Yarı İletkenler Hayatımızı Nasıl Değiştirdi?
Yaşam tarzımız her geçen gün bilim kurgu filmlerindeki sahnelere daha çok yaklaşıyor. Günümüzde iletişim, alışveriş, bankacılık, bilgi tarama gibi birçok işimizi yerimizden kalkmadan, cep telefonları veya bilgisayarlarla yapabiliyoruz. Bilim ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte yaşam tarzımızın değişmesini sağlayan nedenler arasında yarı iletkenlerin önemli bir yerinin olduğunu söylemek abartılı olmaz.
Peki yarı iletkenleri bu kadar işlevsel yapan nedir? Yarı iletkenler yaşam tarzımızı kökten değiştirecek ne gibi farklı özelliklere sahiptir?
Maddelerde elektrik iletimi elektronlar aracılığıyla gerçekleşir. Elektriksel özelliklerine göre maddeler genel olarak iletken, yalıtkan ve yarı iletken olarak üç sınıfa ayrılabilir. Bu sınıflandırma, maddelerin sahip olduğu toplam elektron sayısına göre değil, maddenin içinde serbestçe dolaşan elektronların yoğunluğuna göre yapılır. Çünkü bütün maddelerde çok sayıda elektron olsa da iletkenliği belirleyen faktör, serbest dolaşan elektronların yoğunluğudur. Bir malzemede serbest elektronların yoğunluğu ne kadar yüksekse malzeme de o kadar “iyi iletken” olur.
Bakır, altın, gümüş gibi metallerde serbest elektron yoğunluğu yüksek olduğu için bu maddeler elektriği iyi iletir. Plastik, porselen, tahta, kâğıt gibi yalıtkan olarak sınıflandırılan malzemelerde ise serbest elektronların yoğunluğu düşüktür. Dolaysıyla bildiğimiz anlamda elektriği iletmezler.
Peki ya yarı iletkenler?..
Yarı iletkenler, isimlerinden de anlaşılacağı üzere, iletkenlikleri iletken ve yalıtkan arasında değişebilen malzemelerdir. İletken ve yalıtkanlarda serbest elektronların yoğunluğu çok fazla değiştirilemezken yarı iletkenlere katkı atomları (doping) eklenerek serbest elektron yoğunluğu değiştirilebilir. Yani yalıtkanlar hep yalıtkan, iletkenler hep iletken davranış sergilerken yarı iletkenlerin iletkenliği değiştirilebilir. Bunu mümkün kılan etken ise yarı iletkenlerin enerji bant yapısıdır. Genel olarak katılardaki enerji bantları, atomlardaki enerji seviyelerine benzer. Atomlar bir araya gelerek katı maddeyi oluştururken, atomların enerji seviyeleri de bir araya gelerek enerji bantlarını oluşturur. Nasıl ki atomlardaki elektronlar sadece belirli enerji seviyelerinde bulunabiliyorsa katılardaki elektronlar da sadece belirli enerji bantlarında (örneğin iletim bandı ve değerlik bandı gibi) bulunabilir. Bantlar arası bölgede elektronlar bulunamayacağı için bu bölge yasak bant olarak adlandırılır. Yarı iletkenlerin enerji bantlarını daha iyi anlayabilmek için yarı iletkenleri metallerden ayıran önemli bir özelliği bilmemiz gerekir. Bu özellik “iletkenlik tipi”dir.
Metallerde elektronlar hep iletim bandında hareket eder. Yarı iletkenlerdeyse iki farklı bant vardır. Bu bantlar iletim bandı ve değerlik bandı olarak bilinir. Yarı iletkenlere katkı atomları eklenerek iletkenlikleri artırılırken, aynı zamanda elektronların hangi bant üzerinden iletileceği de belirlenebilir. Elektronların iletim bandında hareket ettiği yarı iletkenler “n-tipi”, değerlik bandından iletildiği yarı iletkenler ise “p-tipi” olarak adlandırılır.
Peki yarı iletkenlerde iki farklı iletim bandının bulunması nasıl bir fark oluşturur? Yarı iletkenlerin önemi, farklı katkı atomları eklenmiş yarı iletkenlerin bir araya getirilmesiyle oluşturulan “yarı iletken eklemlerle” ortaya çıkar.
Nasıl mı?
n-tipi bir yarı iletken ile p-tipi bir yarı iletken birleştirilerek bir “yarı iletken eklem” oluşturulunca, eklem bölgesinde ilginç elektriksel özellikler görülür. Böyle bir eklem, akımı bir yönde iletirken diğer yönde iletmez. Yani elektrik iletimi asimetrik bir özellik kazanır! Metallerde bu özellik yoktur. Bir metal tel parçası, örneğin bakır tel her iki yönde de elektriği eşit şekilde iletir yani iletim simetriktir.
Yarı iletken eklemlerde oluşan bu asimetrik davranış, hayli ilginç elektriksel özelliklerin ortaya çıkmasına yol açar. Çünkü bu tür davranış sergileyen yapılar bir araya getirilerek üç uçlu devre elemanları yapılabilir.
Peki üç uçlu devre elemanları neden önemlidir?
Elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılan direnç, bobin veya kapasitör, iki uçlu devre elemanlarıdır. Uçlarının arasına uygulanan gerilime bağlı olarak bu devre elemanlarının üzerinden akım geçer. Yani telden geçen akım bu iki uç arasındaki gerilim farkıyla kontrol edilir. Bu tür devre elemanlarıyla oluşturulan elektrik devrelerinde, gerilimi düşürmek ve alternatif akımı doğru akıma dönüştürmek gibi basit işlevler gerçekleştirilebilir.
Üç uçlu devre elemanlarının ise çok farklı bir özelliği vardır. İki uç arasındaki akım bağımsız olarak üçüncü uçla kontrol edilebilir. Transistör de üç uçlu bir devre elemanıdır.
Üç uçlu devre elemanlarının bu özelliği ilk bakışta çok önemli görülmeyebilir. Ancak durum gerçekte böyle değil. Üç uçlu devre elemanları bir araya getirilerek “ve”, “veya”, “değil” gibi mantık işlemlerini gerçekleştiren mantık kapıları, mantık kapıları bir araya getirilerek karar verici elektronik devreler ve bilgiyi işleyebilen gelişmiş işlemciler, bunların sonucunda da bilgisayarlar yapılabilir.
Aslında yaşam tarzımızı değiştiren teknolojinin altında üç uçlu devre elemanlarının yattığını söylemek daha doğru olur. Peki bunun yarı iletkenlerle ilişkisi nedir? Yarı iletkenler olmadan da transistör gibi üç uçlu devre elemanları yapılamaz mı?
İlk elektronik bilgisayar olan ENIAC
Elbette yapılabilir. Yarı iletken transistörlerden önce transistör görevi gören vakum tüpleri kullanılıyordu. Ancak vakum tüplü transistörlerin dezavantajları çok fazlaydı. Öncelikle boyutları çok büyüktü. Öyle ki vakum tüplerinin kullanıldığı ilk bilgisayarlar neredeyse bir ev kadar yer kaplıyordu ve kütlesi tonlarla ifade ediliyordu. Örneğin vakum tüplü transistörlerle yapılmış ilk bilgisayar olan ENIAC 167 m2 alan kaplıyordu ve 30 ton kütleye sahipti. Ayrıca vakum tüpleri çalıştırılmaya başlandıktan birkaç dakika sonra işlevsel hâle geliyordu. Çünkü vakum tüplerinin etkili çalışabilmesi için ısınması gerekiyordu. Vakum tüplerinin küçültülerek günümüzdeki tümleşik devrelerinde kullanılması mümkün değildi.
Vakum tüpleri
1940’lı yıllarda yarı iletken malzemeler elektriksel özelliklerinden dolayı transistörlerin yapımında kullanılmaya başlandı. Böylece çok küçük boyutlarda milyarlarca transistörü barındıran tümleşik devreler yapılabildi. Bugün cep telefonları, hızlı bilgisayarlar ve internet sayesinde yaşam tarzımızın değişmesi, yarı iletkenler kullanılarak üretilen üç uçlu devre elemanları yani transistörler sayesinde mümkün oldu.