Diyot Nedir?

Bu yazımda elektroniğin temelini oluşturan diyotlara değineceğim. Elektroniğin bu aşamaya gelmesi, beş yıl da bile çoğu şeyin değişmesi, devrelerin minyatürleşmesi…

Evet başlayalım o zaman.

Son yıllarda görülen minyatürleşme bizi bunun sınırları hakkında düşündürmektedir. Bütün bu sistem, geçmişteki devrelerin tek bir elemanından binlerce kez küçük bir pulun üzerinde bulunmaktadır. İlk entegre deve Jack Kilby tarafından 1958’de Texas Instruments’ta çalışırken geliştirmiştir. İlk kez entegre fikrini ortaya atan Geoffrey Dummer’dır.

Yandaki şekilde ilk entegre devre görülmektedir. Faz kaydırmalı osilatör olarak kullanılmaktadır.

Daha bitmedi dört çekirdekli bir işlemcide her bir çift çekirdek yongasında 410 milyon transistör içermektedir.

Minyatürleşme daha çok üç etken tarafından sınırlandırılmış olduğu görülmektedir; yarıiletken malzemelerin kalitesi, devre tasarım tekniği ve üretim…

Yarıiletken malzemeler:

Her bir katı hal (sıkı kristal yapı) elektronik cihazın veya entegre devrenin üretimi en kaliteli yarıiletken malzemeyle başlar.

Yarıiletkenler, iletkenlikleri, iyi bir iletkenle yalıtkan arasında bulunan özel elementlerdir.

Elektronik cihazların yapımında en sık kullanılan üç yarı iletken şunlardır; Germanyum, Silisyum, Galyum Arsenik…

Diyotun 1939’da ve transistörün 1947’de icat edilmesini izleyen on yılda germanyum kolay bulunabilirliği ve üretim sürecinin önemli bir yönü olarak yüksek saflık seviyesinde elde edimiyle tercih edilmiştir. Fakat temel malzeme olarak germanyum kullanılan diyot ve transistörler, sıcaklık değişimine duyarlılıkları sebebiyle düşük güvenirliğe sahiptirler. 1954’te ilk silikon transistör ortaya kondu ve hızlı bir şekilde tercih edilen yarıiletken malzeme oldu. Silikon sadece sıcaklığa karşı daha az duyarlı değildir, dünyada bulunabilen en bol malzemelerden biridir. İzleyen yıllarda üretimi ve tasarım teknolojisi kararlı bir şekilde gelişmiş ve günümüz seviyesine ulaşmıştır. Zaman ilerledikçe elektronik, hız sorununa odaklanmıştır. Bilgisayarlar daha hızlı olmuş ve iletişim sistemleri daha yüksek performansta çalışmaya başlamıştır. 1970’lerde Galyum arsenik transistör geliştirilmiştir. Bu yeni transistör silikon transistörün beş katı hızda çalışabilmektedir. Günümüzde galyum arsenik, yüksek hızlı, çok büyük çapta entegre devre tasarımında temel malzeme olarak yaygın biçimde kullanılmaktadır.

Daha fazla uzatmadan devam edeyim.

Bir yarıiletken malzemenin karakteristiği belirli katışkı atomlarının eklenmesiyle belirgin işekilde değişebilir. Ne kadar az eklenmiş olsa dahi malzemenin elektriksel özelliklerini tamamen değiştirebilir. Katkılama yapılan yarıiletken malzemelere katkılı malzeme denir.

Yarıiletken cihaz üretiminde yüksek öneme sahip iki katkılı malzeme tipi vardır; n tipi ve p tipi malzemeler.

N Tipi Malzemeler

n tipi ve p tipi malzemelerin ikisi de daha önce belirlenen sayıdaki katışkı atomlarının silikon taban eklenmesiyle oluşur. Bir n tipi malzeme, antimon, arsenik, ve fosfor gibi beş değerlik elektronlu elementlere katışkı eklenmesiyle oluşur. Bu katışkı elementlerinin etkisi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Dört kovalent bağın halen var olduğuna dikkat ediniz. Ancak hiçbir kovalent bağla ilgisi olmayan, katışkı atomundan kaynaklanan beşinci bir elektron daha vardır. Ana atoma zayıf olarak bağlı bu elektron yeni oluşmuş n tipi malzeme içinde nispeten serbestçe hareket etmektedir.

P Tipi Malzemeler

P tipi malzeme, üç değerlik elektronlu katışkı atomlarının saf germanyum veya silikon kristaline katılmasıyla oluşturulur. Bu amaç için en sık kullanılan elementler, boron, galyum ve indiyumdur. Bu elementlerin silikon tabana boron etkisi aşağıdaki örnekte gösterilmiştir.

Yeni oluşan oluşan örgüdeki kovalent bağları tamamlamada elektron sayısının yetersiz olduğu görülebilir. Oluşan bu boşluğa delik (hole) denir ve negatif yükün yokluğunu belirtmek için küçük bir daire veya artı işaretiyle gösterilir.

N tipi ve p tipi malzemelerin delik (hole) akış yönü ve elektron akış yönü şekildeki gibidir.

Elimizde n tipi ve p tipi malzemeler olduğu için ilk katıhal cihazımızı yapabiliriz. Diyot. Yani çoğunluk taşıyıcısı elektron olan ve çoğunluk taşıyıcısı delik (hole) olan iki malzeme birleşerek diyot elde edilir. diyotun iletiminin basitliği katıhal çağının önemini pekiştirmektedir.

Diyottan akım akma koşulu olarak Va- Vk >Vd olmalıdır. Diyotlar, akımı üzerlerinden yalnızca anottan katoda doğru iletirler.

Bu grafiği okuduğumuzda bize şu temel bilgileri veriyor:

Diyotun ileri kutuplama bölgesinde çalışırken akım geçirmesi için Vf ile belirtilen eşik gerilimine ulaşması gereklidir. Genellikle bu değer silikon diyotlarda 0.7V, germanyum diyotlarda ise 0.3V civarındadır.

Diyot ters kutuplama bölgesinde Vbr ile belirtilen maksimum ters gerilimine kadar akım geçirmez. Bu değer aşıldığında ise diyot artık kırılma bölgesindedir, yani diyot üzerinden ters yönde de akım geçişi olur.

Eğilimsiz durum(V=0V):

Çevresinde yük bulunmayan artı ve eksi iyonların bulunduğu bölgeye, bu bölgedeki serbest taşıyıcıların azaltılmasından dolayı azaltım bölgesi denir.

Diyota eğilimleme uygulanmadığında, herhangi bir yöndeki net yük akışı sıfırdır. Yani akım sıfırdır.

Ters Eğilimlemeli Durum (Vd<0V):

Artı uç n tipi malzemeye ve eksi uç p tipi malzemeye bağlanarak V volt uygulandığında n tipi malzemenin azaltım bölgesinde artı iyonların sayısı, dış gerilimin artı ucunun çektiği elektronlar nedeniyle artacaktır. Sonuçta azaltım bölgesinin genişleyecektir.

Ters eğilimleme durumunda oluşan akıma, ters doyum akımı denir ve Is ile gösterilir. Ters doyum akımı birkaç mikro amperi geçmez hatta son yıllardaki cihazlar için nano amperdir.

İleri Eğimlemeli Durum (Vd>0V):

İleri eğilimlemeli veya açık durumda p tipi malzemeye artı gerilim n tipi malzemeye eksi gerilim uygulanmasıyla elde edilir.

Şekilde gösterildiği gibi Vd ileri eğilimleme geriliminin uygulanmasıyla n tipi malzemedeki elektronlar ve p tipi malzemedeki hole (delikler) sınırdaki iyonlarla birleşecek ve azaltım bölgesinin genişliği küçülecektir. N tipi malzemedeki elektronlar, azaltım bölgesinin küçülmesiyle daha zayıf bir engelle ve p tipi malzemeye uygulanan artı gerilimden dolayı güçlü bir çekimle karşılaşacaktır. Böylece üstel bir şekilde akım akışı meydana gelecektir.

Diyotun Kullanım Alanları:

1. Doğrultucular

Diyotların kullanımına örnek olarak verebileceğimiz ilk devre tipi doğrultuculardır. Doğrultucu (İng. rectifier), AC gerilimi DC gerilime dönüştürmede kullanılan devrenin ismidir. Yarım dalga ve tam dalga doğrultucu olarak ikiye ayrılırlar.

a. Yarım Dalga Doğrultucu:

Bildiğimiz üzere AC gerilim, belirli periyotlar ile negatif ve pozitif arasında değişim gösterir. DC gerilim ise yalnızca pozitif veya negatif tarafta yer alır. Diyotun akımı tek yönde iletme özelliğinden faydalanarak bu şekilde bir devre kurabilmemiz mümkündür:

Gerilim sinyal grafiğinde görüldüğü gibi giriş gerilimi negatif ve pozitif arasında değişirken çıkış gerilimi pozitif kısımları geçmektedir. Bunun sebebi ise diyotun ileri eğilimlemeli yönde iletim yapmasıdır. DC gerilim değeri;

Vdc = 0,318x Vm (ideal diyotsa Vd=0V);

Vdc = 0,318x Vm- Vd (ideal diyot değilse)’dir.

b. Tam Dalga Doğrultucu:

Devrenin isminden ve dalga formundan da fark edeceğiniz gibi bir tam çevrimin yalnızca yarısından faydalanabilmekteyiz. Dalganın tamamından faydalanabilmek için köprü doğrultucu (full-bridge rectifier) devresi kurmamız gereklidir.

Köprü doğrultucu devresinde 4 adet diyot bulunur. Dalganın pozitif kısmında iki adet diyot iletimdeyken negatif kısmında diğer iki diyot iletimdedir. Böylece AC gerilimin hem pozitif hem negatif kısmından faydalanmış oluruz. Böylece çıkışta oluşan DC gerilim;

Vdc= 0,636x Vm-2Vd (ideal diyot değilse) olur.

2. Kırpıcılar:

Diyotlu kırpıcı devreler, aynı zamanda sınırlayıcı devreler olarak da adlandırılabilir. Bu devreler bir AC sinyal üzerinde pozitif kırpma, negatif kırpma ya da her iki yönde kırpma işlemi gerçekleştirir.

Kırpıcı devrelerde genellikle sinyal diyotları kullanılır. Bu diyotlar ideal diyotlar ve ön gerilimli (Vd) diyotlar olmak üzere iki kısma ayrılır. Çıkış sinyalleri bu diyotlara göre çizilecektir.

Ön gerilimli diyotlar silisyum ve germanyum tipi diyotlardır. Silisyum diyotların iletime geçme gerilimleri yaklaşık olarak 0.7 volt, germanyum tipi diyotların iletime geçme gerilimleri yaklaşık olarak 0.3 volt civarındadır.

Zener Diyot

Zener diyotu, normal şekilde bağlandığında standart bir diyot gibi çalışır. Devreye ters bağlanması durumunda ise, Zener Gerilimi adı verilen seviyeye kadar akım geçirmezler, bu gerilim aşıldığında ise iletime geçerler. Zener diyotu, bu özelliği sayesinde güç kaynağı regülatör devrelerinde kullanılırlar. Devre sembolleri aşağıdaki gibidir:

kullandığım kaynak Robert L.Boylestad Louis Nashelsky in Elektronik Cihazlar ve Devre Teorisi Palme Yayıncılık.

diğer yazılarımda görüşmek dileğiyle..