Yarı İletkenler: Diyot, Transistör, Tristör ve Entegre Devreler

Bir CNC tezgahının kontrol ünitesi, bir PLC, bir invertör kaynak makinesi, bir motor hız kontrol cihazı (frekans invertörü) ya da cebinizdeki telefon… Bunların hepsinin kalbinde, milimetrenin binde biri ölçeğinde çalışan küçük elemanlar vardır: yarı iletkenler.

Bu yazıda yarı iletken nedir, N tipi ve P tipi yarı iletken nasıl elde edilir, PN birleşimi neden akımı tek yönde geçirir, diyot, LED, transistör ve tristör nasıl çalışır ve bu elemanlar makine ve otomasyon teknolojisinde nerelerde kullanılır sorularını ele alıyoruz.

Yarı İletken Nedir?

Malzemeler elektriği iletme özelliklerine göre üç gruba ayrılır:

Grup	Elektrik iletkenliği	Örnekler
İletkenler	Çok iyi. Çok sayıda serbest elektron vardır	Gümüş, bakır, alüminyum
Yarı iletkenler	Saf halde çok düşük. Katkılandığında ya da ısıtıldığında artar	Silisyum (Si), germanyum (Ge)
Yalıtkanlar	Neredeyse hiç yok	Porselen, cam, plastikler

Elektronikte kullanılan yarı iletkenlerin başında silisyum (silikon) gelir. Eskiden germanyum da yaygındı. Bu elementler kimyasal olarak dört değerlidir, yani en dış kabuklarında 4 elektron bulunur. Kristal yapıda her atom, dört komşusuyla bu elektronları paylaşarak sıkı bağlar kurar. Bu yüzden saf silisyumda serbest elektron neredeyse yoktur ve elektrik iletkenliği çok düşüktür.

Yarı iletken elemanlar, çok saf kristallerden ve toz ve kirden arındırılmış özel temiz odalarda üretilir. Çok küçük bir kirlilik bile elemanın elektriksel özelliklerini bozabilir.

Katkılama: N Tipi ve P Tipi Yarı İletken

Yarı iletkenleri işe yarar hale getirmek için saf kristale çok küçük miktarlarda başka elementler eklenir. Bu işleme katkılama (doping) denir. Katkılama, kristal yapıyı bilinçli olarak “bozar” ve iletkenliği kontrollü şekilde artırır.

N Tipi Yarı İletken

• Silisyuma beş değerli bir element katılır. Örneğin fosfor, arsenik ya da antimon.
• Katkı atomunun 5 elektronundan 4’ü komşularla bağ kurar, beşincisi açıkta kalır ve serbestçe hareket edebilir.
• Kristalde elektron fazlalığı oluşur. Akımı negatif yüklü elektronlar taşır.
• “N” harfi negatif sözcüğünden gelir.

P Tipi Yarı İletken

• Silisyuma üç değerli bir element katılır. Örneğin bor, alüminyum, galyum ya da indiyum.
• Katkı atomunun yalnızca 3 elektronu vardır ve bağlardan biri eksik kalır. Bu eksikliğe delik (boşluk, oyuk) denir.
• Kristalde elektron eksikliği oluşur. Komşu bir elektron bu deliğe atladığında delik başka bir yere kayar. Delikler pozitif yük taşıyıcısı gibi davranır.
• “P” harfi pozitif sözcüğünden gelir.

PN Birleşimi: Elektriğin Çek Valfi

Bir P tipi yarı iletken ile bir N tipi yarı iletken bir araya getirildiğinde, sınırlarında PN birleşimi (PN eklemi) oluşur. Yarı iletken elemanların neredeyse tamamı bu birleşime dayanır.

İletim Yönü (İleri Kutuplama)

• P bölgesine (+), N bölgesine (-) kutup bağlanır.
• N bölgesindeki fazla elektronlar ve P bölgesindeki delikler, birleşim sınırına doğru itilir.
• Elektronlar sınırı geçerek delikleri doldurur ve devre boyunca hareket etmeye devam eder.
• Akım geçer. Silisyumda bunun için yaklaşık 0,6 – 0,7 V’luk bir eşik gerilimi aşılmalıdır.

Tıkama Yönü (Ters Kutuplama)

• P bölgesine (-), N bölgesine (+) kutup bağlanır.
• Elektronlar ve delikler birleşim sınırından uzaklaşır.
• Sınırda yük taşıyıcısı olmayan bir yalıtkan bölge (tükenim bölgesi) oluşur.
• Akım geçmez.

Sonuç olarak PN birleşimi akımı bir yönde geçirir, diğer yönde engeller. Bu davranış hidrolikteki çek valfe benzer. Yarı iletken elemanların çalışması bu “çek valf” etkisine dayanır.

Diyot

Diyot Nedir?

Yarı iletken diyot, tek bir PN birleşiminden oluşan, iki bağlantılı bir elektronik elemandır.

• P tarafındaki bağlantıya anot (A), N tarafındaki bağlantıya katot (K) denir.
• Devre şemasında diyot, bir ok ve önündeki bir çizgiyle gösterilir. Ok yönü, akımın geçebildiği yönü gösterir.
• Diyot akımı ok yönünde (anottan katoda) geçirir, ters yönde geçirmez.
• Diyot gövdesindeki halka ya da çizgi, katot tarafını gösterir.

Diyot Ne İşe Yarar?

Doğrultma: Diyotların en önemli görevi alternatif akımı doğru akıma çevirmektir (doğrultma).

• Yarım dalga doğrultma: Tek bir diyot, alternatif akımın yalnızca bir yarım dalgasını geçirir.
• Tam dalga (köprü) doğrultma: Dört diyottan oluşan bir köprü devresi (Graetz köprüsü), alternatif akımın iki yarım dalgasını da aynı yöne çevirir.
• Doğrultulmuş akım dalgalıdır. Bir kondansatör yardımıyla düzeltilerek düzgün bir doğru akıma yaklaştırılır.

Ayrıca diyotlar:

• Elektrik sinyallerinin ayrılması ve birleştirilmesi
• Devrelerin ters kutup bağlantısına karşı korunması
• Röle ve selenoid valf bobinlerinde, kapatma anında oluşan gerilim darbelerinin sönümlenmesi (serbest geçiş diyotu)

için kullanılır.

Diyot Türleri

Diyot türü	Özelliği	Kullanım alanı
Doğrultucu diyot	Akımı tek yönde geçirir	Güç kaynakları, şarj cihazları, kaynak makineleri
Zener diyot	Ters yönde belirli bir gerilimde (zener gerilimi) iletime geçer ve gerilimi sabit tutar	Gerilim sabitleme (regülasyon), aşırı gerilim koruması
LED (ışık yayan diyot)	İletim yönünde akım geçtiğinde ışık yayar	Aydınlatma, gösterge lambaları, ekranlar, optik sensörler
Fotodiyot	Üzerine düşen ışığa göre akım geçirir	Işık sensörleri, optik kodlayıcılar (enkoderler), ışık bariyerleri
Güneş hücresi (fotovoltaik)	Üzerine ışık düştüğünde gerilim üretir	Güneş panelleri

LED, eski akkor lambalara göre aynı ışık için çok daha az enerji harcar ve çok uzun ömürlüdür. Bugün aydınlatmanın, tezgah gösterge lambalarının ve ekranların neredeyse tamamı LED tabanlıdır.

Transistör

Transistör Nedir?

Transistör, üç yarı iletken katmandan oluşan ve küçük bir akımla büyük bir akımı kontrol edebilen elektronik elemandır. Katmanların sırasına göre iki tür transistör vardır:
NPN transistör ve PNP transistör

Her katmana bir bağlantı ucu bağlıdır:

1. Emiter (E): Bir uçtaki katman
2. Kolektör (C): Diğer uçtaki katman
3. Beyz (B): Ortadaki, çok ince katman

Transistör Nasıl Çalışır?

Bir transistörde emiter ile kolektör arasında iki PN birleşimi vardır ve bunlardan biri her zaman tıkama yönündedir. Bu yüzden:

• Beyze kontrol akımı verilmezse: Emiter ile kolektör arasında akım geçmez. Transistör kapalıdır.
• Beyz ile emiter arasına küçük bir kontrol akımı (I_B) verilirse: Tıkama etkisi ortadan kalkar ve kolektör ile emiter arasında büyük bir akım (I_C) geçer. Transistör açılır.

NPN transistörde akım kolektörden emitere, PNP transistörde ise emiterden kolektöre doğru akar.

Kolektör akımı, beyz akımının yaklaşık 100 katı (ya da daha fazlası) olabilir. Bu orana akım kazancı denir.

Transistörün İki Temel Görevi

1. Yükselteç (kuvvetlendirici) olarak: Küçük bir giriş sinyali, transistörle büyük bir çıkış sinyaline dönüştürülür. Mikrofonlardan, sensörlerden gelen zayıf sinyaller bu şekilde güçlendirilir.
2. Anahtar olarak: Transistör, küçük bir kontrol akımıyla büyük bir akımı açıp kapatır. Mekanik bir anahtardan farklı olarak hareketli parçası yoktur, aşınmaz ve saniyede binlerce, hatta milyonlarca kez açılıp kapanabilir.

Örnek: Bir PLC’nin transistör çıkışı, işlemciden gelen birkaç miliamperlik bir sinyalle bir rölenin, bir selenoid valfin ya da bir gösterge lambasının çektiği yüzlerce miliamperlik akımı açıp kapatır.

Alan Etkili Transistörler (MOSFET) ve IGBT

Günümüzde klasik (bipolar) transistörlerin yanında alan etkili transistörler (FET, MOSFET) de çok yaygındır. Bunlar beyz akımı yerine gerilimle kontrol edilir ve neredeyse hiç kontrol akımı çekmez.

IGBT (yalıtılmış kapılı bipolar transistör) ise MOSFET’in kolay kontrolü ile bipolar transistörün yüksek akım taşıma özelliğini birleştirir.

IGBT’ler: Frekans invertörlerinde (asenkron motorların hız kontrolünde), İnvertör kaynak makinelerinde, Endüksiyon ısıtma cihazlarında ve Elektrikli araçların motor sürücülerinde kullanılır.

Tristör

Tristör Nedir?

Tristör, dört yarı iletken katmandan (PNPN) oluşan, kontrol edilebilen bir doğrultucudur. Üç bağlantı ucu vardır:

1. Anot (A)
2. Katot (K)
3. Kapı (G, gate): Kontrol elektrodu

Tristör Nasıl Çalışır?

1. Kontrol edilmediği sürece tristör akımı her iki yönde de engeller.
2. Anot ile katot arasında pozitif bir gerilim varken kapıya kısa bir akım darbesi (tetikleme darbesi) verilirse, tristör iletime geçer.
3. Tristör bir kez iletime geçtikten sonra, kapı darbesi kalksa bile, anottan katoda akım geçtiği sürece iletimde kalır.
4. Akım sıfıra düştüğünde (örneğin alternatif akımın her yarım dalgasının sonunda) tristör yeniden tıkama durumuna geçer ve bir sonraki tetikleme darbesine kadar öyle kalır.

Tetikleme darbesinin her yarım dalgada ne zaman verildiği değiştirilerek, tüketiciye giden ortalama akım ve güç kademesiz olarak ayarlanabilir. Buna faz açısı kontrolü denir.

Tristörün Kullanım alanları

• Ayarlanabilir doğru akım kaynakları
• Doğru akım motorlarının hız kontrolü
• Elektrikli fırınların ve ısıtıcıların güç kontrolü
• Kaynak makineleri ve galvanik kaplama doğrultucuları

Triyak, iki tristörün ters paralel bağlanmış haline benzer ve alternatif akımı her iki yönde kontrol edebilir. Işık ayarlayıcılarda (dimmer), el matkaplarının hız ayarında ve küçük motorların kontrolünde kullanılır.

Entegre Devreler (IC)

Entegre devreler (tümleşik devreler, IC, çip), çok küçük bir silisyum plaka üzerinde, çok sayıda diyot, transistör, direnç ve kondansatörün birlikte üretildiği devrelerdir.

• Yalnızca birkaç milimetrekarelik bir silisyum yongası üzerine, basit devrelerde onlarca, modern işlemcilerde ise milyarlarca transistör yerleştirilebilir.
• Entegre devreler; tam bir yükselteç, sayısal hesaplama elemanı, bellek ya da bir kontrol birimi içerebilir.

Entegre devrelerin avantajları:

• Çok küçük hacim ve hafiflik
• Yüksek güvenilirlik, çünkü bağlantı noktası sayısı azdır
• Düşük enerji tüketimi
• Seri üretimde düşük maliyet

Mikroişlemciler, mikrodenetleyiciler ve bellek çipleri, entegre devrelerin en bilinen örnekleridir. CNC kontrol üniteleri, PLC’ler, sensörlerin içindeki değerlendirme devreleri ve günümüzdeki hemen her elektronik cihaz entegre devrelere dayanır.

Yarı İletken Elemanların Karşılaştırması

Eleman	Katman yapısı	Bağlantı uçları	Temel görevi	Tipik kullanım
Diyot	PN	Anot, katot	Akımı tek yönde geçirmek	Doğrultma, koruma
Zener diyot	PN (özel)	Anot, katot	Gerilimi sabit tutmak	Gerilim regülasyonu
LED	PN (özel)	Anot, katot	Işık yaymak	Aydınlatma, göstergeler
Transistör	NPN / PNP	Emiter, beyz, kolektör	Akımı yükseltmek ya da anahtarlamak	Yükselteçler, PLC çıkışları
MOSFET / IGBT	Özel yapılar	Kaynak/kapı/akaç ya da E/G/C	Büyük güçleri hızla anahtarlamak	Frekans invertörleri, invertör kaynak
Tristör	PNPN	Anot, katot, kapı	Kontrollü doğrultma	Güç ve hız kontrolü
Triyak	Özel	A1, A2, kapı	AC’yi iki yönde kontrol	Dimmer, el aleti hız ayarı
Entegre devre	Çok sayıda eleman	Çok sayıda bacak	Karmaşık işlevler	İşlemciler, bellekler, kontrolcüler

Makine Teknolojisinde Yarı İletkenlerin Kullanımı

Yarı iletkenler, modern makinelerin neredeyse her biriminde yer alır:

• Kontrol üniteleri: CNC kontrolleri, PLC’ler ve robot kontrolcüleri mikroişlemcilerle çalışır. PLC çıkışlarında transistörler, girişlerde ise optokuplörler kullanılır.
• Motor sürücüleri: Frekans invertörleri, IGBT’lerle asenkron motorların devrini kademesiz olarak ayarlar. Servo ve step motor sürücüleri de güç transistörleriyle çalışır.
• Kaynak makineleri: Klasik kaynak makinelerinde doğrultucu diyotlar, modern invertör kaynak makinelerinde ise IGBT ya da MOSFET’ler bulunur. İnvertör teknolojisi sayesinde kaynak makineleri çok daha hafif ve verimli hale gelmiştir.
• Sensörler: İndüktif ve kapasitif yaklaşım sensörleri, fotoelektrik sensörler (ışık bariyerleri) ve optik enkoderler, içlerindeki yarı iletken devrelerle çalışır.
• Güç kaynakları: 24 V DC kumanda gerilimini üreten güç kaynakları diyot ve transistörlerle çalışır.
• Aydınlatma ve göstergeler: Tezgah aydınlatmaları ve sinyal lambaları LED’lidir.

Sonuç

Yarı iletkenler, saf halde elektriği çok az iletirken, katkılama ile kontrollü şekilde iletken hale getirilebilen malzemelerdir. Beş değerli elementlerle katkılanan N tipi, üç değerli elementlerle katkılanan P tipi yarı iletken bir araya geldiğinde PN birleşimi oluşur. PN birleşimi, bir çek valf gibi akımı yalnızca bir yönde geçirir.

Diyotlar bu özellikle alternatif akımı doğrultur. LED’ler ışık yayar, zener diyotlar gerilimi sabit tutar. Transistörler küçük bir kontrol akımıyla büyük bir akımı yükseltir ya da anahtarlar. Tristörler kontrollü doğrultma ile güç ve hız ayarı sağlar. Entegre devreler ise milyarlarca elemanı tek bir çipte birleştirir. CNC tezgahlarından PLC’lere, frekans invertörlerinden invertör kaynak makinelerine kadar modern makine teknolojisinin tamamı bu küçük elemanlar üzerine kuruludur.

Sıkça Sorulan Sorular