İLETKENLER, YALITKANLAR VE YARI İLETKENLER

a- İletkenler
Bir atomun en dış yörüngesinde az sayıda (1-2-3) elektron varsa, bu elektronları çekirdeğe bağlayan güç zayıftır. Örneğin bakır atomunun son yörüngesinde 1 elektron vardır ve bu çekirdek tarafından kuvvetlice çekilmediğinden çok kolayca serbest hale geçebilir.

Bakırdan yapılmış bir iletkenin iki ucuna belli bir gerilim uygulanırsa, elektronlar pilin eksi (-) ucundan artı (+) ucuna doğru gitmeye başlar. ışte bu elektron hareketi "elektrik akımıdır". Gerilim kaynağının artı ucu elektronları yakalarken, eksi ucu maddeye elektron verir. Burada gerilimi, bir çeşit elektron pompası olarak düşünebiliriz. Gerilimin büyüklüğü artarsa,  elektronlar daha hızlı bir şekilde ilerlerler. Yani ortalama hızları artar. Başka bir deyişle son yörüngesinde (valans bandı) 1-2-3 elektron bulunduran maddeler az ya da çok elektrik akımını iletirler. En dış yörüngesinde 2 elektron bulunduran demir ve 3 elektron bulunduran alüminyumun iletkenlikleri bakıra göre azdır.

Şekil 2.6'da bakırdan yapılmış iletkende serbest elektronlar, şekil 2.7'de bakır iletkende serbest elektronların hareketi, şekil 2.8'de bakır atomunun yapısı ve şekil 2.9'da bakır atomunun basit olarak gösterilişi verilmiştir.

b- Yalıtkanlar
Gerilim uygulandığında iletkenliği çok alçak düzeyde olan malzemelere yalıtkan denir. Başka bir deyişle, elektrik akımını "iletmeyen" maddeler yalıtkandır. Atom yapısı açısından bakıldığında, son yörüngelerinde (valans bandı) 5-6-7-8 elektron bulunduran tüm maddeler az ya da çok yalıtkandırlar. Yalıtkanlarda atomlar arası boşlukta serbest elektron bulunmaz. Elektronlar çekirdeklere sıkı bağlarla bağlıdırlar. Yani, her atom nötr durumdadır. Bir yalıtkana "fazladan yüklenen şarj", yalıtkanın o bölgesinde statik olarak kalır. Yükler atomdan atoma iletilmediği için yalıtkan üzerinde başka bir bölgeye geçiş söz konusu değildir.

 Şekil 2.10'da görüldüğü gibi plastik, cam, kauçuk, mermer, kağıt, tahta gibi yalıtkanlık düzeyi yüksek olan maddelerin atomlarının son yörüngelerinde 8 adet elektron vardır. Yani bu atomlarda son yörünge elektron bakımından doymuş durumdadır. Dışarıya elektron verme ya da dışarıdan elektron alma çok zordur. Cam, mika gibi iyi yalıtkanların direnci 10^15 W /cm3 düzeyindedir. Yalıtkanların çok yüksek direnç göstermeleri madde içindeki serbest elektronların ya da diğer akım taşıyıcıların olmamasındandır. Yani yalıtkanlarda atom bağ yapısı elektronların yörüngesinden çıkmasına izin vermez. Bu durumu enerji bandı yönünden ele alırsak, iletim bandı ile valans bandı arasındaki yasak bölge dışarıdan uygulanacak enerji ile aşılamayacak kadar geniştir. şekil 2.13'e bakınız. (Burada enerji bandları, elektronların ve oyukların hareket ettiği kanallar şeklinde düşünülmemeli, iletime izin verilen ya da verilmeyen enerji seviyeleri olarak algılanmamalıdır.)

Ek bilgi: Akımı hiç geçirmeyen madde var mıdır?
Aslında elektrik akımını hiç geçirmeyen madde yoktur. Yalıtkan olarak bilinen maddeler "çok az" bir akım geçirirler. (ıyi bir yalıtkan olarak kabul edilen polistirin'in 1 Cm3'ünde 6,1.10^10 adet serbest elektron bulunur.) Fakat bu canlılar için zararlı değildir. Yalıtkana uygulanan gerilim arttıkça geçirdiği akım da artmaya başlar. Belli bir gerilim seviyesinden sonra yalıtkan tamamen iletken olur. Buna "yalıtkanın delinmesi" denir. Her yalıtkanın delinmesine yol açan gerilim değeri ayrıdır. Elektrik ve elektronik çalışmalarında kullanılan el takımlarının sap izoleleri incelenecek olursa, burada yalıtkanın dayanabileceği son (maksimum) gerilim değeri
yazılıdır. Örneğin penselerin sap izolesinde "10.000 Volt" yazar. Bu, plastik yalıtkan 10.000 Volt'tan sonra iletken hale geçebilir anlamı taşır.

c- Yarı iletkenler
Son yörüngelerinde (valans bandı) 4 elektron bulunduran maddelere yarı iletken denir. Yarı iletkenlerin direnci
iletkenlerin direncinden yüksek, yalıtkanların direncinden düşüktür. Yani iletkenlik bakımından iletken ve yalıtkanlar arasında yer alırlar.


Şekil 2.11'de verilen grafikte saf germanyum ve saf silisyumun direnç değerine dikkat ediniz. Yarı iletkenlerin 1 Cm3'ünün iki yüzü arasındaki direnç normal oda sıcaklığında 0,1-50 W arasındadır. Bu tip maddelerin dirençleri sıcaklık ile düzgün değişme göstermez. Yarı iletkenlerin bazıları "bileşik", bazıları "element"dir. Bileşiklere örnek olarak "çinko oksit" ile "bakır oksiti" verebiliriz. Elementlere örnek ise "germanyum" ve "silisyum (silikon) gösterilebilir. Yarı iletkenler kristal yapıdadır. Yani atomları belirli bir sistemle sıralanmıştır. Bu yapı tekli kristal (mono kristal) ya da çoklu kristal (poli kristal) olabilmektedir.




Şekil 2.12'ye bakınız.
Silisyum (silikon) ve germanyum atomlarının son yörüngelerinde dörder elektron vardır.

Germanyumun ve silisyumun saf kristalleri oldukça iyi bir yalıtkan olmalarına karşın, atom yapılarına küçük miktarlarda arsenik, indiyum vb. ekleyerek iletkenlikleri önemli ölçüde değiştirilebilir


Üretici şirketlerin yaygın olarak kullandığı bazı yarı iletken maddeler ve kullanım alanları
-Azot (N): N tipi yarı iletken oluşturmada.
-Antimuan (Sb): N tipi yarı iletken oluşturmada.
-Arsenik (Ar): N tipi yarı iletken oluşturmada.
-Fosfor (P): N tipi yarı iletken oluşturmada.
-Germanyum (Ge): Diyot, transistör, entegre vb.yapımında.
-Silisyum (Si): Diyot, taransistör, entegre vb.yapımında.
-Bor (B): P tipi yarı iletken oluşturmada.
-Galyum: P tipi yarı iletken oluşturmada.
-Indiyum (In): P tipi yarı iletken oluşturmada.
-Selenyum (Se): Diyot yapımında.
-Bakıroksit (Cu2O): Diyot yapımında.
-Galyum arsenik (GaAs): Tunel diyot, laser diyot,foto diyot, led yapımında.
-Indium fosfor (InP): Diyot, transistör yapımında.
-Kurşun sülfür (PbS): Güneş pili (fotosel, solarcell) yapımında.