Yarı İletken Teknolojisi

Selam değerli okurlarımız. Bu yazımızda insanlık tarihinin en önemli icatlarından birisi olan yarı iletken teknolojisinin tarihini, gelişimini aktaracağız. Etrafta gördüğünüz elektrik ile çalışan hemen hemen her şeyin içinde yarı iletken teknolojisi bulunmaktadır. Çeşitlerini ve yapıları ile ilgilide bahsedeceğiz. İşte ilk yarı iletken türünden olan transistörler…

Transistör

BJT Tipi Transistör

Transistör kelimesi yapı olarak iki kelimeden oluşmaktadır. “Transfer” yani aktarma ve “resistör” yani “direnç” anlamında iki kelimeden oluşmaktadır. İlk olarak 1947 yılında transistörün prototipi yapılmıştır. Yapısında germanyum kullanılan bu transistör oldukça başarılı olmuştur. Aynı zamanda 1906 yılında keşfedilen “Elektron Lambalarının” yerini almıştır. Bu lambalar ilk bilgisayarlarda, radyolarda, telefonlarda sinyal güçlendirme ve ses sistemlerinde kullanılmıştır. Lambaların temel sorunları aşırı ısınma kısa ömür ve yavaş bir şekilde çalışmaya başlaması gibi birçok problemi bulunmaktadır. Elektron lambaları sıcaklığı arttığı zaman çalışmaktadır. Bu yüzden çalışmaya oldukça geç başlamaktadır. Lamba ısınınca ise yüksek derecelere ulaşmaması lazımdı. Çünkü lambalar çabuk arıza yapmaktaydı. Transistörü yapan ekip onu bir lambalı radyonun içine yerleştirdi. Radyoyu çalıştırdıklarında hızlı bir şekilde çalışmaya başladığını, sesin daha güzel geldiğini ve sinyalin daha az parazitlendiğini söylemişlerdir.

1952 yılında transistörler geliştirildi ve boyutları küçültüldü. 50’li yılların sonlarında transistör sayısı yılda 28-35 milyon arasında sayıda üretilecekti. Transistör geliştirilerek ilk prototipinde kullanılan germanyum, yerini silisyuma bırakacaktır. Yeni teknikler sayesinde transistörler saniyede milyonlarca kez gerçekleşen akım kesme, akım aktarma işlemini yapabilecektir. Bu sayede birçoğu atom fiziği, uzay projeleri gibi astronomik hesaplamalarda kullanılan bilgisayarlar transistör ile çalışmaya başlayacaktı.

NPN Tipi Transistörün Şeması

Transistör çalışma şekli olarak bir musluğa benzetebiliriz. Muslukta üç uç noktası vardır. Vana, su girişi ve su çıkışı. Musluğun vanasını ise su ile kontrol edebilelim. Vanada su basıncı olmadığı için musluk su akışını gerçekleştiremez. Su basıncı arttığında ise vana hareket eder ve musluktan su akışı gerçekleşir. Bir transistör de buna benzer şekildedir. Transistörler de genelde üç uç noktadan yani pinlerden oluşmaktadır. Bunlar “collector”, “base” ve “emitter” isimli pinlerdir. Eğer bir transistörün collector ve emitter ucuna elektrik bağlarsanız bunun geçebilmesi için base ucuna bir akım vermeniz gerekmektedir. Sinyal olmadığı için transistörün direnci artmaktadır. Sinyal oluştuğu zaman ise neredeyse bir kablo kadar iletken olmaktadır. Ayrıca sinyali kontrol ederseniz, geçen elektriğin değerini ayarlayabilirsiniz.

Transistörlerin birçok çeşidi bulunmaktadır. Transistörler tür olarak NPN (Negatif-Pozitif-Negatif) ve PNP (Pozitif-Negatif-Pozitif) olmak üzere temel olarak ikiye ayrılmaktadır. NPN, negatif akımı pozitif akım ile tetikleyerek geçirmektedir. PNP ise tam tersi, pozitif akımı negatif akım ile tetikleyerek geçirmektedir. Transistörler yapısal olarak ise BJT (bipolar junction transistor) ve MOSFET(metal oxide semiconductor field efect transistor) olarak ayrılmaktadır. BJT tipi transistörde base pinine akım vererek elektrik geçişi yaşanmaktadır. MOSFET tipinde pinlerin isimleride değişmektedir. Collector pini “drain”, base pini “gate”, emitter pini ise “source” ismini almaktadır. BJT’den farklı olarak elektrik akım ile değil, gerilimi ile kontrol edilmektedir. Ayrıca BJT’ye kıyasla yüksek voltaj ve akıma sahip elektriği geçirebilmektedir.

Transistörler bilgisayarları oluşturan en önemli parçadır. Çünkü bilgisayarlar ikili sistemlerle çalışmaktadır. İkili sistemin durumunu oluşturan malzeme elbette bir transistördür. Bu sayede işlemci gibi ana parçalarda kullanılmaktadır. İlk mikroişlemciler Texas Instruments tarafından üretilmiştir. Adı TMS1802NC’i üretti. Ardından Intel 4004′ üretti. Bu iki çip dünyadaki ilk mikroişlemcilerdir. Ardından mikroişlemciler farklı firmalar tarafından üretilmeye başlandı. İçlerindeki devrelerde kullanılan transistörler küçülmeye başladı. Günümüzde 7 nanometreye (1 nanometre = 0,000000001 metre) kadar küçülmüştür. Sırf boyutları yüzden firmalar çipler üretilirken hatalı olmasın diye tozdan arındırılmış fabrikalar kurmaktadır. Ardından sayıları arttı. Bazı işlemcilerin içindeki transistör sayısını görebilmek için bu linke tıklabilirsiniz. Her iki yılda bir çipin içindeki transistör sayısının iki katına çıkıldığı iddia edilmektedir. Elbette bir yere kadar.

Diyot

Önemli bir yarı iletken teknolojisi olan diyot, akımı tek bir yönde ilerlemesini ve akımın ters yönden aktarılmasını engellemektedir. İsim olarak iki kelimeden oluşmaktadır. Latince (diode) “di” kelimesi iki sayısına, “ode” kelimesi yol anlamına gelmekte olan diyot, 1873 yılında pozitif yüklü bir metal levhanın nötr sıcak metalin yaklaştığında, pozitif yüklü levhanın temas olmadan deşarj olabilmesi keşfedilmiştir. Aynı işlem önceden pozitif yüklü olan levhaya negatif yüklendiğinde gerçekleşmemiştir. Buradan çıkacak olan sonuç, akımın tek yönde ilerlediğini sonucunu ortaya çıkarmıştır. Bu özelliği sayesinde birçok kullanım alanı açılmıştır. Mesela AC akımı DC akıma çevirmekte olan devrelerde, ters bağlantıları önlemekte, çalışan elektrik motorunun elektriğini kesilmesine rağmen motor milinin yavaşlarken ortaya çıkan elektriğin devreye zarar vermemesi için, en ünlü diyot çeşidi olan LED teknolojisinin aydınlatma, sanat gibi birçok yerde kullanılmaktadır.

Aslında transistörlerde diyot yapısındadır. Diyotlar akımı yapısına göre pozitif yükten negatif yüke veya negatif yükten pozitif yüke aktarmaktadır. Transistörlerde temel olarak diyotların yapısındadır. Transistörlerde PNP türünde pozitiften negatife geçilebilmesi için negatif yükün yani base pinine akım verilmesi gerekmektedir. Negatiften sonra pozitife aktarılmaktadır. NPN tipinde ise tam tersi olmaktadır. Diyotlar her ne kadar akımı tek yönde iletse de ters yönde gelen akıma karşı belirli bir kırılma noktası bulunmaktadır. Bu nokta diyotun datasheeti üzerinde yazmaktadır. Aşağıdaki grafikte bu olay anlatılımıştır.

Diyotun Matematiksel Grafiği. Eğer ters tönde yaklaşık olarak 50 voltluk gerilimin akımı ters bağlanırsa diyot ters yönde akım geçirmeye başlıyacaktır.
Diyotun Şema ile Gösterimi

Diyotlar daha öncede bahsediğim gibi birçok çeşidi bulunmaktadır. Diyotların bazı önemli çeşitleri sizlere aktaracağım. Bu diyotlardan ilki aralarındaki en ünlüsü olan LED ile başlayalım.

LED

LED
Birçok LED’in birleşmesiyle oluşan aydınlatma ve dekoratif amaçlı şerit led.

1960’lı yıllarda diyotlar ile ilgili araştırma yapılan bir laboratuvarda silikon levha ve altından iğne ile yapılan deneyde silikon ile altın levha arasındaki temas noktasında oldukça zayıf sarı renkte ışık parlamıştır. Şaşırtıcı derecede akımın yönü ters çevrilince ışık söner ve tıpkı diyot gibi akım geçirememiştir. Bulunan bu teknoloji, hem ışık yaydığı için hemde diyot gibi davrandığı için Light Emitting Diode (Işık Yayan Diyot) ismini almıştır. Günümüzde LED teknolojisi aydınlatmalarda, ekranlarda vb. gibi kullanım alanları vardır.

Schottky Diyot

Her alanda olduğu gibi birçok diyotta olan dezavantajlar vardır. Bunlardan ilki her elektrik elemanında olduğu gibi direnç faktörü vardır. Bazı diyotlarda 1 volt gibi yüksek değerlerde gerilim kaybedilmektedir. Schottky diyot ise daha az kayıp vermektedir (Yaklaşık olarak %40 daha az). Diyotlar, yüksek miktarda frekansa sahip devrelerde yeterince hızlı çalışamamaktadır. Bu yüzden hızlı frekanslara sahip devrelerde schottky diyot kullanılmaktadır. Diyotlar her ne kadar akımı ters yönde iletmemesine rağmen belirli kaçaklar oluşmaktadır. Her ne kadar birçok avantaja sahip olan schottky diyot, kaçak miktarı diğerlerinden daha fazladır. Kullanım alanları oldukça geniştir. Neredeyse her devrede en az bir adet bulunmaktadır.

Zener Diyot

Bazı alanlarda belirli voltajda çalışmasını istediğimiz devreler yapmamız gerekebilir. Ama devre gerekli voltajdan az voltaj alırsa arıza yapmaktadır. Bu yüzden belirli voltajda ters akım geçiren diyotlar olduğunu söylemiştik. Bu tür diyotta bu işlem kasıtlı olarak yapılmaktadır. Diyotun kaçak akımının değerini yine datasheetine bakarak öğrenebilirsiniz. Böylece devreye sabit voltaj verilmiştir. Regülatör gibi sabitleme devrelerinde kullanılmaktadır.

Fotodiyot

Herhangi bir ışık kaynağından gelen foton demetlerini elektrik sinyallerine çevirerek, devrenin üzerinden yalnızca ışık bulunduğu sürece akım geçirmektedir. Güneş paneline benzer şekilde çalışan bu teknoloji küçük değerlerde elektrik üretebilmektedir. Aslında tüm diyotlar ışık altında belirli miktarda elektrik üretmektedir. Ancak çok küçük değerlere sahiptir. Kullanım alanları karanlıkta yanan lambalar gibi basit devrelerde bile kullanılabilmektedir.

Entegre Devre (IC, Mikroçip)

Solda devrenin iç kısımı sağda ise tümdevrenin ana yapısı

Büyük miktarda hacime sahip ve genelde aynı yapıda olan devreler, fotolitografi tekniği sayesinde silikon levhaların üzerine basılarak, boyutları küçültülmüş neredeyse toplu iğne başı kadar küçük alanda binlerce hatta milyonlarca parçayı yerleştirip, yüzlerce devreyi sığdırabilmektedir. İlk olarak İkinci Dünya Savaşından sonra ses yükseltici devre olarak kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Zaman ilerledikçe geliştirilmiştir. Ayrıca bu devreler hacim alanı kaplamaması ve düşük maliyetli olması dünyada tümdevre borsasını oluşturmuş ve yaklaşık 400 milyar dolar gibi değere sahip olmuştur. Kullanım alanları bazı deneysel laboratuvarlar, basit elektronik devreler, termostat devreleri gibi birçok alanda kullanılmaktadır.

İşlemci

Yarı iletken teknolojisinin ulaştığı en gelişmiş en son noktadır. Telefonlar, bilgisayarlar, uçaklar, arabalar, televizyonlar vb. her cihazda bulunabilen bu teknoloji, 1970’li yıllarda kullanılmaya başladı. Kişiye özel bilgisayarların (PC) ortaya çıkması ile birlikte bilgisayarların hesaplama gibi birçok işlemi gerçekleştirmesi için tasarlandı. İçlerinde milyonlarca transistörle oluşturulan devreler, inanılmaz hızlarda çalışabilmektedir. Devreler arasında oluşan kesme-bağlama işlemleri ile ikili sistemi, mantık devrelerinin üzerinde oturtmaktadırlar. Bilgi depolama, geçici saklama gibi birçok işlemde devreler arası kesme-bağlama işlemleri ile oluşmaktadır. İçlerindeki transistör sayılarının miktarı ve transistörlerin boyutları akıl almaz derecede küçüktür. Transistör başlığı altında biraz bahsetsemde, yarı iletken teknolojisi sayesinde mantık devreleri oldukça küçülmüştür. Düşünsenize sadece işlemcinin araba büyüklüğünde olduğunu… Boyutları küçülmeye devam etmekte ve içindeki eleman sayıları ise Moore Yasasına göre her iki yılda bir iki katına çıkmaktadır.

İşlemcinin çalışabilmesi için belirli yazılıma ihtiyaç duymaktadır. Bu yazılımları işlemci dışındaki hafızalarda depolanır. İşlemci ikili sisteme göre yazılımı çalıştırır. Tıpkı eleme sistemi gibi her bit ayrı transistörden geçerek yapılan komutu yürütür. Ne kadar az direnç varsa ve ne kadar çok transistör varsa işlemci yazılımı o kadar hızlı yürütür. Yürütülen yazılım programcı tarafından yazılmıştır, program tarafından makine diline çevrilmiş, oradan ikili sisteme dönüştürülmüştür. Sıcaklık arttığı için devrelerde artmaktadır. Eğer soğutma işlemi düzgün yapılmaz ise işlemcinin performansı zamanla azalacaktır. Soğutma işlemi iki çeşittir; aktif soğutma, pasif soğutma olarak adlandırılır. Aktif soğutma fan, sıvı soğutma gibi teknikle yapılan soğutma çalışmalarına denir. Pasif soğutma alüminyum, bakır gibi levhalar ile yapılmaktadır. Bu levhalar ısıyı ileterek işlemciden uzaklaştırır ve levha soğumaya başlar. Bilgisayarlarda iki sistem bir arada kullanılarak daha verimli soğutma elde edilerek, işlemci performansı korunmaya çalışılır. İşlemciler, uzun vadede kullanılması için soğutulması ve temizliği çok önemlidir.

Bu yazımızda sizlere günümüzün en önemli teknolojisi olan yarı iletken teknolojisinden bahsettik. İstek ve önerileriniz için umutmertugul@gmail.com mail adresinden bana ulaşabilirsiniz. Sonraki yazımıza kadar sağlıklı mutlu kalın.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir