüz araştırma – geliştirme aşamasında.
Yarı İletken Hakkında Sık Sorulanlar
Yarı iletken nedir ve bir iletken veya yalıtkandan farkı nedir?
Yarı iletken, iletken ile yalıtkan arasında elektrik iletkenliğine sahip bir malzemedir. Bu, bir miktar elektrik iletebileceği, ancak bir metal iletken kadar iletemeyeceği ve belirli koşullarda bir yalıtkan olarak da hareket edebileceği anlamına gelir. Silikon en yaygın kullanılan yarı iletken malzemedir.
Doping (Katkılama) ve bant aralığı mühendisliği yarı iletkenlerin elektronik özelliklerini nasıl etkiler?
Doping (Katkılama), elektriksel özelliklerini değiştirmek için yarı iletken bir malzemeye safsızlıkların eklenmesini içerir. Bu, malzemedeki serbest yük taşıyıcılarının sayısını artırabilir ve böylece iletkenliğini artırabilir. Bant aralığı mühendisliği, bir yarı iletkenin değerlik ve iletim bantları arasındaki enerji boşluğunu değiştirmeyi içerir. Bu, ışığın emilmesi ve yayılması ve iletkenliği gibi optik ve elektronik özelliklerini etkileyebilir.
Yarı iletkenlerde kusurların rolü nedir ve cihaz performansını nasıl etkilerler?
Yarı iletkenlerdeki boşluklar, interstisyeller ve safsızlıklar gibi kusurlar, malzemenin elektronik özelliklerini ve dolayısıyla buna dayalı elektronik cihazların performansını etkileyebilir. Örneğin, kusurlar yük taşıyıcılarını hapsedebilir ve hareketliliklerini azaltabilir, bant aralığındaki durumların yoğunluğunu artırabilir ve elektronlar ve delikler için rekombinasyon merkezleri olarak hareket edebilecek enerji seviyelerini ortaya çıkarabilir. Kusurların yoğunluğu ve dağılımı işleme ve tavlama teknikleriyle kontrol edilebilir.
Ana yarı iletken malzeme türleri nelerdir ve özellikleri nelerdir?
Başlıca yarı iletken malzeme türleri temel yarı iletkenler (silikon ve germanyum gibi), bileşik yarı iletkenler (galyum arsenit ve indiyum fosfit gibi) ve organik yarı iletkenlerdir (iletken polimerler gibi). Elementel yarı iletkenler dar bir bant aralığına sahiptir ve elektronikte yaygın olarak kullanılırlar. Bileşik yarı iletkenler daha geniş bir bant aralığına sahiptir ve genellikle yüksek hızlı elektronik, optoelektronik ve güneş pillerinde kullanılır. Organik yarı iletkenler düşük taşıyıcı hareketliliğine sahiptir ve organik ışık yayan diyotlar (OLED'ler) ve organik güneş pilleri gibi uygulamalarda kullanılır.
Yarı iletken teknolojisindeki ilerlemeler elektronik cihaz ve sistemlerde inovasyonu nasıl yönlendiriyor?
Yeni malzemelerin, işleme tekniklerinin ve cihaz mimarilerinin geliştirilmesi gibi yarı iletken teknolojisindeki ilerlemeler, elektronik cihazların ve sistemlerin minyatürleştirilmesini, entegrasyonunu ve performansının iyileştirilmesini sağlamıştır. Bu durum bilgi işlem, iletişim, algılama ve enerji dönüşümü gibi alanlarda yeni uygulamaların ortaya çıkmasına yol açmıştır. Örnekler arasında nano ölçekli transistörlerin, yüksek hızlı optoelektronik cihazların ve verimli fotovoltaik hücrelerin geliştirilmesi yer almaktadır.
İletken ve yarı iletken arasındaki fark nedir?
Bir iletken ve bir yarı iletken arasındaki temel fark, elektriği iletme yetenekleridir. İletkenler yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir ve elektriği kolayca iletebilirken, yarı iletkenler daha düşük iletkenliğe sahiptir ve yalnızca ışığa veya ısıya maruz kaldıklarında olduğu gibi belirli koşullar altında elektriği iletirler.
Yarı iletkenler elektronik cihazlarda nasıl kullanılır?
yarı iletkenler transistörler, diyotlar ve entegre devreler dahil olmak üzere birçok elektronik cihazın temelini oluşturur. Transistörler elektronik sinyalleri yükseltmek ve değiştirmek için kullanılırken, diyotlar elektrik akımının akışını kontrol etmek için kullanılır. Entegre devreler birden fazla yarı iletken bileşenden oluşur ve basit mantık işlemlerinden karmaşık hesaplama görevlerine kadar çok çeşitli işlevleri yerine getirebilir.
Yarı iletkenlerde doping (katkılama) nedir?
Doping, elektriksel özelliklerini değiştirmek için yarı iletken bir malzemeye kasıtlı olarak safsızlık katma işlemidir. Bu, yarı iletken malzemeye bor veya fosfor gibi az miktarda başka elementler eklenerek yapılır. Doping, eklenen safsızlıkların türüne bağlı olarak bir yarı iletkenin iletkenliğini artırabilir (n-tipi doping olarak bilinir) veya iletkenliği azaltabilir (p-tipi doping olarak bilinir).
Bir yarı iletkendeki bant aralığı nedir?
Bir yarı iletkendeki bant boşluğu, valans bandı (elektronların atomlara bağlı olduğu yer) ile iletim bandı (elektronların serbestçe hareket edebildiği ve elektriği iletebildiği yer) arasındaki enerji farkıdır. Bir yalıtkanda bant aralığı çok büyükken, bir iletkende çok küçüktür. Bir yarı iletkende bant aralığı orta düzeydedir, bu da belirli koşullar altında elektriği iletmesine ve diğer koşullar altında yalıtkan olarak hareket etmesine izin verir.
Intel nedir ve nasıl lider bir yarı iletken üreticisi haline geldi?
Intel mikroişlemciler, yonga setleri ve diğer bilgisayar bileşenlerini üreten bir yarı iletken üreticisidir. Şirket 1968 yılında Robert Noyce ve Gordon Moore tarafından kurulmuş ve 1971 yılında ilk mikroişlemci olan Intel 4004'ün piyasaya sürülmesiyle kısa sürede sektörde lider konuma gelmiştir. Intel yıllar boyunca yenilikler yapmaya ve en son yarı iletken teknolojisini üretmeye devam ederek sektörde baskın bir oyuncu olarak konumunu sağlamlaştırmıştır.
AMD nedir ve yarı iletken endüstrisindeki geçmişi nedir?
AMD (Advanced Micro Devices), mikroişlemciler, grafik işleme birimleri (GPU'lar) ve diğer bilgisayar bileşenlerinin tasarımı ve üretiminde uzmanlaşmış bir yarı iletken şirketidir. AMD 1969 yılında kurulmuştur ve o zamandan beri Intel ve Nvidia gibi şirketlerle rekabet ederek yarı iletken endüstrisinin en büyük oyuncularından biri haline gelmiştir. Yıllar içinde AMD, x86 mikroişlemci mimarisi ve ilk 64-bit x86 işlemci gibi birçok çığır açan teknoloji geliştirmiştir. Günümüzde AMD, oyunlarda, veri merkezlerinde ve diğer uygulamalarda yaygın olarak kullanılan yüksek performanslı işlemcileri ve GPU'ları ile tanınmaktadır.
Referanslar: