4_Elektrotehnicki materijali i elementi_tr.indd

Transkript

JANETA SERVİNİ
VLADİMİR ROME Y
ANİ SERVİNİ
ELEKTROTEKNİK
MALZEMELERİ VE ELEMANLARI
I (birinci) SINIF – ELEKTROTEKNİK MESLEĞİ
tüm eğitim profilleri için
Üsküp, 2014 yılı.
Yazarlar:
Mr. Janeta Servini,
Elek. Müh. Vladimir Rome,
Elek. Müh. Yani Servini
Denetleme:
Prof. Dr. Stoyan Deskovski,
Elek. Müh. Suza Blajevska,
Elek. Müh. Eftim Peyovski
Editör:
Janeta Sarvini
İlustrasyon ve grafik düzenleme:
Vladimir Rome
Kapak tasarım:
Vladimir Rome
Düzeltici:
Gülser Klinçe
Çeviri:
Sakip Saliji
Redaksiyon:
Dr. Fatima Hocin
Yayıncı:
Makedonya Cumhuriyeti Eğitim ve Bilim Bakanlığı
Basimevi:
Graficki centar dooel, Üsküp
22-4236/1 no’lu ve 28.07.2010 tarihli karar ile Makedonya Cumhuriyeti Eğitim ve Bilim Bakanlığı
tarafından kitabın kullanımını onaylandı.
&,3Ʉɚɬɚɥɨɝɢɡɚɰɢʁɚɜɨɩɭɛɥɢɤɚɰɢʁɚ
ɇɚɰɢɨɧɚɥɧɚɢɭɧɢɜɟɪɡɢɬɟɬɫɤɚɛɢɛɥɢɨɬɟɤɚ³ɋɜɄɥɢɦɟɧɬɈɯɪɢɞɫɤɢ´ɋɤɨɩʁɟ
ɋȿɊȼɂɇɂɀɚɧɟɬɚ
ȿɥɟɤɬɪɨɬɟɯɧɢɱɤɢɦɚɬɟɪɢʁɚɥɢɢɟɥɟɦɟɧɬɢ,ɩɪɜɚɝɨɞɢɧɚ
ɟɥɟɤɬɪɨɬɟɯɧɢɱɤɚɫɬɪɭɤɚɡɚɫɢɬɟɨɛɪɚɡɨɜɧɢɩɪɨɮɢɥɢɀɚɧɟɬɚɋɟɪɜɢɧɢȼɥɚɞɢɦɢɪ
ɊɨɦɟȳɚɧɢɋɟɪɜɢɧɢɋɤɨɩʁɟɆɢɧɢɫɬɟɪɫɬɜɨɡɚɨɛɪɚɡɨɜɚɧɢɟɢɧɚɭɤɚɧɚɊɟɩɭɛɥɢɤɚ
Ɇɚɤɟɞɨɧɢʁɚ>@ɫɬɪɢɥɭɫɬɪɫɦ
Ȼɢɛɥɢɨɝɪɚɮɢʁɚɫɬɪ>@
,6%1
Ɋɨɦɟȼɥɚɞɢɦɢɪ>ɚɜɬɨɪ@ɋɟɪɜɢɧɢȳɚɧɢ>ɚɜɬɨɪ@
&2%,660.,'
„Malzemesiz mühendislik yoktur.”
Anonim
İÇİNDEKİLER
Önsöz ................................................................................................................................ ix
1. ELEKTROTEKNİK MALZEMELERE GİRİŞ ..................................................... 1
1.1. Maddenin atom yapısı .............................................................................................. 3
1.2. Elektroteknik malzemelerin madde halleri ........................................................... 5
1.3. Kimyasal bağlar ................................................................................................................................... 7
1.3.1. İyonik bağ ................................................................................................................................... 8
1.3.2. Kovalent bağ ............................................................................................................................ 9
1.3.3. Metalik bağ ............................................................................................................................ 10
1.4.Maddenin yapısal parçacıklarının dizilişine göre
malzemelerin sınıflandırılması ..................................................................................... 10
1.4.1. Monokristal yapı..................................................................................................................... 10
1.4.1.1. Kristal yapı kusurları ......................................................................................................... 12
1.4.2. Polikristal yapı ........................................................................................................................ 13
1.4.3. Kristal olmayan yapılar........................................................................................................ 13
1.5. Yasak enerji bölgelerinin büyüklüklerine göre elektroteknik
malzemelerin sınıflandırılması ..................................................................................... 15
1.5.1. Yasak enerji bölgesinin oluşması..................................................................................... 15
1.5.2.Yasak bölgenin genişliğ i ve özdirençlerine göre
malzemelerin sınıflandırılması...................................................................................................... 17
1.6. Elektroteknik malzemelerin manyetik özelliklerine göre sınıflandırılması ....... 20
Tekrarlama soruları...................................................................................................................................... 21
2. İLETKEN MALZEMELER .............................................................................. 23
2.1. İletken malzemelere giriş ....................................................................................... 25
2.2. İletken malzemelerin özellikleri ............................................................................................... 26
2.2.1. Elektriksel özellikleri............................................................................................................. 26
2.2.2 İletkenlerin diğer önemli özellikleri ............................................................................... 27
2.3. İletken madde türleri .............................................................................................. 30
2.3.1. Öz iletkenliği yüksek ola metaller ................................................................................... 30
2.3.1.1. Bakır, alüminyum, gümüş ve altının özelliklerini
karşılaştırma yaparak analiz etmek ....................................................................................... 30
2.3.2. Süper iletkenler ..................................................................................................................... 32
2.3.2.1. Süper iletkenlerin fiziksel özellikleri ..................................................................... 33
2.3.2.2. Süper iletken maddeler ............................................................................................. 34
2.3.2.3. Süper iletkenler ve kablolar ..................................................................................... 36
2.3.3. Düşük öz iletkenliğe sahip elektrik malzemeleri ve dirençli malzemeler ......... 37
2.3.3.1. Dirençler ve ısıtıcılar.................................................................................................... 39
2.3.4. Özel iletken malzemeler ..................................................................................................... 45
2.3.4.1. Termoelektrik algılayıcılar ......................................................................................... 45
2.3.4.2. Lehimler .......................................................................................................................... 46
2.3.4.3. Elektrik sigortaları ........................................................................................................ 48
2.3.4.4. Elektrik kontakları ........................................................................................................ 49
2.3.4.5. Galvan elemanlar ve akümülatörler...................................................................... 50
2.3.4.6. Elektrolitler ..................................................................................................................... 51
3. YARI İLETKEN MALZEMELER ..................................................................... 53
3.1. Yarı iletken malzemelerde enerji bölgeleri.......................................................................... 55
3.2. Saf yarı iletkenlerde elektriksel yük taşıyıcıları oluşturma mekanizması ............. 56
3.3. Yarı iletkenlerde elektrik akımının iletilme prensibi............................................ 58
3.4. Yarı iletken malzemelerin özelliklerinin analizi ve karşılaştırılması ................... 60
3.5. Bazı önemli yarı iletkenlerin özellikleri, içerikleri,
alaşımları ve süper kristal kafesleri................................................................................................... 63
3.6. Yoğun ve ince taba monokristallerin elde edilme yöntemleri ............................ 65
3.7. Silisyum entegre devrelerin düzlemsel teknolojileri ........................................... 68
3.8. Diyotlar, transistörler, tristörler ve entegre devreler........................................... 69
3.8.1. Diyotlar ..................................................................................................................................... 69
3.8.2. Transistörler ............................................................................................................................ 72
3.8.3. Tristörler ................................................................................................................................... 75
3.8.4. Entegre devreler .................................................................................................................... 76
3.9. Kalın tabakalı ve ince tabakalı entegre devre teknolojileri ................................ 78
3.9.1. Kalın tabaka entegre devre teknolojisi ......................................................................... 78
3.9.2. İnce tabaka entegre devre teknolojisi ........................................................................... 79
3.10. Yarı iletken entegre devrelerin gelişim perspektifi ........................................... 80
3.11. Nano teknolojiler .................................................................................................. 82
3.12. Baskılı devre plakların (PCB) yapılması .............................................................. 82
4. DİELEKTRİK MALZEMELERE ...................................................................... 85
4.1. Dielektrik Malzemelere Giriş.................................................................................. 87
4.2. Dielektrik Malzemelerin Ayrılması ........................................................................ 87
4.3. Dielektrik Malzemelerinde Dielektrik Kayıpları ................................................... 90
4.4. Dielektrik Malzemelerin Dielektrik Sertliği .......................................................... 90
4.5. Dielektriklerin Elektrik Polarizasyonu .................................................................. 92
4.6. Yalıtım Malzemeleri ................................................................................................ 96
4.7. İzolasyonlu Kablolar ............................................................................................... 99
4.8. Optik Kablolar ....................................................................................................... 101
4.9. Kondansatör Malzemeleri .................................................................................... 104
4.10. Kondansatörler ................................................................................................... 105
4.11. Özel Dielektrik Malzemeleri............................................................................... 109
4.11.1. Piezoelektrikler, Piroelektrikler ve Elektret Dönüştürücüler .............................109
4.11.2. Dielektrik Mikroelektronik............................................................................................. 110
4.11.3. Sıvı Kristalli Ekran.............................................................................................................. 111
4.11.4. Optik Bellekler ................................................................................................................... 113
Tekrarlama Soruları ................................................................................................................................... 115
5. МАNYETİK MALZEMELER ........................................................................ 117
5.1. Bazı Malzeme Grupların Manyetik Özellikleri .................................................... 119
5.2. Güçlü Mıknatıslanma Mekanizması .................................................................... 121
5.3. Маnyetostriktif ..................................................................................................... 124
5.4. Yumuşak Manyetik Malzemeler ........................................................................... 125
5.5. Bobinler, Transformatörler ve Röleler ................................................................. 127
5.5.1. Bobinler .................................................................................................................................. 127
5.5.2. Transformatörler.................................................................................................................. 129
5.5.3. Röleler ..................................................................................................................................... 129
5.6. Katı Manyetik Malzemeler.................................................................................... 130
5.7. Маnyetik Mikroelektronik ................................................................................... 133
5.7.1. Маnyetik Bellekler .............................................................................................................. 133
5.7.2. Mantık Devreleri .................................................................................................................. 134
Tekrarlama Soruları ................................................................................................................................... 136
EK А ............................................................................................................... 137
ÖNSÖZ
“Elektroteknik Malzemeleri ve Elemanları” kitabı elektroteknik alanın I. (birinci) sınıfların
tüm bölümleri için, mevcut olan plan ve programa uyumlu olarak yazılmıştır. Demek oluyor ki
her bölüm için öngörülen ders içerikleri kapsanmıştır. Bu dersi veren öğretmenler, bölümlerin
ihtiyaçlarına göre gereken içeriklere daha çok vurgu yapmaları gerekecektir.
Ders kitabı beş üniteye ayrılmıştır.

Birinci ünitede „Elektroteknik Malzemelere Giriş” maddenin ve atomun yapısı hakkından bilgi verilmektedir. Ondan sonra elektroteknik malzemelerin hal durumları ve
kimyasal bağları işlenmiştir. Değişik bakış açısından malzemelerin ayrılışı onu da malzemenin yapı parçacıkların dizilişine göre, elektroteknik malzemelerin yasak bölgelerinin
genişliğine göre ve manyetik özelliklerine göre ayrılışları verilmiştir.

İkinci ünitede „İletken Malzemeler” iletken malzemelerin özellikleri işlenmiş ve elektrik özellikleri üzerine durulmuştur. Ondan sonra yüksek öz elektrik geçirgenliği olan
metaller, süper iletkenler, düşük elektrik geçirgenliği olan malzemeler ve dayanıklı malzemeler gibi değişik türden iletken malzemelerin analizi yapılmıştır. Ünitenin sonunda
özel kullanımı olan iletken malzemelere dikkat çekilmiştir.

Üçüncü ünitede „Yarı iletken Malzemeler” öğrencilere yarı iletkenlerin enerji bölgeleri, tam yarı iletkenlerde serbest yüklerin oluşma mekanizması ve elektrik akımı geçirme
prensibi tanıtılır. Daha sonra silisyum, germanyum ve galyum arsenit yarı iletken malzemelerin karşılaştırılması yapılmıştır. Önemli yarı iletken elemanları, bileşikleri, alaşımları
ve süper-kafeslerin özellikleri vurgulanmıştır. Masif ve ince katmanlı monokristallerin
elde edilişi ve silisyum entegre devrelerin düzlemsel teknolojisi konuları işlenmiştir. Diyot, transistor, tristör ve entegre devreleri gibi yarı iletken malzemelerin uygulanması
konusu ayrı bir dikkatle işlenmiştir. Ondan sonra kalın katmanlı ve ince katmanlı entegre
devreleri ve yarı iletken entegre devrelerin gelişimi hakkında bir yorum yapılmıştır. Sonunda gelecekte yoğun bir şekilde işlenecek olan, nano teknoloji alanındaki sorunlara
değinilmiştir..

Dördüncü ünite „Dielektrik Malzemeleri” dielektriklere, onların önemi ve uygulanmasına adanmıştır. Ünite onların sınıflandırılması, dielektrik kayıpları ve dielektrik sertliğin öğrenilmesiyle başlar. Sonra dielektriğin elektrik polarizasyonu, yalıtım malzemeler,
izolasyonlu ve optik kablolar, kondansatör malzemeleri ve onların kondansatörlerde
uygulanması konuları ele alınmıştır. Ünite sonunda bazı özel dielektrik malzemelerine
odaklanılmıştır..

Beşinci ünitede „Маnyetik Malzemeler” manyetik malzemeleri, daha özel olarak bazı
malzeme gruplarının manyetik özelliklerini, güçlü manyetiklenme mekanizması ve manyetostriktif olayı işlenmiştir. İlk önce yumuşak manyetik malzemeler, bobinler, transformatörler ve röleler, ondan sonra katı manyetik malzemeler ve mikro elektronikte kullanılan malzemeler konu edilmiştir. Ders malzemesinin bütünü son zamanlarda güncel
ve çağdaş yerli ile yabancı literatürü kullanarak yazılmıştır. Müellifler olarak öğrencilerin
yaşını ve bu alandaki ön bilgilerini göz önünde bulundurarak, plan ve programa göre,
elimizden geldiği kadar basit ve kapsamlı bir şekilde ders içeriklerini açıklamaya gayret
ettik.
Bu doğrultuda, ifade tarzına, işlenmiş müfredatın kapsamına ve kalitesine, hem mesleki
hem de metodolojik yönden dikkat ederek önemli çaba harcadık. Müfredatın işlenmiş şekli,
ders veren öğretmenler, anlama ve öğrenmekle yükümlü olan öğrenciler tarafından kabul
göreceğine samimiyetimizle umuyoruz. Mümkün olduğu kadar içeriklere çizimler eklemeye
çalıştık ve bununla yeni konuların daha kolay anlaşılmasına katkıda bulunduğumuza inanıyoruz. Kitabın içinde önemli olarak seçilmiş ve metin çerçevesi içerisinde açıklanmış bazı tablolar verilmiştir
Birinci sınıfta okunan mesleki ders olduğunu göz önünde tutarak, öğrencilere aşina olmayan bir matematiksel araç kullanmadan yeterli basit dil ve yazı tarzı olduğuna inanıyoruz.
Metinde, her ünite sonunda işlenmiş konulardan belirli sayıda soru yöneltilmiştir. Soruları cevaplarken öğrenci, öğrendiklerini kontrol edecek ve aynı zamanda kalitenin seviyesini
arttıracaktır. İletkenlerin, süper iletkenlerin, yarı iletkenlerin, dielektriklerin ve manyetiklerin
uygulandıkları tekniğin bütün alanlarında önemli yer aldıklarını göz önünde bulundurarak,
ileriki pratik-teorik eğitimde, bilhassa pratik dersler için büyük faydalar sağlayacağını düşünüyoruz...
Sonunda fırsattan yararlanarak içerik ve teknik düzenleme açısından, kalitenin artmasında
yapmış oldukları yapıcı ve iyi niyetli katkılarından dolayı kitabı denetleyen prof. dr. Stoyan
Deskovski’ye, yük.müh. Suza Blajevska’ya ve yük. müh. Eftim Peyovski’ye teşekkürlerimi sunmamızı bir borç biliriz.
Manastır, Haziran 2010 yılı
Müellifler.
1.
Elektroteknik
malzemelere
giriş
Bu başlık altında sıradaki konular işlenecektir:
  Maddenin ve atomun yapısı
  Elektroteknik malzemelerin madde halleri
  Kimyasal bağlar
  Maddenin yapısal parçacıklarının dizilişine göre malzemelerin
sınıflandırılması
  Yasak enerji bölgelerinin büyüklüklerine göre elektroteknik
malzemelerin sınıflandırılması
  Elektroteknik malzemelerin manyetik özelliklerine göre sınıflandırılması
ELEKTROTEKNİK MALZEMELERE GİRİŞ
3
1.1. MADDENİN ATOM YAPISI
Elektrik olaylarını daha kolay anlayabilmek için öncellikle madde yapısı hakkında gerekli olan bazı bilgileri bilmemiz gerekmektedir. Bizi çevreleyen her şey maddedir. Madde iki temel büyüklük ile karakterize edilir, bunlar: kütle ve enerjidir. Kütle cisimdeki
maddenin miktarını belirten ölçü birimidir, enerji ise cismin belirli bir işe yapabilme kabiliyetidir. Albert Einstein tarafından ortaya atılan kütlenin enerjiye eşit olması kanununa göre, kütle cismin içinde barındırdığı enerjiye eşittir ve onun için bir ölçüttür. Gerçek
hayatta maddeler farklı bileşimlerde veya kombinasyonlarında olabilmektedirler. Madde yapısı hakkındaki modern anlayışlar onun süreksiz doğasından kaynaklanmaktadır.
Diğer tüm malzemelerde de olduğu gibi, elektroteknik malzemeler de atomlarda
yapılmıştırlar, bunun için daha baştan maddenin atom yapısına bir göz atmamız gerekir. Elektroteknik malzemelerin özelliklerini bilmemiz için, atomların aralarında nasıl
bağlandıklarını ve boşluktaki dağılımlarını incelememiz gerekmektedir.
Atom, belirli bir kimyasal reaksiyona girebilen maddenin en küçük yapı parçacığıdır. Modern atom teorisine göre her atom yapısal parçacıklardan (protonlar, nötronlar
ve elektronlar) oluşmaktadır. Bu parçacıklar aralarında elektriksel yük, kütle ve atomda
bulundukları konum itibarı ile farklılık göstermektedirler. Atom, içinde proton ve nötronların bulunduğu çekirdek ve etrafında elektronların döndüğü elektron sargısından
oluşmaktadır. Çekirdekte bulunan proton sayısı ile elektron sargısında bulunan elektronların sayısı birbirine eşittir, bundan dolayı atom elektik açısından nötr durumdadır.
Protonlar, nötronlar ve elektronlar tüm elementlerde ve tüm atomlarda aynı özelliklere
sahiptirler, fakat elementler farklı özelliklere sahiptirler, bu farklılık elementlerin yapılarındaki yapısal parçacıkların sayılarından.
Elektron, kimyasal bir elementin elektriksel özelliklerine en çok etki eden bir parçacıktır. Bir elektronun elektriksel yük miktarı belirlenmiş bir negatif elektriksel yük miktarıdır ve
doğada temel elektrik yükü birimidir değeri ise 1.6∙10-19 C dur. Elektronun çok küçük
kütlesi vardır ve değeri m = 9.1∙10-31 kg dır. Elektron çekirdek etrafında belirli bir eksende hareket etmektedir. Proton, pozitif elektriksel yükün temel parçacığıdır. Protonun
elektriksel yük değeri elektron ile aynı değerdedir sadece işaret olarak ters işaretlidir,
kütle değeri ise elektronun kütlesinden 1836 defa daha büyüktür. Nötronun elektriksel
yükü nötrdür. Nötron kütlesi yaklaşık olarak proton kütlesi ile aynı değere sahiptir. Çekirdekteki proton sayısı atom veya sıra sayısı olarak adlandırılır ve elementin periyodik
tablodaki sıra numarasını ifade eder.
En basit atom hidrojen atomudur. Hidrojen atomu sadece bir proton ve bir elektrondan ibarettir. Diğer elementlerin atomları daha fazla proton, nötron ve elektronlardan
ibarettirler. Şekil 1.1’de atomun yapısı gösterilmiştir.
3
4
Bir atomdaki proton ve elektron sayıları eşittir, öyle ki, atomun pozitif ve negatif
elektriksel yükleri aynıdır dolayısıyla atom elektriksel açıdan nötr durumdadır. Elektronlar sargılardan bulunan belirli yollar ile çekirdek etrafında dönerler. Elektron sargısı bir
top yüzeyi gibidir ve birden çok dairesel yol içermektedir, elektronlar bu yolları izleyerek onun etrafında dönerler. Çekirdeğin birinci sargısı 2 elektron içerir, ikinci sargısı 8 vs.
Son sargıda döne elektron sayısı 1 ile 8 arasında olabilir ve bunlara valans elektronları
denir. Bir elektron sargısı dolu ise oraya daha fazla elektron giremez.
Elektron
Proton
Nötron
Çekirdek
Şek. 1.1 Atom yapısı
Kütle numarası çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamıdır. 2007 yılına kadar 117 element (94 doğal element kalanlar ise radyoaktivite sonucunda elde edilen
elementlerdirler) bilinmekteydi. Bu elementler Mendeleevin periyodik elementler tablosunda gruplandırılmışlardırlar, tablo 8 grup (7 grup ve bir sıfır grubu) içermektedir.
Grup sayısı son sargıdaki valans elektron seviyesine karşılık gelmektedir. Sıfırıncı grupta
karalı elektron yapısı olan değerli metaller bulunurlar (helyum, neon, argon, kripton
vb.). Birinci, ikinci ve üçüncü grupta metaller yer almaktadır (bakır, altın, gümüş, çinko,
alüminyum vb.), bu elementler kararlı elektron yapısı oluşturmak için elektron vererek
pozitif iyonlar oluştururlar ve pozitif elektrik elementler olarak adlandırılırlar. Beşinci, altıncı ve yedinci grupta ametaller bulunur (fosfor, arsenik, selen, klor, vb.), bu elementler
genelde elektron kabul ederek pozitif iyon oluştururlar ve negatif elektrik elementler
olarak adlandırılırlar. Dördüncü gruptaki elementler (karbon, silisyum, germanyum vb.)
ne kabul eder ne de koyuverirler sadece var olanları hapsederler.
Madde içindeki atomların, iyonların ve moleküllerin uzay dağılımları, daha doğrusu
maddenin yapısı, bu parçacıkların aralarındaki kimyasal bağların sonucunda oluşmaktadır.
4
5
İleriki konularda maddenin yapısı ile alakalı en son gelişmeler hakkında tekrardan
bilgi verilecektir. Modern teoriye göre, standart model olarak da bilinir, madenin 12
temel (esas) parçacığının veya türünün ve onlara karşıt olarak bir o kadar anti parçacığının var olduğu ifade edilir. Maddenin parçacıkları iki gruba ayrılırlar, bunlar: Kuarklar
ve leptonlardır. Her grup için altı parçacık ve karşıtı olarak altı anti parçacık bulunmaktadır. Ayrıca gluonlar, fotonlar, W ve Z bozonları kuvvet taşıyıcıları-parçacıkları vardır.
Bu parçacıklar ard arda meydan gele güçlü elektromanyetik etkileşimlerden sorumludurlar. Belirli bir kuvvet taşıyan bu parçacıklar ayrıca temel parçacık olarak sayılırlar.
Daha doğrusu standart model, bilinen alt atom parçacıklarının dinamiğini kontrol eden
elektromanyetik, zayıf ve büyük nükleer kuvvetlerin etkileştiği moleküler fiziğin bir teorisini ifade eder. Bu teori 20. yy. başlarında ve daha sonra ortalarında gelişmeye başladı. 1970 yılların ortalarında ilk defa deneysel olarak kuark parçacıklarının varoluşlarının
kanıtının sunumu yapıldı. O zamandan beri, dib kuarkın (1977), tepe kuarkın (1995) ve
tau neutrino (2000) parçacıklarının keşfedilmesi ile standart model deneysel olarak
kanıtlamıştır. Deneysel sonuçları geniş bir açıdan ifade edebildiği için, standart model
atomun davranışı ile alakalı meydana gelen tüm olayları açıklayabilen bir teori olarak
kabul görmektedir.
Kuark (quark) esas (temel) parçacıktır ve maddenin temel yapısal bileşenidir. Kuark
parçacıkları daha kompleks parçacıkları oluşturmak üzere bir araya gelerek hadronları
oluştururlar, atom çekirdeğinde oluşan bu parçacıkların en stabil olanları proton ve
nötron parçacıklarıdırlar. Kuark parçacıkları hiçbir zaman izole edilmez, sadece hadronların içerisinde bulunurlar. Bundan dolayı, şimdiye kadar kuhadronlar hakkında bildiklerimiz hadronları gözetleyerek elde edilmişlerdir.
Farklı kütle, renk, spin ve elektriksel yük ile karakterize edilen altı farklı tipte kurak
karşımıza çıkmaktadır. Kuarklar, moleküler fiziğin standart modelinde bilinen tüm temel kuvvetlerin (elektromanyetizma, serbest düşme, güçlü etkileşim ve zayıf etkileşim)
ortaya çıktığı yegane parçacıktır. Ayrıca bu parçacıkların elektriksel yüklerinin değerleri,
temel elektriksel yüklerin çarpımlarının sonucunda tam sayı olmayan yegane parçacıklardırlar. Her bir tip kuark parçacığının karşılığı olan anti parçacık vardır, bu parçacıklar
kuarklara göre belirli büyüklükler için değerleri mutlak değerlere karşılık gelir yalnız bu
değer normal kuark parçacığı değeri ile ters işarette olur.
Tau neutrino, üç neutrinin sonuncusunu ifade etmektedir. Bu parçacık üçüncü nesil
leptonların oluşmasında görev almaktadır. Tau neutrino parçacığı, yapılan bir çok deneyden sonra nihayet 2000 yılının Temmuz ayında keşfedilmiştir.
1.2. ELEKTROTEKNİK MALZEMELERİN MADDE HALLERİ
Malzemelerin madde halleri o maddenin içerisindeki atomların aralarındaki çekim
ve itme kuvvetlerine bağlıdır. Sadece çekim güçlerinin etki ettiği maddeler ideal katı
maddelerdirler (ideal kristaller). Sadece itme güçleri etki ettiğinde o zaman ideal gaz
hali söz konusu olmaktadır.
5
6
Bu iki hal arasında malzemelerin de bulunduğu maddenin geçiş halleri bulunmaktadır ve bu haller gaz, sıvı ve katı hallerdirler.
Tüm katı cisimlerin belirli b, r şekli ve hacmi vardır. Sıvılara gelince onların belirli bir
hacimleri var fakat şekilleri yoktur, sıvılar bulundukları kabın şeklini alırlar. Gazların ise
belirli hacimleri ne de şekilleri vardır. Katı cisimler iki şekilde olabilirler kristal (monokristal ve polikristal) şeklinde ve kristal olmayan şekilde (amorf), ayrıca bu şekiller malzemenin spesifik olarak nasıl kullanılacağını belirlemektedir. Elektroteknik malzemeleri
maddenin her halinde karşımıza çıkar (katı, sıvı, gaz, plazma), fakat elektroteknikte en
çok kullanım alanı bulan ise katı haldeki malzemeler karşımıza çıkmaktadır.
Monokristaller, analiz edilen cismin hacminin tamamında düzgün şekilde dağılan
atomları ile karakterize edilmektedirler. Bu yapı özellikle yarı iletken malzemelerin kullanıldığı mikroelektronik teknolojisinde önem arz etmektedir, çünkü düzgün kristal
yapı içerisinde elektriksel yük taşıyan serbest parçacıklar çok hızlı bir şekilde hareket
etmektedirler ve bu özellik mikroelektronik bileşenlerinin ve devrelerinin çok hızlı çalışmalarını sağlar. Ayrıca belirtmeliyiz gerekir ki mikroelektronik teknolojisinde yarı iletken malzemelerin içerisine diğer elementlerin katkı atomlarının eklenmesi için değişik
özel teknolojik yöntemler kullanılmaktadır, öyle ki, bu şekilde yarı iletken monokristal
gövde (yonga) içerisinde değişik mikroelektronik bileşenler oluşturulmaktadır. Bu yöntem uygulanarak, daha önce başlangıçta temiz (kimyasal yapı bakımından) olan monokristal yapı yapay yollarla kusurlu yapı (düzgün olmayan) haline getirilir ki bu yol ile
yarı iletken bileşenler için istenilen karakteristikler elde edilmiş olunur.
Kontrollü bir şekilde oluşturulan kusurlu yapıdaki maddelerin yanında monokristallerin istenmeyen kusurlu (arıza) yapıdaki maddeler de mevcuttur. Bu kusurlu yapıdaki
maddelerin diğer bir şekli de madde içindeki kristal taneciklerin yönlerinin belirsiz olmalarıdır çünkü maddenin içinde atomların düzgün dağılımı söz konusu olmaktadır.
Bu kristal taneciklerin boyutları yaklaşık olarak iki atom arası mesafesinin yüz katı civarında olmaktadır ve bu gibi bir madde polikristal madde olarak adlandırılır, daha doğrusu böyle bir yapıya polikristal yapı denir. Polikristal parçacıkların şekli ve büyüklüğü
maddenin mekanik özelliklerini belirler. Uygulama açısından polikristal yapı iletken ve
süper iletkenler açısından çok büyük önem arz etmektedir çünkü düzgün monokristal yapılarda metal tellerin çok büyük mesafelerde uygulanması zordur, özellikle yapım
aşamasında şekil verirken böyle bir zorlukla karşı karşıya kalınmaktadır. Bu durum aynı
şekilde kondansatör, manyetik seramik ve levhalarda da karşımıza çıkmaktadır.
Uygulama açısından kristal olmayan yapıların çok büyük önemi vardır. Burada özellikle amorf maddeleri, sıvı kristalleri ve polimerleri gösterebiliriz.
Amorf maddelerde atomlar arasındaki bağ derecesi (iki atom arası mesafenin yaklaşık 10 katı) aynen sıvılardakine benzemektedir, bundan dolayı genelde bu maddeler
soğutulmuş sıvılar olarak da adlandırılırlar ve elektroteknikte amorf yarı iletken şeklinde daha geniş alanlı (ve daha ucuz) plak şeklinde kullanılmaktadırlar, ayrıca amorf bant
ve plaklar şeklinde de kullanılırlar.
6
7
Sıvı kristaller, kristal şeklinden eriyerek sıvı halini alırken oluşan ara durum sebebinden dolayı sıvılara göre çok daha düzgün yapılara sahiptirler ve bundan dolayı bu
maddenin alışılmamış elektro optik özelliklerinden dolayı sıvı kristal ekran ve göstergelerine ve ekranlarında kullanılmaktadırlar.
Polimerler makro moleküllerin oluşturduğu uzun zincirden meydana gelmiştir ve
bu özelikten dolayı bu maddenin birden çok halde bulunmasına imkan kılar, bu haller:
kristal, amorf, kauçuk şeklinde, sıvı kristal ve yüksek sıvı şeklinde; elektroteknikte en çok
iletken kabloların izolasyonunda kullanılmaktadır.
Sıvılar elektroteknikte genelde akülerde elektrolit olarak veya elektrik izolasyonu
için yağ şeklinde kullanılırlar; gazlar aynı şekilde elektrik izolasyon özelliklerinden
dolayı enerji kablolarında ve dağıtım şebekelerinde kullanılmaktadırlar. Plazma hali,
elektriksel dengenin sağlanmış olduğu elektron ve pozitif iyonların ihtiva ettiği yüksek
iyonize şeklindeki gaz halinin de ayrıca geniş uygulama alanı mevcuttur. Kullanım alanı
olarak, fotolüminesans (elektriksel ışıldama) ampullerini ve mikro elektronikteki teknik
süreçleri gösterebiliriz.
1.3. KİMYASAL BAĞLAR
Önceden belirttiğimiz maddenin tüm yapısal halleri atom, iyon ve moleküller arasındaki kimyasal bağların sonucunda oluşmaktadırlar. Bu bağlantılar, elektronların komşu
valans atomlarının arasındaki etkileşimin sonucunda oluşmaktadırlar.
Bazı elementlerde atomlar arası etkileşim çok zayıftır, örnek olarak bazı soy gazları
(Ne, Ar,...) gösterebiliriz, çünkü bu elementlerde valans seviyeleri 8 elektron içerdiklerinden dolayı doyumdadırlar. Bu gibi durumlarda kimyasal bağlar dipol (çift kutuplu)
elektriksel etkileşim sonucunda meydana gelirler ve çok düşük yoğunluktadırlar. Elektriksel dipol iki elektriksel yükten meydana gelen sistemdir, mutlak değerleri aynı değerde fakat ters işaretlidirler ve aralarındaki mesafe çok küçüktür.
Bir çok element için yukarıda bahsettiğimiz elektron denge durumu söz konusu değildir, öyle ki, bu gibi elementlerin son sargısında elektron denge durumu sıradaki yöntemlerle sağlanır: bir veya birden fazla valans elektronunu kabul etmek veya vermek,
diğer bir yöntem ise bir veya birden fazla elektronu komşu atomlara paylaşmak. Bu
gibi bağlar çok güçlüdürler ve iyon bağı ve Kovalent bağı olarak adlandırılırlar. Ayrıca
önemli bir bağ da metal bağıdır.
Maddelerde, kural gereği, tek bir tip kimyasal bağ ile karşılaşılmamaktadır. Karşımıza
birden çok farklı bağ içeren maddeler çıkmaktadır ki bu bağlardan bir tanesi her zaman
domine eder. Bu nedenle, maddelerin özellikleri iki veya daha fazla kimyasal bağ karakteristiğinin kombinasyonu sonucunda oluşmaktadır.
7
8
1.3.1. İYONİK BAĞ
İyonik bağ pozitif elektrik yüklü (I-valasnlı) ve negatif elektrik yüklü (VII-valanslı)
atomlar arasında oluşur, pozitif elektrik yüklü atomlar negatif elektrik yüklü atomlara
elektron verir ve böylelikle kristalde pozitif ve negatif iyonların kararlı elektron yapısı
söz konusu olmaktadır.
Bu durum şekil 1.2’de natrium (sodyum) (Na) ve klor (Cl) atomlarının elektron konfigürasyonu ile açıklanmıştır ve ayrıca kristaldeki iyonların dağlımı gösterilmiştir.
Bu bağlantıların tamamının elektrostatik doğası vardır ve ters işaretli yüklerle yüklü
iyonların birbirini çekmesini mümkün kılar, öyle ki her pozitif iyon negatif iyon ile ve
tersi şekilde çevrelenir.
Şekil. 1.2 NaCl’de iyonik bağın oluşması (grafiksel gösterimi).
Bir valans elektronun Na’dan Cl’a geçmesi ile pozitif Na iyonu ve negatif Cl iyonu
oluşmaktadır. Her iki iyon birbirini çeker, böylece 8 elektronlu kararlı elektron yapısı
elde edilir. Bu şekilde oluşturulan bağlar doymamış bağ olarak adlandırılırlar sebebi ise
yakın komşu iyonların etkileşimi uzak komşu iyonların etkileşimini dışlamamaktadır. Bu
demektir oluyor ki, bir iyon tüm komşu iyonlarla hareket etmektedir. İyon kristallerde
serbest elektronlar mevcut değildir, bu kristaller katı halde elektrik yalıtıcı özelliklere
sahiptir, fakat sıvı çözeltilerde elektrolitler gibi davranırlar. İyonik bağı olan malzemeler
boşluk dağılımındaki komşu iyonlar arasında elektriksel kararlılığının kaybolmasından
dolayı şekil değiştirme işlemi yeteneği düşüktür. Bundan dolayı bu malzemeler mekanik açıdan sağlamdırlar ve güçlü darbelere dayanıklıdırlar.
8
9
1.3.2. KOVALENT BAĞI
Doymamış iyonik bağlara karşın sadece yakın komşular arasında oluşan doymuş
kimyasal bağlar da mevcuttur. Bu bağlar kristal atomları arası boşluk boyunca belirli
yönde yöneldiklerinden dolayı yönlüdürler. Bu tür kovalent bağlarında tekli atomların hiçbiri tamamen bir valans elektron bölgesi (yörüngesi) oluşturmaz, fakat aralarında
ortak çift bağlar oluşturarak her bir atomda sekiz valans elektronu ile kararlı bir yapı
elde edilir. Kovalent bağı içeren maddeler için tipik örnek olarak silisyum (Si), diğer dört
valanslı elementler (germanyum, elmas yapıda karbon, vs) ve ayrıca üç valanslı ve beş
valanslı bileşikleri sayabiliriz (Ga As,…).
Şekil 1.3’te silisyum atomunun valans yörüngesinin elektron konfigürasyonu, ortak
valans elektron çiftlerinin bir silisyum atomu ve onun dört komşu atomla yaptığı kovalent bağı ve ayrıca kristal kafes yapıda silisyum atomlarının uzaydaki yönlendirilmiş
dağılımı (kovalent bağlar arası açı yaklaşık olarak 109o dir) gösterilmiştir. Elektron çiftleri
en yakındaki atomlar arasında tetrahedral şeklinde açısal dağılım oluşturacak şekilde
bir tetrahedral ağırlık merkezli bir yapı oluştururlar.
kovalent
bağı
Si atom
Şekil. 1.3 Si atomunun kovalent bağı (grafiksel gösterimi)
Yönlü olduklarında, kovalent bağlarının doyumu ve kuvvetlerinden dolayı, kovalent
bağı olan maddelerin şekil değiştirme yetenekleri düşüktür. Bundan dolayı bu malzemeler mekanik açıdan sağlamdırlar ve güçlü darbelere dayanıklıdırlar. Bu maddeler saf
halde iken zayıf iletken özelliklere sahiptirler, çünkü valans elektron çiftlerinin tamamı
komşu atomlar arasında sıkı bir şekilde bağlıdırlar.
9
10
1.3.3. METALİK BAĞ
Kovalent bağ ve iyonik bağ ile bağlı maddelere karşın, metal bağı ile bağlı maddeler şekil değiştirme işlemlerine (dövülebilirlik) yatkındırlar, ayrıca metalik bağ ile bağlı
maddeler iyi elektrik ve ısı iletkenliği sağlarlar.
Şekil. 1.4 Metalik bağların oluşması
Bunun durum, metal iyonlar arasında kolay hareket edebilen serbest kalmış valans
elektronlarından kaynaklanır (şekil 1.4), bunun nedeni daha önce bahsi geçen kimyasal
bağlardan farklı olarak kararlı elektron konfigürasyonun oluşturulamamasından kaynaklanmaktadır.
Burada pozitif iyonlar ve elektronlar arasında güçlü bir etkileşim meydana gelir ve
çekim kuvveti ile pozitif iyonların birbirine bağlanması güçlü metal yapının oluşmasına neden olur, bundan dolayı iyonik bağlarda da olduğu gibi burada da metalik bağ
doymamış ve yönlü değildir. Tek valanslı katı cisimler (Cu, Ag,..), iki valanslı (Zn,..) ve üç
valanslı elementler bu şekilde davranırlar.
Dipol bağların elektroteknikte fazla bir önemi yoktur, dolayısıyla burada ele alınmayacaklar.
1.4. MADDELERİN YAPISAL PARÇACIKLARININ DİZİLİŞİNE GÖRE
SINIFLANDIRILMALARI
1.4.1. MONOKRİSTAL YAPI
Monokristallerdeki düzgün geometrik yapı, katı haldeki moleküllerin, iyonların ve
atomların aralarındaki kimyasal bağların düzgün dağılımı sonucunda oluşmaktadır. Diğer taraftan bu durum kovalent kristalin kararlı enerji durumunda bulunmasını sağlayan kimyasal bağların düzgün bir şekilde dağılımlarının bir sonucudur. İyonik ve meta10
11
lik kristallerde, ki bu yapılarda kimyasal bağlar yönlü değildir, kristalin kafes yapısı iyon
tabakalarının daha yoğun olma çabası sonucunda oluşmaktadır.
Doğada, hepsi eşit derecede temsil edilmemekle beraber, 230 farklı monokristal yapı
ile karşılaşmaktayız. Elektroteknikte küp kafes şeklinde kristalleşen malzemeler önem
arz etmektedirler. En önemli iki tip kristal yapı olarak, uzay merkezli ve düzlem merkezli
küp kristal kafesler ile karşılaşırız. Kristalin yapısal hücreleri (kristalin bölünebildiği en
küçük hacim) şekil 1.5’te gösterilmiştir.
а) uzay-merkezli
b) yüzey-merkezli
Şekil. 1.5 Yapısal hücrelerde atomların dağılımı (küp kristal kafesi)
Uzay-merkezli ve yüzey-merkezli küp kristal kafesteki metaller (Cu, Al, Fe,..) ve birinci
ve yedinci sütunda buluna iyon bileşenleri (NaCl,.. gibi) kristalleşmektedirler. Buradaki
kimyasal bağlar yönlü değiller, bunun için iyonları maksimum yoğunlukta olacak şekilde paketlenir, öyle ki en yakın komşular birbirine değecek kadar yakındırlar.
Bazı elementler ve birçok bileşim çok karmaşık tipte küp kafes yapılarda kristalleşirler. Elektroteknikte en önemli kristal kafes yapısı elmas kafes kristalidir, burada dört valans elektronu olan elementler (Si, Ge, C (elmas)) ile üçüncü ve beşinci sütunda bulunan
kovalent bağlı elementler (GaAs, InSb,..) karşımıza çıkmaktadır, öyle ki üçüncü ve beşinci sütunda bulunan kovalent bağlı elementlerin oluşturdukları bileşim sonucunda
oluşan kristal sfalerit olarak adlandırılır. Elmas kristal kafesi, temel hücrenin köşegenlerinden bir bölü dört kadar mesafede yerleşmiş olan çeyrek iki yüzey merkezli küp kristal
kafesin kombinasyonu gibi tanımlanabilir (şekil 1.6 a). x-y düzleminde, z koordinatı ile
işaretlenmiş (temel hücrenin kenarlarının uzunlukları olarak ifade edilmişler), eşdeğer
olmayan atomların konum projeksiyonu şekil 1.6 b’de gösterilmiştir. Bu şekilde, her
atom (tetrahedral yapının merkezinde) kendine en yakın komşusu ile (tetrahedral yapının köşelerinde) tetrahedral açı (yaklaşık 109о) yapacak şekilde yönlenmiş kovalent
bağları oluştururlar, bu yapı şekil 1.3’te gösterilmiştir.
11
12
а) iki yüzey-merkezli küp kafes
b) projeksiyon
Şekil 1.6 Elmas küp kristal kafesin grafiksel gösterimi
1.4.1.1. KRİSTAL YAPI KUSURLARI
Bir önceki bölümde kristal malzemelerin analizi yapılırken ideal oldukları, yani kristal
kafesteki atomların düzgün dağılımlı oldukları varsayılıyordu. Ancak gerçek kristaller
yapılarında kusurlar (hatalar) içerirler, bu hatalar, malzemenin kimyasal yapısında olduğu kadar atomların dağılımında da mevcuttur.
Eğer bu kusurlar sadece lokal seviyede yani bazı atomlarda var iseler o zaman bu
kusurlara noktasal kusurlar deriz. Bunlar arasına yarı iletken teknolojisinde kullanılan
katkı maddeli kusurları gösterebiliriz, burada belirli atomlar, örneğin, dört valanslı Si
atomlara katkı maddesi olarak beş valanslı (genelde fosfor, P) veya üç valanslı (örnek
olarak B (bor) atomlar eklenerek bu kusurlu malzemeler elde edilirler.
Beş valanslı katkı atomu komşu Si atomları ile dört kovalent bağı oluşturur, kalan
beşinci atom çift oluşturamaz dolayısıyla oda sıcaklığında bulunduğu atomu kolay bir
şekilde terk edebilir. Si yarı iletken kristaline serbest elektron veren beş valanslı katkı
atomlara donör denir ve bu şekilde elde edilen maddelere ise n-tipi Si yarı iletkeni denir.
Diğer taraftan, üç valanslı katkı atomu Si atomları ile üç kovalent bağı oluşturur, kalan dördüncü komşu atom kovalent çifti oluşturamaz. Dördüncü çifti oluşturamayan
bu atom daha uzaktaki komşu silisyum atomlardan çifti tamamlamak için kolayca bir
valans elektronu çeker, elektronunu kaybeden atom ise başka komşu atomdan kovalent çiftini tamamlamak için elektron çekmeye çalışır ve bu böyle devam eder. Bundan
dolayı Si yarı iletken kristalinden elektron kabul eden üç valanslı katkı atomlarına atomlara akseptör denir ve bu şekilde elde edilen maddelere ise p-tipi Si yarı iletkeni denir.
12
13
Noktasal kusurların yanında ayrıca dislokasyon olarak da adlandırılan çizgisel kusurlar ile de karşılaşırız. Bu kusurlu yapı düzgün kristal boyunca yapıda çizgisel kusurların
oluştuğu bir yapıyı ifade eder ve bu kusurlar kristal yüzeyinde son bulurlar. Bu çizgi kristalin yer değiştiren kısmı ile yer değiştirmeyen kısmı arasındaki sınırı tanımlamaktadır.
Kusurların oluşma şekline göre iki farklı kusurlu yapı ile karşılaşırız, bunlar: köşelere
göre dislokasyon ve açılara göre dislokasyondur.
1.4.2. POLİKRİSTAL YAPI
Polikristal malzemenin yapısı termal ve mekanik işlem süreçlerine bağlıdır. Bu işlemler malzemenin mekaniksel ve elektriksel özelliklerine büyük ölçüde etki etmektedirler. Polikristal yapılar, özellikle monokristal formda malzemeler ile geçekleştirilmesi zor
olan büyük boyutlardaki iletken tel ve teknolojik bantların, iletken, süper iletken, kondansatör ve manyetik malzemeler yapımı için çok büyük önem arz etmektedirler.
Yarım işlenmiş metallerin (teller, şeritler, borular, çubuklar, raylar ve değişik profiller…) oluşturulmaları sürecinde, termal veya mekaniksel işlemlere bağlı olarak metallerin işlenmesinden iki farklı yapı elde edilir, bunlar: iri taneli veya küçük taneli
polikristal yapılar olabilirler. Bu yapıların parçacıkları şekil 1.7’de de gösterildiği gibi
kaotik veya belirli bir yöne doğru yönelmiş durumda olabilirler.
а) iri taneli yönsüz yapı
b) küçük taneli yönlü yapı
Şekil. 1.7 Polikristal yapının grafiksel gösterimi
Polikristal malzemenin iri taneli kaotik yapısı onun sertlik ve gerilme mukavemeti
gibi mekaniksel özelliklerinin azalmasına sebep olmaktadır, buna karşın küçük taneli
polikristal yapıda ise elastik deformasyon özelliğinin arttığı görülmektedir.
Küçük taneli yönlü polikristal yapı en kolay şekilde soğuk elastik deformasyon işleminin (haddeleme, dövme, presleme, presleme ve ekstraksiyon) mekaniksel süreci ile
elde edilmektedir.
1.4.3. KRİSTAL OLMAYAN YAPILAR
Sıvı kristaller, polimerler ve amorf malzemeler kristal olmayan katı yapıya sahiptirler.
Amorf malzemeler uygun içerik ile yakın çevresi olarak monokristal yapı ile kıyaslanabilir, fakat daha uzak çevresi şekil 1.8’de de gösterildiği gibi çok düzensizdir.
13
14
а) kristal
b) amorf
Şekil.1.8 Farklı malzeme modeli
Amorf malzemeler, düzenli yapını eksik olmasından dolayı izotrop malzemelerdirler,
yani her yöne doğru aynı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptirler ve bunun yanında
belirli bir erime sıcaklık noktasına sahip değildirler. Özelliklerine bakılarak amorf malzemeler sıvı malzemeleri andırırlar, bundan dolayı genellikle “soğutulmuş” sıvılar olarak
adlandırılırlar. Aslında, sıvı halden ani bir anda katılaşma ile sıvı iken atom düzeni donakalmış bazı katı malzemelerin amorf yapılarının oluşması olasıdır. Amorf malzemeler
için tipik bir örnek olarak camı gösterebiliriz. Cam örneği dikkatte alındığında amorf
yapıların daha uzun zaman diliminde kararsız olduğu görülmektedir, sebebi ise bu yapının zamanla polikristal yapıya dönüşmesidir. Bundan dolayı cam için zamanla “yaşlanır” deyimi kullanılır. Bu ara bu süreç uzun yıllar sürebilir.
Sıvı kristaller aslında çoklu halli yapı olarak karşımıza çıkmaktadır, yapı düzeni sıvı
(akışkan ve viskozite) ile kristal (anizotrop ve iç yapının süreklilği) arasında bulunmaktadır. Sıvı kristaller, sıcaklığın artmasına bile yan bağları sıvı-kristal oluşturarak muhafaza eden, moleküllerinin asimetrik şekli olan bileşenlerde karşımıza çıkmaktadırlar. Sıvı
kristal için örnek şekil 1.9 a’da gösterilmiştir, şekil 1.9 b’de ve şekil 1.9 c’de sırasıyla yapıların kristal ve sıvı halleri gösterilmiştir.
Şekil. 1.9’da düzenlilik dereceleri gösterilmiştir:
а) kristal hali – yönlü ve periyodik,
b) sıvı-kristal hali – yönlü ve periyodik olmayan,
c) izotrop sıvı hali – yönsüz ve periyodik olmayan.
14
а) kristal
15
b) sıvı kristal
c) izotrop
Şekil. 1.9 Düzenlilik derecesi
Polimerler, çok sayıda küçük molekülün birleşmesi ile oluşan uzun molekül zincirinin polimerizasyon süreci ile sentezlenmesi sonucunda oluşmaktadırlar. Makro moleküllerin uzun zincirinin düzenlilik derecesine bağlı olarak polimerler, kristal, amorf
(polimer örneğinde bu hal camsal olarak adlandırılmaktadır) ve daha önce de belirttiğimiz sıvı-kristal veya sıvı halde (polimerlerde yüksek akışkan olarak adlandırılır) olarak
karşımıza çıkmaktadırlar. Ancak, polimerler için çok büyük elastik ve mekanik deformasyonlara maruz kaldığı lastik yapı denilen durumu söz konusu olmaktadır. Polimerler, geçtiğimiz on yılda yapılan sentez ile elektrik iletkeni olarak uygulanması için çoklu
potansiyel imkanları sunsa da, onun izolasyon karakteristikleri elektroteknik malzemelerinde özellikle büyük önem arz etmektedir. Bunun yanında, çok gergin durumda olan
bazı polimerler ayrıca mekaniksel dayanaklık özelliklere de sahip olabilirler. Bu özellik,
çelik ile karşılaştırıldığında, birkaç kat daha hafif ve daha ucuz olarak polimerlerin özellikle hafif ve dayanıklı yapı malzemeleri olarak kullanılmaları mümkün olmaktadır.
1.5. YASAK ENERJİ BÖLGELERİNİN BÜYÜKLÜKLERİNE GÖRE
ELEKTROTEKNİK MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
1.5.1. YASAK ENERJİ BÖLGESİNİN OLUŞMASI
Malzemenin katı hal teorisinin ana görevlerinden biri, kristal yapının oluşması esnasında atomların birbirine yakınlaşması ile birbiriyle izole edilmiş atomların elektronlarının enerji seviyelerinin ayrık spektrumunun değişiminin incelenmesidir. Bu durumda
kristal, çok sayıda atomdan oluşmuş devasa bir molekül gibi analiz edilebilir duruma
gelir. Pauli dışlama prensibine göre aynı atomda iki elektronun bütün kuantum sayıları
aynı olamaz, en az birinin özelliği farklıdır.
Kuantum sayıları atomdaki elektronların uzaysal yönlerini belirlediklerinden dolayı
birden fazla elektronun aynı anda izin verilen durumlardan birinde bulunamayacağı
15
16
sonucu çıkmaktadır. Bundan dolayı atomun elektronlarının enerji seviyelerinde bölünmeler oluşur, toplamda bu enerji seviyelerine enerji bölgeleri veya bantları denir.
Şekil 1.10’da katı maddelerde izole edilmiş atomların yakınlaşarak oluşturdukları
enerji bölgelerinin farklı seviyelere bölünmesi gösterilmiştir:
а) kristal yapının oluşması sırasında yakınlaşan atomlardan dolayı oluşan enerji bölgelerin tek bir atomun elektronlarının enerji seviyelerinin parçalara bölünmesi,
b) kristaldeki atomlar arasında normal mesafe ile enerji bölgelerinin elektronlar ile
doldurulması.
Bu bölünme atomlar arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak gösterilmektedir. Tüm
seviyelerin eşit şekilde bölünmediği açıktır. Dış seviyeler daha çok bölünürler, bu seviyelerde atom çekirdeğine en hafif şekilde bağlı olan elektron enerjileri mevcuttur. Atomlar
yakınlaştıkça ilk önce burada bulunan elektronlar arası etkileşim meydana gelir. Enerji seviyeleri atom çekirdeğine en yakın olan elektronlar kolay kolay serbest kalamazlar.
serbest atomun
elektronık bölgesi
İletken bölgesi
а) enerji seviyelerin oluşması
Yasak bölge
Valans bölge
b) bölgelerin oluşması
Şekil.1.10 Enerji seviyelerinin grafiksel gösterimi
Şekil 1.10’da gösterilen enerji seviyelerinin toplamına serbest enerji bölgeleri denilmektedir. Bu bölgeler söz konusu olan maddenin elektronlarının bulunabileceği enerji
bölgelerini ifade ederler. Malzemenin elektriksel karakteristikleri söz konusu olduğunda, tamamen ya da kısmen elektronlarla dolu olan valans bölgesi (izole edilmiş atomun
enerji seviyelerine bölünmesi ile elde edilmiş) ve birinci yüksek serbest enerji seviyesi
olarak tamamen boş veya kısmen elektronlarla dolu olan iletken bölgesi önem arz etmektedir. Valans bölgesi altında kalan bölgeler çok küçüktürler ve elektronlarla doludurlar, bundan dolayı katı cisimlerde atomlar arası etkileşimlerde çok az yer almaktadırlar. İletken bölge, adını bu bölgenin elektrik akımının iletilmesindeki mekanizmada olan
rolünden dolayı almaktadır. Mutlak sıfır altındaki sıcaklıklarda şekil 1.10 b’de gösterilen
iletken bölge tamamen boş olacak, valans bölgesine gelince o tamamen dolu olacaktır. Sıcaklığın artması ile elektronlar valans bölgesinden iletken bölgeye geçmeye başlar
dolayısıyla iletken bölge dolmaya valans bölge ise boşalmaya başlar.
Valans bölgesinin tepesi ile iletken bölgenin dibi arasında bulunan yasak bölge genişliği
enerji boşluğu Eg (yasak bölge genişliği) olarak adlandırılır ve genelde eV (1eV 1.6 . 10-19 J)
16
17
ile ifade edilir. Enerji boşluğu ismi veya yasak bölge ismi burada elektronların, bu bölgenin
içerisinde sahip olabilecekleri bir enerji seviyesinin olmamasından gelmektedir.
1.5.2. YASAK BÖLGENİN GENİŞLİĞİNE VE ÖZDİRENÇLERİNE GÖRE
MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
Yasak bölgenin ya da enerji boşluğunun genişliği, malzemenin elektrik enerjisini
iletme konusundaki davranışları için hayati öneme sahiptir. Bu özellik elektroteknik
malzemelerinin sıradaki gibi sınıflandırılmaları için bir kriter olarak karşımıza çıkar: iletkenler, yarı iletkenler, dielektrikler.
İletkenler boş olan enerji seviyelerine sahiptirler ve bu bölge dolu olan valans bölgesinin hemen üzerinde bulunmaktadır. Uygulanan elektrik yükü altında oluşan enerjiden dolayı valans elektronları boş olan daha yüksek enerjiye sahip komşu bölgelere
doğru hareket ederler ve devreden elektrik akımının akmasına sebep olurlar. Böyle bir
durumun valans bölgesi ve iletken bölge birbirlerine dokunduklarında ve birbiri üzerine
çıktıklarında gerçekleşmesi mümkün olmaktadır, daha doğrusu enerji boşluğu olmadığında (Еg=0, yasak bölgenin genişliği sıfıra eşit olduğunda, şekil 1.11 a) gerçekleşir.
İletken
bölge
İletken
bölge
Yasak bölge
Valans
bölge
а) iletken
Valans
bölge
b) yarı iletken
İletken
bölge
Yasak bölge
Valans
bölge
c) yalıtkan
Şekil 1.11 Enerji bölgeleri (grafiksel gösterim)
Yarı iletkenler ve dielektrikler mutlak sıfır sıcaklığında yalıtkan malzemeler gibi davranırlar, çünkü valans bölgeleri tamamen doludur, buna karşın iletken bölgeleri tamamen boş durumdadır. Bu şekilde valans bölgesinde bulunan elektronlar elektrik yükü
taşıyıcıları olamazlar çünkü uygulanan elektrik alanı etkisi altında hareket edememektedirler, yani boş olan komşu enerji bölgelerine geçmeleri mümkün değildir. Bununla birlikte bu malzemeler fizikte tekrardan yarı iletkenler (Eg<3,5 eV) ve dielektrikler
(Eg>3,5eV) (şekil 1.11 b ve c) olarak sınıflandırılırlar. Böyle bir sınıflandırmanın fiziksel
açıdan uygun olduğunu söylemekte yarar var. Bu arada üç valanslı akseptör katkı maddeleri (p tipi yarı iletken) ve beş valanslı donör katkı maddeleri (n tipi yarı iletken) ekleyerek çok düşük sıcaklıklarda bile çok az sayıda elektriksel yük taşıyıcıya sahipler, oda
sıcaklığında ise bu sayı oldukça büyümektedir. Katkı maddelerinin iyonize olmaları için
nispeten küçük bir dış enerjiye ihtiyaç duyulmaktadır (ΔEg≈0,05 еV).
17
18
Şekil 1.12’de grafiksel olarak donör ve akseptör seviyelerinin konumları gösterilmiştir. Resimde de görüldüğü gibi her iki seviye yasak bölgede bulunmaktadır, donör seviyesi iletken bölgenin hemen altında, akseptör seviyesi ise valans bölgesinin hemen
üzerinde bulunmaktadır.
Çok az bir sıcaklık enerjisi, yarı iletkende bulunan donör katkısının çift oluşturamamış beşinci valans elektronunun Еd donör enerji seviyesinden serbest elektron olarak
serbest enerji seviyesine yani iletken bölgeye geçmesine olanak sağlar. Buna benzer
şekilde, akseptör katkılı maddelerde, valans bölgesindeki elektron sıcaklı enerjisi ile kolayca Еa serbest akseptör enerji seviyesine geçerek atomda dördüncü valans çiftinin
oluşmasına sebep olur. Katkı atomuna geçen elektron katkısız olan atomda bir elektron boşluğun meydana gelmesine sebep olur, bu boşluk elektrik alanı etkisi ile komşu
valans elektronlarından ayrılan elektronlardan biri ile dolar ve bu şekilde elektronlara
ters yönde bir hareketin meydana gelmesine sebep olur. Valans bölgesinde oluşan boş
elektron durumu pozitif bir yarım parçacığın oluşmasına sebep olur, bu parçacık boşluk
olarak adlandırılmaktadır. Yarı iletkenlerin davranışlarını analiz ederken aynı anda serbest elektronların iletken bölgesinde ve boşlukların valans bölgesinde nasıl davrandıklarını dikkate almamız gerekir.
Elektronların
iletken
bölgesi
Boşlukların
iletken
Bölgesi
а) n tipinde donör seviyesi
Donör
seviyesi
Akseptör
seviyesi
Boş bölge
Elektron ile
dolu valans
bölgesi
b) p tipinde akseptör seviyesi
Şekil. 1.12 Katkılı yarı iletkenlerde enerji seviyelerinin grafiksel gösterimi
Şimdiye kadar yapılan malzemelerin enerji bölgelerinin sunumları grafiksel olarak
gösterildiler. Şimdiye kadar malzemelerin enerji bölgeleri şema ile gösteriliyordu, ancak fiziksel olarak tek kural, enerjinin elektron momentuma (p) göre fonksiyonuyla eşdeğer olan enerjinin elektron dalga sayısına göre fonksiyonun E(k) diyagramının gösterilişidir. Buna ek olarak, enerji boşluğunu doğrudan ve dolaylı olarak sınıflandırabiliriz
şekil 1.13 а ve b.
Doğrudan enerji boşluğu olan malzemelerde elektronlar, valans bölgesinin tepesinde foton (ışık parçacığı) absorbe ederek, Eg enerji ile elektron momentumunda önemli
bir değişiklik olmadan iletken bölgesinin altına yerleşebilmektedirler. Bu arada, malzeme dolaylı enerji boşluğu içeriyorsa, valans bölgesinin ucundan bulunan elektronun
iletken bölgeye geçiş yapması için fotonlardan absorbe edilen enerji Eg’nin yanında
önemli ölçüde momentum değişikliğinin de olması gerekir. Ayrıca dolaylı geçişlerde
18
19
elektron ve fotonların yanında ayrıca fononların (kristal kafeste titreşimler üreten kuant-parçacık) da olması gerekmektedir.
İletken
bölge
İletken
bölge
Valans
bölge
Foton
Foton
Fonon
Valans
bölge
а) doğrudan enerji boşluğundaki
doğrudan geçişler
b) dolaylı enerji boşluğundaki
dolaylı geçişle
Şekil. 1.13 Maddelerde bölgeler arası geçişlerin grafiksel gösterimi
Dolaylı geçişlerde geçişin oluşması, üç parçacığın aynı anda iştirak etmesinin gerekliliğinde dolayı, sadece iki parçacıkla oluşan doğrudan geçişlere göre daha az olasıdır.
Aynısı ters süreçler için de geçerlidir, burada elektronların iletken bölgeden valans bölgesine geçişi foton emisyonu (serbest kalması) ile oluşur ve burada elektron boşluk ile
rekombinasyon yapar. Rekombinasyon, elektronun iletken bölgeden boşluk bölgesine
geçmesi yani valans bölgesindeki boşluk ile iki parçacığın nötrleşmesi sürecidir, daha
doğrusu boşluk elektron ile doldurulur.
Malzemenin enerji boşluğu türünün farklılıkları yarı iletken uygulamaları için çok
büyük önem arz etmektedir. Yük taşıyıcılarını yavaş rekombinasyon yapmaları transistörlerde ve entegre devrelerde arzu edilmektedir. Bu şekilde söz konusu olan bu elemanlarda ve bileşenlerde elektrik akımı kazancı daha büyük olmaktadır. Bu tür bileşenler için dolaylı enerji boşluğuna sahip malzemeler daha uygun olmaktadır. Daha
hızlı süreçler ise solar hücreler, fotoemisyon eleman (laser, LED diyot) uygulamalarında
kullanılan yarı iletkenler için gerekmektedir. Burada daha hızlı emisyon gerekir, daha
doğrusu Еg enerjisi ile fotonun absorbsiyonu gerekir ve bu yüzden doğrudan enerji
boşluklu malzemelerin kullanılması daha uygundur.
Daha önceleri elektroteknik malzemelerin sınıflandırılmasında genelde onların özdirençleri (ρ) kullanılmaktaydı. Bu sınıflandırmaya göre, oda sıcaklığında iletken malzemelerin özdirençleri ρ ≈10-8-10-6Ωm’dir, yarı iletken malzemelerin ρ ≈10-8-1010Ωm’dir
ve dielektrik malzemelerin ise ρ ≈106-1018Ωm’dir. Yarıiletken malzemelerin ve dielektrik
malzemelerin özdirençlerinin değer aralıkları üs üste geldiklerinde enerji boşluğu büyüklüğüne göre sınıflandırma yapmak, özellikle katkısız (saf ) ve diğer hatalardan arındırılmış malzemeler için daha uygun olmaktadır. Yukarıdaki iddiayı desteklemek açısından mükemmel saflık derecesindeki yarı iletkenler ile dielektrik malzemelerin mutlak
sıfır sıcaklıktaki özdirenç değerlerinin sonuz doğru eğilimleri vardır.
19
20
Buraya kadar anlatılan elektroteknik malzemelerin iki farklı sınıflandırılması da, hem
enerji boşluğunun genişliğine göre sınıflandırılma hem de özdirençlerine göre sınıflandırılma, süper iletken malzemelerin ve manyetik malzemelerin sınıflandırılmasında
kullanılamaz. Bunun sebebi süper iletkenliğin ve manyetizmanın iletkenlik özellikleri
ile aralarındaki temel mekanizma farklılıklarından kaynaklanmaktadır, ki bu özellikler
daha sonra anlatılacaktır.
1.6. ELEKTROTEKNİK MALZEMELERİN MANYETİK
ÖZELLİKLERİNE GÖRE SINIFLANDIRILMASI
Daha önceden bahsettiğimiz gibi, atom pozitif çekirdekten ve onun etrafında dönen
elektronlardan oluşmaktadır. Çekirdek kendi yörüngesi etrafında (çekirdek spini), elektronlar ise çekirdek etrafında ve kendi yörüngeleri (elektronlar spini) etrafında dönmektedirler. Bu dairesel hareketler sonucunda atomda elementer manyetik moment, yani
elementer manyetik dipol oluşur. Diamanyetik malzemeler manyetik malzemelerdirler ve enerji seviyeleri tamamen doludurlar, öyle ki manyetik momentleri sıfırdır. Dış
manyetik alan etkisinde kaldıklarında manyetize olma durumları çok zayıftır, manyetik
alan etkisi ile orantılıdır ve yönü de alan ile ters yöndedir (bu malzemeler manyetik alan
yönü ile ters yönde manyetize olurlar).
Tamamen dolu olmayan ve belirli elektron seviyeleri olan malzemeler, daha doğrusu
sürekli manyetik momentleri bulunan malzemeler, manyetik özelliklerine bağlı olarak
dörde ayrılırlar: paramanyetik, ferromanyetik, antiferromanyetik ve ferrimanyetik.
Paramanyetik maddeler, atomlar arası etkileşimi çok düşük olan, dış manyetik alan
yokluğunda manyetik dipolleri kaotik durumda olan ve toplamları hemen hemen sıfır
olan manyetik malzemelerdirler. Dış manyetik alan etkisinde kaldıklarında manyetize
olma durumları çok zayıftır, manyetik alan etkisi ile orantılıdır ve yönü de dış manyetik
alanı yöndedir, dış manyetik alanı etkisi dışına çıktıklarında manyetize olma durumları
kesilir.
Ferromanyetik maddeler (demir, kobalt, nikel), manyetik dipollerini birbirine paralel
olacak şekilde konumlandırma eğilimindedirler, bu şekilde aynı yönlü manyetik dipolleri
olan. Aynı yönlü dipoller bir etki alanı oluştururlar ve her etki alanı sürekli bir mıknatıstır.
Dış manyetik alan etkisi altında dipol etki alanlar manyetik alan yönüyle aynı yöne yönelirler ve bu şekilde maddede yüksek mıknatıslaşma elde edilir. Oluşan mıknatıslaşma dış
manyetik alnın kuvvetiyle orantılı değildir.
Antiferromanyetik ve ferrimanyetik maddelerde dipoller birbirine paralel olmayacak şekilde konumlanma eğilimindeler. Ferrimanyetik malzemelerin manyetize olmaları
büyük olasıdır, antiferromanyetik malzemelerin manyetize olmaları sıfıra eşittir. Oluşan
mıknatıslaşma dış manyetik alanın kuvvetiyle orantılı değildir. Nispi manyetik geçirgenlik veya permeabilite, bir malzemenin manyetik alan etkisinde mıknatıslaşma yeteneği
kazanmasını açıklayan bir büyüklüktür. Vakum için değer μr=1, diamanyetik malzemeler
için μr<1, paramanyetik malzemeler için μr>1, ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler için ise μr >>1 olur. Ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler daha belirgin manyetik özelliklere sahiptirler ve manyetik malzemeler gibi tanımlanırlar.
20
21
TEKRARLAMA SORULARI
1.1. Atomu oluşturan parçalar hangileridir?
1.2. Temel elektriksel yük miktarı ne kadardır?
1.3. Malzemelerin özellikleri neye bağlıdır?
1.4. Elektroteknik malzemeleri hangi hallerde bulunabilirler?
1.5. Monokristal ve polikristal arasındaki farkı açıklayınız?
1.6. Amorf maddeleri, sıvı kristalleri ve polimerleri açıklayınız ve karşılaştırma yapınız.
1.7. İyonik bağ nasıldır ve hangi malzemelerde bulunmaktadır?
1.8. Kovalent bağını açıklayınız.
1.9. Kristallerde ne tür kusurlar bulunmaktadır?
1.10. Hangi enerji bölgeleri mevcuttur?
1.11. Yasak bölgenin genişliğine bağlı olarak elektroteknik malzemelerde ne gibi
farkların olduğunu açıklayınız?
1.12. Farklı tür yarı iletkenlerde ne gibi rekombinasyon süreçlerine gerek vardır?
1.13. Elektroteknik malzemelerin sınıflandırılmasında kullanılan kriterleri sayınız?
1.14. Manyetik özelliklerine göre malzemelere nasıl sınıflandırılırlar?
21
2.
İletken
malzemeler
  İletken malzemelerin özellikleri
   Elektriksek özellikleri
   İletkenlerin diğer önemli özellikleri
  İletken madde türler
   Öz iletkenliği yüksek olan metaller
   Süper iletkenler
  
Düşük öz iletkenliğe sahip elektrik malzemeleri
ve dirençli malzemeler
  Özel iletken malzemeler
İLETKEN MALZEMELER
25
2.1. İLETKEN MALZEMELERE GİRİŞ
Daha önceki konularda, iletkenlik derecesi, elektriksel yük taşıyıcıları (iletme şekli)
ve madenin halleri bakımında değişik tür ve yapıda iletkenlerin olduğunu belirtmiştik. Aynı şekilde iletken malzemelerin enerji boşluğunu yani yasak bölgesinin olmadığı da söylenmişti. İletkenlerde valans bölgesi ve iletken bölge üs üste gelmektedirler
ve özdirençleri 10-8 ile 10 -6 Ωm sınırları arasında değişmektedir. Yasak bölge olmadığından dolayı iletken bölgede serbest elektronlar mevcuttur, bu serbest elektronlar
mutlak sıfır sıcaklığı üzerindeki sıcaklıklarda ısıyı bir dış enerji olarak kabul ederler ve
kaotik bir şekilde hareket etmeye başlarlar. Eğer bu iletken malzemeyi E kuvvetinde
bir dış elektrik alanı etkisi altında bırakırsak, malzemede serbest dolaşan elektronlar
E dış elektrik alanı yönüyle ters olacak şekilde hareket etmeye başlayacaklar. Elektronların kristal yapının üzerinde yönlü hareket etmeleri bir elektrik akımının akmasına neden olur, sonuç olarak böyle bir hareketin oluşması söz konusu olan iletken
malzemeden elektrik akımının akması demektir. Elektrik akımının oluşmasına sebep
olan elektronlara serbest elektronlar denir, bu elektronların sayısı ve karakteristikleri
o iletken malzemenin elektriksel özelliklerini belirlemektedir.
Elektriksel yük taşıyıcıları bakımından iletkenleri, birini sıradan iletkenler (metaller ve bunların alaşımlar, burada elektriksel yük taşıyıcıları elektronlardırlar) ve ikinci
sıradan iletkenler (elektrolitler, burada elektriksel yük taşıyıcıları iyonlardırlar) olarak
sınıflandırırız.
Elektrik iletkenlik derecelerine bağlı olarak metaller ve onların alaşımları dört
önemli grup şeklinde sınıflandırılırlar: yüksek elektriksel iletkenliğe sahip metaller,
düşük elektriksel iletkenliğe metaller, dirençli metal alaşımlar ve özel iletken malzemeler. Yüksek elektriksel iletkenliğe sahip metaller (bakır (Cu), alüminyum (Al), gümüş
(Аg), altın (Au)) özdirençleri en düşük olan malzemelerdirler (ρ~10-8 Ωm) ve bu yüzden iletken yapımında kullanılmaktadırlar. Düşük elektriksel iletkenliğe sahip metaller
(nikel (Ni), demir (Fe), kalay (Sn), kurşun (Pb), molibden (Мo), volfram (W), platin (Pt),
çinko (Zn) vb.) daha yüksek özdirence ρ~10-7 Ωm) sahiptirler ve elektroteknikte spesifik durumlarda kullanılmaktadırlar. Dirençli alaşımlar (kanthal, manganin, konstantan
vb.) tüm iletkenler arasında özdirençleri (ρ ~10-6 Ωm) en yüksek olan metal alaşımlardırlar ve bu yüzden ısıtma telleri ve direnç yapımında kullanılırlar. Özel iletken malzemeler, termoelektrik bağ, lehimleme, sigortalar, elektrik kontakları, galvanize elemanlar, akümülatörler vb. elektrik elemanların ve cihazların yapımında kullanılırlar. Özel
uygulamaları nedeniyle, ayrıca kullanılacak iletken malzemelerinin büyük boyutlarda
olması gerekliliğinden dolayı, hemen hemen her zaman polikristal yapılı iletkenler
kullanılmaktadır. Diğer yandan üretimleri sırasında uygulanan mekanik ve termik süreçler bu iletkenlerin özelliklerini belirlemekte en büyük etkendir.
İLETKEN MALZEMELER
25
26
İLETKEN MALZEMELER
2.2. İLETKEN MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ
2.2.1. ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLER
Yarı iletkenlerden farklı olarak, iletken maddelerde elektriksel yük taşıyıcıları sadece
elektronlardırlar, bu elektronlar, metal katyonların kristal kafesine batırılmış olan elektron gazı şeklinde davranırlar. Metallerde özdirenç (ρ) ifadesi sıradaki denklem ile ifade
edilir:
U
1
V
1
e n Pn
(2-1)
Burada σ öziletkenlik, n- iletken elektronların yoğunluğunu ve μn - elektronların maddedeki hareketlerini ifade etmektedir. İletken elektronların yoğunluğu sıcaklığa göre
sabit (çünkü tüm valans elektronları halihazırda serbest bulunmaktadırlar, daha alt
elektron seviyelerinde bulunan elektronlar düşük sıcaklıklarda çok zor iyonize olmaktadırlar) olduklarını göz önünde bulundurursak, sıcaklık bağımlılığı katsayısı ρ(Т)’nun
sadece μn(T) elektron hareketliliği katsayısına bağlı olduğu sonucuna varmaktayız.
Bundan dolayı metallerde özdirencin sıcaklığa olan bağımlılığı analizi yapıldığında
hareketlilik pek kullanılmaktadır (yarı iletkenlerde olduğu gibi, burada doğrudan ρ(Т)
analizi yapılmaktadır).
Öziletkenlik (а) ve özdirenç (ρ) sıcaklığa, malzemenin saflığına ve işlenme şekline
göre bağımlılık göstermektedir. Sıcaklığın artması iletken malzemenin özdirencinin değeri de artmaktadır. Malzemenin direncinin sıcaklığa olan bağımlılığı direnç sıcaklık
katsayısı αt ile ifade edilir ve değeri 1оC’lik sıcaklık artışında meydana gelecek direnç
değişikliğinin değerine eşit olmaktadır.
Dt
1 Rt1 Rt

t1 t
Rt
(2-2)
Direnç, eğer αt direnç sıcaklık katsayısının değeri 20оC (α20) için biliniyor ise (bu değer
tablodan okunabilir), belirli bir t sıcaklığında aşağıda verilen formül kullanılarak hesaplanabilir.
Rt=R20[1+20(t-20)]
(2-3)
Direnç sıcaklık katsayısının αt değeri pozitif (metaller için) ve negatif (elektrolitler,
grafit ve bazı alaşımlar için) olabilmektedir.
Metallerin özdirençlerinin değişiminin sıcaklığa olan bağımlılığı, şekil 2.1’de bakır
için örnek olarak gösterilen ρ(Т) diyagramı ile analiz edilecektir. Diyagramda dört farklı
sıcaklık aralığı ile karşılaşmaktayız. Birinci aralıkta (I), 0К ile Т1 arasındaki sıcaklığın ifade
edildiği aralık, burada özdirencin sabit olduğunu görmekteyiz, çünkü çok düşük sıcaklıklarda (<10 К) kristal kafesteki bakır iyonlarının titreşimleri ihmal edilecek derecede
düşüktürler.
26
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
27
Ayrıca çok düşük sıcaklıklarda, sıcaklık değişimlerinin kristal kafesin kusurları bakımından etkisi önemsizdir. Metallerdeki minimum özdirenç değeri azaltılmış elektriksel
özdirenç (ρz) olarak adlandırılır ve değeri metalin kimyasal olarak saf olmasına, türüne
ve kusurlarına bağlıdır. Metal iletken içerisinde birden çok kusur barındırması durumunda, ρz değeri o kadar daha büyük olur, bununla beraber artan herhangi bir sıcaklıkta da özdirenç değeri daha büyük olacak.
Şekil. 2.1 Bakırın özdirencinin sıcaklıkla olan ilişkisi
II. bölgede özdirenç çok hızlı bir şekilde yükselmeye başlar, Т5 kuralına göre, daha
sonra üçüncü bölgede (III) T ile orantılıdır. Lineer olan bu bölge genelde elektroteknikte
metal iletkenlerin çalışma bölgesi olarak uygulanmaktadır. Bu bölge için sıradaki bağlantı geçerli olmaktadır:
Ut
U to >1 E t t t o @
(2-4)
Burada βt elektriksel özdirencin sıcaklık katsayısını ifade etmektedir. Erime sıcaklığının çevresinde (T3), ρ(Т)’daki değişiklik lineer bağımlılık özelliğini kaybetmektedir.
Bundan sonra metalde erime meydana gelir, metal amorf duruma geçer ve dördüncü
bölgede (IV) özdirenç değerinde (sıçramalar) dalgalanma meydana gelir.
Herhangi bir metalin saflık yüzdesi daha büyük ise ve serbest dolaşan elektron sayısı
daha çok ise, metal iletkenin iletkenliği de o kadar yüksek olur ve tersi olarak, metal
iletkenin saflık yüzdesi ne kadar az ise, yani metal çok sayıda katkı maddesi içerirse o
zaman iletkenliği o kadar azalacaktır. Katkı maddeleri özellikle düşük sıcaklıklarda daha
çok etki etmektedirler.
2.2.2. İLETKENLERİN DİĞER ÖNEMLİ ÖZELLİKLERİ
İletken uygulamalarında, elektriksel özelliklerin yanında, sıcaklık, yapısal, mekaniksel,
kimyasal özellikler de çok önemlidirler, özellikle bu özelliklerin birbiriyle olan ilişkileri.
İLETKEN MALZEMELER
27
28
İLETKEN MALZEMELER
İletken malzemenin karakteristik olan fiziksel özelliklerinden bazıları: özgül ağırlık, öz ısı, ısıl iletkenlik, erime noktası ve lineer ısı genleşme katsayısı. Özgül ağırlık bir
maddenin bir metre küp içerisindeki kütlesinin kilogram cinsinden ifade edilmesidir
(bir maddenin birim hacminin ağırlığıdır). Öz ısı (özgül ısı) bir maddenin bir gram miktarının sıcaklığını 1oC artırmak için gerekli olan sıcaklık miktarıdır. Isıl iletkenlik, zaman
biriminde 1oC sıcaklık farkında madde üzerinden aktarılan sıcaklık miktarıdır. Metalin
ısıl özellikleri, iletken elektronların üzerinden sıcaklığın taşınması ile ve kristal kafesin
titreşimleri (fononlar) sonucunda ortaya çıkmaktadır. Dielektrik maddelerden farklı olarak, iletken maddelerde elektronların ısı iletimi mekanizması daha baskındır. Lineer ısı
genleşme katsayısı, sıcaklığın 1оC değişimi için maddenin kaç mm için uzayacağını ifade eden katsayıdır.
İletken yapı, geniş açıdan bakıldığında, genelde düzgün yönü olmayan monokristal taneciklerden oluşmuş polikristal bir yapıdır. Bundan dolayı metallerin makro özellikleri monokristallerin özelliklerine göre önemli ölçüde daha az anizotropdurlar. Kristal
tanelerinin ölçek ve oryantasyonlarına önemli ölçüde termik ve deformasyon işlemlerinin koşulları etki etmektedir.
İletkenin en önemli mekanik özellikleri: orantısal sınır, esneklik sınırı, akışkanlık sınır, çekme mukavemeti, uzama, sertlik ve dayanıklılık. İletken maddelerin çekme mukavemeti davranışlarına göre iki gruba ayırabiliriz, bunlar: plastik ve elastik-plastik malzemeler. Şekil 2.2’de gerilim diyagramı gösterilmiştir, burada yumuşak bakır için birim
uzama ve esnek-plastik yumuşak çelik için birim uzam gösterilmiştir.
а) plastik (yumuşak bakır)
b) esnek-plastik (yumuşak çelik)
Şekil. 2.2 Gerilim etkisi altında malzemelerin uzaması diyagramı
Orantı sınırı (аpr), birim uzama ile gerilim arasındaki (tüpün ilk halinin kesitinin birim
alan başına düşen kuvvet, yani standart boyutlarda bir malzemenin incelenmesi) birim
alan başına kuvvet) lineer ilişkiyi ifade eder. Esneklik katsayısı (ае), malzemenin dış kuvvetlerin etkisinden çıkınca üzerinde sürekli oluşacak uzama deformasyonunun değeri
0,01% ile 0,005% arasında kalmasına neden olan gerilimdir.
28
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
29
Akışkanlık sınırı (аv), çok küçük kuvvetlerde malzemenin önemli plastiksel deformasyonların oluştuğu gerilimi ifade eder; plastik malzemeler için akışkanlık sınırı %0,2’lik bir
uzamanın sürekli hale gelmesine sebep olan gerilim tanımlanır ve sınır olarak %0,2’lik
değer belirlenir. Gerilme sertliği (аm), malzemenin ilk haline göre birim alan üzerinden
maksimum gerilim kuvveti üreten bir gerilime karşılık gelmektedir. Uzama (E), malzemenin o anki birimi uzunluğunun başlangıç birim uzunluğuna oranı, yüzdesel olarak
ifade edilmesidir. Setlik, belli bir şekli olan çok sert bir madde kullanarak (çelik bilyeler
veya dört köşeli elmas piramit) metal yüzeyinden içeriye doğru aşındırma yapılırken
gösterdiği dirençtir ve oluşan izin uygulanan basınç gücüne olan oranı temsil eder. Dayanıklılık, metalin tek bir hamle ile kırılması birim alan kesiti başına harcanması gereken
iş olarak tanımlanır.
İletken malzemelerin temel kimyasal özelliklerinden bir tanesi onun korozyona
karşı dayanıklı olmasıdır. Korozyon etkisi altında metalin dayanaklığı, setliği, azalır, metal yorgunluğu ve aşınması artar, eskimesi hızlanır ayrıca rengini ve parlaklığını kaybeder. Mekanik ve teknolojik özelliklerinin bu değişiklikler, malzemenin korozyona karşı
direncinin bir göstergesi olarak karşımıza çıkmaktadır.
Teknolojik özellikler bakımında metalin soğuk süreci (haddeleme, dövme, ekstraksiyon) dayanıklılığını artırmaktadır, sıcak prosesi (demir döküm) ise onun iletkenliğini
arttırmaktadır.
Maddelerin optik özellikleri üzerlerine düşen ışık sonucunda kazandıkları özellikleri
ifade etmektedir. Maddelerin optik özellikleri, onların ışıklandırmada (madde tarafından ışığın yayılması), foto iletken, solar hücre, fiber optik ve telekomünikasyon alanında kullanılmalarına neden olur.
Genel olarak, katı cisimler üzerine ışık düştüğünde bir kısmı yansır, bir kısmı absorbe
edilir, bir kısmı transfer edilir ve bir kısmı kırılır.
Toplam ışığın şiddeti I0 ayrı ayrı tüm ışık şiddetlerin toplamına karşılık gelmektedir.
IR = IR+ IT+ IA + IS
(2-5)
Metallerde karakteristik optik özelikler ışığın emilmesi ve ışığın yansıması olarak
karşımıza çıkmaktadır. Metal üzerine ışık düştüğünde fotonlar valans elektronları tarafından emilirler, bu durumda valans elektronları daha yüksek enerji seviyesine geçerler.
Lineer ışık emilmesi karakteristik bir büyüklük olarak karşımıza çıkmaktadır. Tersi olarak,
yansıma süreci, karşımıza metal elektronunun foton şeklinde ışık yaması şeklinde karşımıza çıkar, öyle ki elektron ışık yayarak daha düşük enerji seviyesine geçer. Yansıyan
ışığın frekansı daha önceki durumda foton şeklinde metal üzerine düşen fotonun frekansı ile aynı değerdedir. Metaller yüksek yansıma değerleri (IR/I0 yansıma değeri 0,90%
ile 0,95% arasındadır, yani parlak maddelerdirler) ile karakterize edilirler. Sonuç olarak,
metaller üzerine düşen ışığın hemen hemen tamamını yansıtırlar.
İLETKEN MALZEMELER
29
30
İLETKEN MALZEMELER
2.3. İLETKEN MADDE TÜRLERİ
2.3.1. ÖZİLETKENLİĞİ YÜKSEK OLAN METALLER
En önemli elektroteknik malzemeler, özellikle enerji açısında öz iletkenliği yüksek
olan metaller karşımıza çıkmaktadırlar. Günümüzde, iletken tesisat kabloları, enerji taşıma hatları, özellikle endüstri ve insanların günlük yaşamları açısından vazgeçilmezdirler. Ayrıca iletken teller elektronikte bağlantıların oluşturulması, katmanlar arası
tabakaların yapımı ve daha çok yerlerde karşımıza çıkarlar ki bu cihazlar da mutlaka
insanların günlük hayatlarını etkilemektedirler.
2.3.1.1. BAKIR, ALÜMİNİYUM, GÜMÜŞ VE ALTININ ÖZELLİKLERİNİ
KARŞILAŞTIRMA YAPARAK ANALİZ ETMEK
Bakır (Cu), alüminyum (Al), gümüş (Ag) ve altının (Au) en yüksek öz iletkenliğe sahip
metaller olduklarını göz önünde bulundurarak, bu metallerin tablo 2.1 de gösterilen
en önemli parametreleri baz alınarak karşılıklı olarak özelliklerinin analizini yapacağız.
Ağ karşımıza en düşük özdirence sahip metal (ρ) olarak çıkmaktadır, fakat fiyat göz
önünde bulundurulduğunda tel iletkenlerin yapımında Cu ve Al daha büyük önem taşımaktadırlar. İletkenlik özellikleri bakımından Cu Al’ya göre daha iyi bir metaldir, özellikle izolasyonlu tesisat kablolarında elektrik akımının iletilmesi için (çalışma gücü 1kV
ve daha düşük) yarım yumuşak ve sert bakır, elektrik makinelerinde ve elektrikli cihazlarında ise yumuşak bakır kullanılmaktadır.
Ancak, daha düşük maliyet açısından Al giderek toprakaltı enerji kablolarında (çalışma gücü 1kV den daha yüksek hatlarda) uygulanmaya başlanmıştır. Ayrıca düşük öz
kütleye sahip olduğundan trafolardan son kullanıcılara kadar olan hava elektrik dağıtım hatlarında (mekanik zorluklara dayanıklı olduklarından) kullanılmaktadır.
Gerilme direnci (σm) ve sertliği (HB) bakırın Cu daha büyüktür, ancak alüminyum –
alder alaşımı uzak hava enerji hatlarında iletken kablo yapımı için gerekli sertliği sağlamaktadır, fakat bu amaç için yinede yarım sert ve sert bakır ve bakır alaşımları da
kullanılmaktadır. Bakır alaşımlarından bazıları: Mg, Sn, Cd, Zn elementlerinin belirli yüzdelerini içeren bronz (Bzl, II veya III), bakır ve çinko (Zn), messing (iletken üzerinde Ms
işareti ve iki rakamlı bir sayı içerir, bu sayı bakır içeriğini ifade eder). Tüm bu alaşımlar
bakıra göre daha dayanıklı ve gerilmeye karşı daha dirençlidirler, ayrıca korozyona karşı
dayanıklıdırlar. Kabloların yanında bu alaşımlar bağlantı uçları, sigortalar, konektörler,
terminaller ve daha bir çok eleman parçası olarak kullanılırlar.
Mikro elektronikte 25 μm çapında ince iletken tellerin yapımı ve iletim tabakaları
için (Al-SiO2 birleşmesinde oluşan mekanik dayanıklık ve ayrıca AL-Si bağlantı uçlarında
yönlendirilmemiş omik kontaktörlerin oluşturulabilmesinden dolayı) genelde Al tercih
edilmektedir. Alüminyumun düşük erime sıcaklığı (tt), onun MOS teknolojisinin uygulandığı silisyum entegre devrelerinde kullanılmasını belirli ölçüde sınırlandırmaktadır.
Özel entegre devrelerde daha iyi karakteristiklere sahip ince bağlantı tellerin yapımında Au kullanılmaktadır.
30
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
31
Tablo. 2.1. Daha önemli iletkenlerin ve onların uygulanmaları bakımından bazı
önemli parametrelerin karakteristiklerin karşılaştırma tablosu
Parametre
Cu
Al
Ag
Au
(m)
1,7241·10-8
2,78·10-8
1,65·10-8
2,35·10-8
§ cm 2 ·
¸¸
P n ¨¨
©V s ¹
32
12
56
30
§ W ·
¨
¸
©mK ¹
390
230
420
295
t1(°C)
1.083
660
961
1.063
§ g ·
Um ¨ 3 ¸
© cm ¹
8,92
2,70
10,49
19,32
§ N ·
Vm¨
2 ¸
© mm ¹
200 - 450
70-170
-
-
§ N ·
HB¨
2 ¸
© mm ¹
400 - 950
170-350
250
180
Fiyat
düşük
en düşük
yüksek
çok yüksek
iletkenler,
kablolar, hatlar
Uygulama
alaşımlar: messing kablolar, hatlar
(kontaktörler,
entegre
terminaller)
devreler
bronz
(hatlar,

iletken
süper iletken
katmanlar
matrisleri),
süper
alaşım derecesi
iletken
düşük alaşımlar
matrisleri
(kontaklar,
alaşımlar:
kolektör
alder
plakları,
(hatlar, yapı
anahtarlama
malzemeleri)
levhaları)
sigortalar
özel
kontaklar
kontaklar
entegre
devrelerde
özel
bağlantılar
termokuplar
(alçaksıcaklıklar)
matrisler
(yükseksıcaklık süperiletkenler)
termokuplar
(alçak
sıcaklık-lar
için)
termokuplar
Yüksek iletim özelliklerine sahip malzemelerin sigortaların (Al, Ag) ve termokuplarların (Cu, Ag) yapımında önemli yer tutmaktadırlar. Bu elemanlar için daha detaylı bilgi
ileriki konularda verilecektir.
İLETKEN MALZEMELER
31
32
İLETKEN MALZEMELER
Bunun dışında, çoklu fiber süper iletken tellerin yapımında, efektif yardımcı soğutmanın (sıvı He veya sıvı N2) kullanıldığı, mekaniksel bakımdan çok sağlam bir yapı sağlayan kompozit metal matrisler (bronz, Cu, Al, Ag) kullanılmaktadır. Kompozit yapı (karmaşık yapılı metal) iki farklı türden malzemenin karıştırılması ile elde edilir, genelde bu
malzemelerden biri daha dayanıklı diğeri ise daha sert yapıya sahiptir. Her ne kadar
bu tür kompozit yapılar iletkenin mekaniksel özelliklerini iyileştirmek için kullanılsa da,
ayrıca süper iletken kompozit çoklu fiber (eğilme dereceleri yüksek) iletkenlerin yapımında da kullanılmaktadır.
Ayrıca belirtilmelidir ki, soğutma bu tür iletkenlerin ısıl iletkenliği açısında, özellikle
yüksek manyetik alanı etkisi altında süper iletken malzemelere için bu değer alüminyumda bakıra göre daha yüksek olabilmektedir (düşük manyetik alanı için tersi bir durum ile karşılaşırız).
2.3.2. SÜPER İLETKENLER
Süper iletken maddelerin öziletkenliklerinin en yüksek olduğunu göz önüne bulundurarak, düşük öz iletkenliğe sahip maddelerin analizine geçmeden önce, elektroteknikte her gün daha çok kullanım alanı bulan bu maddeler hakkında bazı bilgilerin
paylaşılması faydalı olacaktır.
Süper iletkenlik, maddenin özdirencinin değerinin aniden sıfıra düşmesi ya da kısacası ortadan kaybolması olayıdır. Bazı maddelerde ise mutlak sıfıra yakın bir değere
düşmesi yani kritik sıcaklık (Tc) seviyesine ulaşması olayıdır. İlk olarak deneysel anlamda, süper iletkenlik olayını, Hollandalı bilim adamı Kamerling Ones 1911 yılında
cıvanın davranışlarını inceleyerek ortaya koymuştur.
On yıllar öncesine kadar bilinen en yüksek kritik sıcaklık eşik değeri yaklaşık olarak
23,2 К’di (Nb3Ge için), öyle ki bu süper iletkenlerin soğutulması için sıvı helyumun
(kaynama noktası 4,2К) kullanılması gerekmekteydi. Fakat, 1986 yılında yüksek ısıya
dayanıklı oksit seramikler olarak adlandırılan yeni tür süper iletkenler keşfedilmiştir.
Kısa sürede bu maddelerin kritik sıcaklık eşik seviyesi 100 K olduğu tespit edilmiştir.
Bu seviye bu maddelerin sıvı azotla (kaynama noktası 77,3К) soğutulabilecekleri anlamına gelmektedir ki sıvı azot sıvı helyumdan yaklaşık olarak 100 defa daha ucuzdur.
Geçtiğimiz yıllar içerisinde yapılan bu keşifler bu alanda yeni araştırmaların ve yeni
yatırımların yapılmasına neden olmuştur. Bu araştırmaların ve yatırımların sonucunda
önümüzdeki yıllarda, aynen daha önce yarı iletkenlerde olduğu gibi, elektroteknikte
yeni teknolojik bir devrimin yaşanacağı tahmin öngörülmektedir. Bu yolda süper iletkenlerin kritik akım yoğunluğunun (Јc) artırılması gerekir, ayrıca elektronikte (entegre
devrelerde) pazar paylarını artırmaları, enerjide (kablolar, jeneratör sargıları, motorlar,
mıknatıslar, elektrik donatımları vb), ölçme tekniğinde (yüksek çözünürlükte kuantum interferometreler - Michelson girişimölçeri) daha geniş kullanım alanı elde etmeleri gerekir.
32
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
33
2.3.2.1. SÜPERİLETKENİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ
Özdirencinin değerinin sıfıra ani düşüşünün (şekil 2.3) yanında, ayrıca T<TC şartı altında dış manyetik alanı etkisi altında kalan süper iletkenin üzerinde taşıdığı manyetik
akının artması ile karakterize edilmektedir.
Şekil 2.3 ρ’nun sıcaklık değişimi
Şekil 2.4 а şıkkında normal iletken, şekil 2.4 b şıkkında ise süper iletken gösterilmiştir.
Bu olaya Meissner efekti denir, ismini bu olayı 1933 yıllında keşfeden bilim adamından
almaktadır. Bu özellik Meissner efekti olarak bilinmekte olup, kritik sıcaklığın altındaki süper iletken bir malzemeye yüksek olmayan bir alan uygulandığında malzemenin
bu manyetik alanı dışlaması prensibidir. Eğer daha önceden soğutulmuş süper iletken,
kendi kritik manyetik alanından (Hc) daha büyük olan bir H manyetik alanı etkisi altına
girerse, Meissener efekti oluşmaz ve hatta süper iletken kendi süper iletkenlik özelliklerini kaybedecektir. Analog olarak bu efekt ayrıca süper iletken üzerinde daha büyük
kritik yoğunlukta (Jc) bir akımın oluşmasına neden olacak bir akımın geçirilmesi ile de
elde edilebilir, öyle ki, süper iletken telin yüzeyinde kritik manyetik alan (Hc) oluşacaktır.
Süper iletken üzerinden akan akımın şiddeti belli bir değere ulaştığında üzerinde kritik
manyetik alanı oluşmaya başlayacaktır. Bundan sonra madde süper iletkenlik özelliklerini kaybetmeye başlayacaktır. Bu olayın oluşması anında kritik akım yoğunluğu (Jc)
dediğimiz olay meydana gelir. Şimdiye kadar elde edilen kritik akım yoğunluğunun en
yüksek değeri yaklaşık olarak 2 000 А/mm2 (Ti-Nb- Zr alaşımı için).
а) iletken
b) süper iletken
Şekil. 2.4 Manyetik alan etkisi altında iletken ve süper iletkenin davranışları
İLETKEN MALZEMELER
33
34
İLETKEN MALZEMELER
Tablolarda TC, HC, ve JC değerleri, kalan diğer iki değerin yeterince küçük olması durumunda, genelde sadece tek bir değer gösterilmektedir. Genel olarak süper iletkenler
için şekil 2.5’te gösterilen bir diyagram kullanılır. Burada süper iletkenlik durumu ifade
edilir.
Şekil. 2.5 J, T, H koordinat sisteminde süper iletkenlik durumu
Elektroteknikte Josephson eklemleri (bağlantıları) adlandırılan yapı uygulanmaktadır. Josephson eklemleri 10 nm kalınlığında ince bir oksit tabakası ile ayrılan iki süper
iletken yapıyı ifade eder. Her iki iletkendeki elektronlar birbiriyle uyumlu şekilde hareket ederler ve bundan dolayı bu yapılarda süper ileti akımı var olmaktadır. Josephson
eklemleri ultra yüksek çözünürlüğün kullanıldığı ölçme tekniklerinde büyük önem arz
etmektedir, ayrıca gelecekte süper iletken mikro elektronik mantık devrelerinde süper
anahtarlar gibi kullanılabilecekleri varsayılmaktadır.
2.3.2.2. SÜPER İLETKEN MADDELER
Uygun kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda süper iletim durumuna geçebilen yaklaşık 20’den fazla metal element bulunmaktadır. Fakat elementer süper iletkenlerin ortak bir özelliği, kritik sıcaklık (Тс) değerlerinin düşük olmasıdır (metallerin bir çoğunun
kritik kaynama noktası sıvı helyumun (Не 4,2К) kaynama noktasından daha düşük).
Ayrıca kritik manyetik alanları (Hc) ve kritik akım şiddeti yoğunlukları (Jc) da düşüktür.
Bu özellikler onların mikro elektronikteki mantık devrelerinde ve ölçme tekniğinde kullanılmalarını sınırlandırmaktadır. Süper iletkenlik ilk olarak kritik sıcaklığı 4.15°K olan
cıvada keşfedilmiştir.
Temel süper iletken metallerin en önemli temsilcileri tablo 2.2’de de gösterilen kurşun (Pb) ve niobyum (Nb) metalleridirler.
34
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
35
Tablo 2.2 Daha önemli süper iletkenlerin ve onların uygulanmaları bakımından
bazı önemli karakteristiklerin karşılaştırma tablosu
Karakteristkler
Pb
Nb
Nb3Sn
TixNbyZr1-x-y
Yba2Cu3O7
Bi2CaSr2
Cu2O8
Tc(k)
7,2
9,3
18,1
~ 10
94
106
§ kA ·
¨ ¸
©m¹
63,9
157,6
16.000
~8.000
~200.000
~100.000
§ A ·
¨
2 ¸
© mm ¹
25
80
1.300
~2.000
~100
~100
HC
JC
Soğutma
ajansı
Sıvı N2 (77.3K)
Sıvı He (4.2K)
Potansiyel uygulama
alanları:
Ag matrisli süper iletken
teller (mıknatıslar,
jeneratörler)
Uygulama
alanları
Josephson
eklemi (mantık
devreleri,
ultra yüksek
çözünürlüklü
ölçme tekniği)
Bz-matrisli
süper iletken
teller (elektro
manyetik
sargılar
~20T)
Cu veya Al
matrisli süper
iletken teller
(süper iletken
jeneratörlerin
rotorlarının
sargıları)
motorlar, süper iletken
donatılar vb.)
süper iletken kablolar
Josephson eklemi
(mantık devreleri,
ölçme tekniği)
суперпроводни врски
во Si-интегрални кола
Elementer süper iletkenlerin özellikleri onların enerji alanında kullanılmaları için yeterli değildir çünkü bu alanda Hc ve Jc değerlerinin çok daha yüksek olmaları istenmektedir.
İstenen bu özelliklere bazı süper iletken bileşimlerinde ve alaşımlarında karşılaşmaktayız. Bu türden en önemli süper iletkenler olarak niyobyum, kalay alaşımını ve titan, niyobyum, zirkonyum alaşımını gösterebiliriz.
Şimdiye kadar bahsedilen süper iletken malzemeler kritik sıcaklığı Tc < 20 K olan düşük sıcaklıklı süper iletken kategorisine aittirler, uzun yıllar bu malzemeler için pek fazla
bir önem gösterilmemiştir. Fakat 1986 yılının sonlarına doğru ve ileriki yıllarda yüksek
ısıya dayanıklı oksit seramikler olarak adlandırılan ve kritik sıcaklığı daha yüksek olan
yeni tür süper iletkenler keşfedilmiştir.
İLETKEN MALZEMELER
35
36
İLETKEN MALZEMELER
2.3.2.3. SÜPER İLETKENLER VE KABLOLAR
Süper iletkenler süper olmayan iletken matrisin (örgünün) içine yerleştirilmiş çoklu
süper iletken elyaflardan meydana gelmektedir (şekil 2.6).
Şekil. 2.6 Süper iletken teller ve kablolar
Süper iletken elyafların kalınlıkları yaklaşık olarak 10-100 μm civarındadır, öyle ki bir
süper iletken tel içerisini yüzlercesi hatta binlercesi yerleştirilebilir. Süper iletken olmayan metal örgü olarak bronz, alüminyum, bakır ve gümüş kullanılır.
Süper iletkenlerin en önemli ve potansiyel kullanım alanlarından biri, gelecekte
elektrik enerjisi kayıplarının büyük ölçüde azalmasına neden olacak, enerji süper iletim hatların hayata geçirilmesidir. Burada kesinlikle uzuz olan sıvı azot ile soğutulabilen yüksek sıcaklıkta çalışabilen süper iletkenler bahsedilmektedir. Süper iletken kablolarda, kablonun kendisi gibi S1 ve S2 sekonder sargılar da süper iletkenden yağılmıştır
ve sıvı yardımcı soğutucu (helyum veya azot) içine batırılmış olmaları zorunludur.
Bu şekilde elektrik enerjisinin iletilmesinin en büyük zorluğu, enerji hattı boyunca
süper iletken kabloların kritik sıcaklık seviyesi altında tutulmasının gerekli olmasıdır,
bu gereklilik nispeten pahalı bir uygulamadır. Bu gibi enerji iletim hatlarının uygulanabilirliği her şeyden önce ekonomik açıdan hesaplı olup olmadıkları ile alakalıdır. Halihazırda bu ve buna benzer uygulamalar niyobyum-kalay temelli süper iletken kablolar
ile deneysel uygulamalar yapılmaktadır. İçi boş bir bakır borunun kullanıldığı ve bu iç
tabakanın sıvı helyum ile soğutulmaktadır, ayrıca süper iletken kablonun dış etkilerden korumak ve ısı yalıtımı yapmak için vakum – tabaka kullanılır (şekil 2.7). Malzeme
teknolojisi hala son sözünü söylemiş durumda değildir ve yüz defa daha ucuz olan sıvı
azotlu yardımcı soğutucunun uygulanabilir olması, yüksek sıcaklığa dayanıklı oksit seramik süper iletkenlerin gelişimini daha cazip yapar ve ekonomik açıdan hesaplı duruma getirir, bununla beraber süper iletkenlerin bu alanda uygulanabilir olmalarını mümkün kılar. Bunların gerçekleşmesi durumunda 10 GVA enerji gücünün, 1.000 KV gerilim
altında iletilmesi açısından hiçbir engel kalmayacaktır.
36
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
37
Elektrik bölümü
1. sıvı helyum
2. niyobyum tabakalı süper iletkenin parçalara
ayrılmış bakır borunun içine yerleşmiş faz
iletkeni
3. düzgünleştirme karışımı
4. sıvı helyumlu kağıt izolasyon bandı
Koruma bandı
5. elektrostatik ekran
6. sıvı helyum
7. niyobyum tabakalı süper iletkenin parçalara
ayrılmış bakır borunun içine yerleşmiş
koruma iletkeni
8. kriyojenik kabuğun iç çubuğu
9. vakumlu süper izolasyonu
10. kriyojenik kabuğun dış çubuğu
11. PVC izolasyon
Şekil. 2.7 1,3 GW/110kv değerleri için kullanılan süper iletken kablonun yapısı
2.3.3. DÜŞÜK ÖZİLETKENLİĞE SAHİP ELEKTRİK MALZEMELERİ
VE DİRENÇLİ MALZEMELER
Cu, Al, Ag ve Au hariç kalan diğer metallerin tamamı düşük öziletkenliğe sahip metallerdirler. Bu metallerin elektriksel özdirençleri Cu, Al, Ag ve Au’dan 10 kat daha büyük olabilmektedir (ρ≈10-7 Ωm). Diğer taraftan, dirençli malzemeler metal alaşımlar ve ametallerden
oluşur, bu malzemelerin özdirençleri düşük öziletkenliğe sahip malzemelerde 10 kat daha
büyüktür (ρ≈10-6 Ωm). Düşük öziletkenliğe sahip metallerinin çoğunun özel uygulama
alanları vardır: ısıtma camları ve bantları (W, Mo, Pt vb.), termokuplerler (W, Mo, Pt, Ir, vb.),
lehim (Pb, Sn, Zn vb.), buşonlu sigortalar (Ag, Al, Pt vb.), elektrik kontakları (W, Mo, Ni vb.),
galvan elemanların elektrotları ve akümülatörler (Zn, Fe, Pb, Ni, Cd, Li, Na vb.), manyetik malzemeler (Fe, Ni, Co vb.), süper iletken malzemeler (Nb, Sn, Ti, Pb, Ta, La vb.), iletken ve dirençli
pastalar, entegre devre hibrid katmanları (Ti, Ta, Pd, Pt, Nb и т.н.). Bu malzemeler hakkında
daha detaylı bilgi bu kitabın ilgili bölümlerinde bulunabilir.
Yüksek dirençli iletken malzemeler, yüksek özdirence sahip iletken malzemelerdirler. Bu malzemeler dirençler, ısıtıcılar, karbon fiber ısıtıcılar, termokupler vb. elemanların yapımında kullanılırlar. Kullanım alanlarına göre bu malzemeler şu şekilde sınıflandırılırlar: ayarlamalı ve normal teknik direnç malzemeleri, hassas direnç malzemeleri ve
ısıtıcı malzemeler.
İLETKEN MALZEMELER
37
38
İLETKEN MALZEMELER
Bu malzemelerin sağlaması istenen karakteristikler şunlardır: olabildiğince yüksek
özdirence (ρ) sahip olmalıdırlar, elektrik özdirençlerinin sıcaklık katsayısının olabildiğince düşük olması istenir (βt), olabildiğince yüksek erime noktasına (tt), çalışma sıcaklığına
sahip ve korozyon karşı dayanıklı olmaları istenir.
Aşağıdaki tabloda (tablo 2.3) en önemli direnç alaşımların (khantal, manganin ve
konstantan) ve bir direnç elemanının (volfram) karakteristikleri gösterilmiştir.
Tablo 2.3 Yüksek dirençli malzemelerin uygulamaları ve karşılaştırmalı karakteristikleri
Karakteristikler
Kahantal А
İçerik
Fe0,705Cr0,230Al0,050Co0,015
(m)
145 . 10-8
t(0C-1)
Manganin
Cu0,86Mn0,12Ni0,0
Konstantan
Volfram
Cu0,54Ni0,45Mn0,01
W
43 . 10-8
44 . 10-8
5,6 . 10-8
4,9 . 10-5
±1 . 10-5
±3 . 10-5
4,8 . 10-3
tt (0C)
1.520
960
1.270
3.380
tr(0C)
< 1.300
< 200
< 500
< 2.500
Fiyat
Düşük
Düşük
Yüksek
Yüksek
2
ısıtıcı
lifler
Uygulama
alanları
Isıtıcı teller
ve bantlar
Hassas
laboratuvar
dirençleri
Normal ve
ayarlamalı
dirençler
termokupler
fırınlarda ısıtıcı
boru içinde
katot
termokupler
Tabloda da görüldüğü gibi en düşük öziletkenliğe (βt) sahip malzeme manganin
alaşımı olarak karşımıza çıkmaktadır, bundan dolayı laboratuarlarda kullanılan hassas
dirençlerin yapımında kullanılır. Fakat düşük çalışma sıcaklığından (tr < 2000C) dolayı
normal standart dirençlerin ve ayarlamalı dirençlerin yapımında kullanılmamaktadırlar,
bu elemanların yapımı için βt (±3. 10-5 ºC-1) değeri olan ve çalışma sıcaklığı (tr < 2000C)
çok daha yüksek olan konstantan kullanılmaktadır.
Konstantan ayrıca negatif βt katsayısına sahip olma olasılığı onun regülasyon ve ölçme cihazlarında kullanılan dirençlerin sıcaklık kompanzasyonu için kullanılmalarını elverişli kılar. Konstantan termokupler yapımında da kullanılmaktadır.
38
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
39
Yüksek dirençli iletkenlerin ısıtıcı malzemesi olarak kullanılmaları için çalışma sıcaklıklarının (tr) çok yüksek olması gereklidir, ayrıca korozyona çok yüksek dayanıklılık göstermeleri gerekmektedir. Gereken diğer bazı özellikler ise özdirençlerinin (ρ) çok yüksek ve
fiyatlarını ne kadar daha düşük olmasıdır. Saydığımız bu özelliklere en yakın duran alaşım olarak karşımıza khantal A çıkmaktadır. Ametallerden bu gereksinim silisyum-karbür (SiC) ve elektrografit (C) kullanılmaktadır, bu malzemeler 2.000°C kadar çalışma sıcaklıklarına erişebilmektedirler.
Volfram (W), molibden (Mo), platin (Pt) gibi temel yüksek dirençli iletkenler malzemelerin 0 kat daha yüksek elektriksek özdirence (ρ) ve yüzlerce kat daha büyük βt değerine
sahip olmalarına rağmen yine de ısıtıcı elemanlar olarak kullanılmaktadırlar. Kullanıldıkları yerler ampüller (W), fırınlar (Mo, W, Pt), katot vakum tüplerde (W, Mo) vb yerler olarak sayabiliriz. W ve Mo ile korumalı iç atmosfer şartlarında çalışmak zorunludur, bu da
onların işlenmelerinin maliyetini artıran sebeplerdir, fakat bu yöntem oksidasyon olmayan Pt için gerekmemektedir. Tüm bu elementlerin çok yüksek çalışma sıcaklıkları vardır,
1.000°C daha yüksek, özellikle W elementinin çalışma sıcaklğı çok yüksektir (tr<2.500°C)
2.3.3.1. DİRENÇLER VE ISITICILAR
Dirençler elektronikte en çok kullanıla bileşenlerdirler, temel şlkevleri ise elektrik
devresinde akım ve gerilim değerlerinin ayarlanmasında yardımcı olmaktır. Direnç
ölçü birimi om’dur (Yunan alfabesine ait olan Omega - Ω işareti ile belirtilir). Om’un
katları olarak “K” ile kilo om ve “M” mega om olarak gösterilir. Mesela 120.000 Ω değerini onun 1000 katı olan 120K olarak gösterilmiştir, bir 1.200.000 Ω değerini onun
bir milyon katı olan 1.2M olarak ifade ederiz. Bazı durumlarda 8 veya 120 değerleri
direnç değerini Ω olarak ifade ederler, bazen ise E harfi kullanılır. Örneğin 120E (120R)
işareti 120 Ω değerini ifade eder, 1E2 1R2 değerini ifade eder vs.
Direnç değerlerinin işaretlenmesi direnç gövdesi üzerinde yapılır. Dirençlerin bir
çoğunun üzerinde 4 renk bandı kullanılır. İlk iki renk bandı direnç değerini, üçüncü
band direnç değerinde kaç sıfırın bulunduğunu ifade eder. Kalan dördüncü band tolerans değerini verir, tolerans değerleri genelde %5, %2 ve %1 olarak belirlenir. Tablo
2.4’te dirençlerin renk kodları ve karşılık gelen değerleri gösterilmiştir.
Elektroteknikte dirençleri bir çok şekilde sınıflandırabiliriz. Sınıflandırmalardan biri
şu şekilde olabilir: sabit, değişken (potansiyometre) ve lineer olmayan dirençler. Yapılarına göre dirençler: film dirençler, tel dirençler ve entegre devre dirençler olarak sınıflandırılabilirler. Şekil 2.9’da bazı direnç tipleri gösterilmiştir.
Sabit dirençlerin temel özellikleri: nominal direnç, tolerans değerleri çalışma gücü
ve gerilimi olarak sayabiliriz.
Çalışma gücü olarak bir direncin sürekli yük altındayken erişebileceği maksimum
gücü ifade eder. Dirençler genelde 0,125 W; 0,25 W; 0.5 W; 1 W gibi güç değerleri ile
çalışmaktadırlar.
Çalışma gerilimi direncin çalışabileceği DC gerilim veya AC efektif gerilimin sınır değerini ifade eder. Bir direnç için izin verilen çalışma gerilimler: 75 V, 100 V, 150 V, 250 V,
350 V, 500 V, 1000 V, 1500 V vb.
İLETKEN MALZEMELER
39
40
İLETKEN MALZEMELER
Renk
Rakam
Çarpan
Tolerans
Gümüş
X 0,01 :
±10%
Altın
X 0,1 :
±5%
TC*
Siyah
0
x1:
Kahverengi
1
x 10 :
±1%
±100·10-6/K
Kırmızı
2
x 100 :
±2%
±50·10-6/K
Turuncu
3
x 1 k:
±15·10-6/K
Sarı
4
x 10 k:
±25·10-6/K
Yeşil
5
x 100 k:
±0,5%
Mavi
6
x 1 M:
±0,25%
±10·10-6/K
Mor
7
x 10 M:
±0,1%
±5·10-6/K
Gri
8
x 100 M:
Beyaz
9
x 1 G:
±1·10-6/K
* TC – SMD elemanlar için sıcaklık katsayısı
Seri E 12 ve E 24
Seri E 48 ve E 96
Birinci sayı
İkinci sayı
Çarpan
Tolerans
A - Birinci sayı
B - İkinci sayı
C - Üçüncü sayı
D - Çarpan
E - Tolerans
F - Sıcaklık katsayısı
Birinci sayı
İkinci sayı
Üçüncü sayı
Çarpan
Tolerans
A - Birinci sayı
B - İkinci sayı
C - sıfır sayıları
Şekil 2.8 Dirençlerde kodlama çeşitleri
Normal çalışma şartları altında direncin değeri ve ona izin verilen tolerans değerleri gövde üzerinde işaretlenmektedir. Bu tür işaretlemeler için belirli standartlar vardır:
harfler, rakamlar veya değişik renkler kullanılır.
40
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
41
Şekil 2.9 Değişik direnç çeşitleri
Ölçme tekniğinde, bilgisayarlarda ve otomatikte kullanılan dirençlerin oldukça hassas olmaları ve tolerans değerlerinin ((0.01 0.5)%). İstene bu karakteristikler gereken
güç dağılımı (disipasyon) değerlerini nispeten küçük olmalarından dolayı sağlanabilmektedir.
İnce film dirençler, porselen veya seramik taşıyıcı çubuk üzerine, karbon (C), bor
karbürü (BC) veya metaller (Ni-Cr, Cr-Si, gibi alaşımlar) eklenerek elde edilirler. Fil tabakanın kalınlığı yaklaşık olarak 0,005 μm ile 1 μm arasındadır.
Kalın film dirençler, seramik ve metal tozları karıştırılarak yapılır. Seramik ve metal
tozu karışımı bir yapıştırıcı ile hamur haline getirildikten sonra, seramik bir gövdeye
şerit halinde yapıştırılır fırında yüksek sıcaklıkta pişirilir.
Telli dirençler, bir yalıtkan çember üzerine sarılan teller ile bağlantı kuran fırça düzeninden oluşmaktadır. Hassas laboratuar dirençleri (Cu-Mn-Ni, Cu- Mn-Al, alaşımları)
veya yüksek çalışma sıcaklılığın gerektiği yerlerde (Cu-Ni-Mn, konstantan ve nikelin,
Cr-Ni, krom-nikel, Cr-Al, krom-alüminyum vb. alaşımlar) direnç olarak kullanılmaktadırlar. Sargının yüksek parazitli kapasitans ve endüktans özelliklerinden dolayı yüksek
frekanslarda kullanılmaları uygun değildir.
Direncin değeri frekans ile değişmektedir. Yüksek frekanslarda direncin aktif değeri
büyük ölçüde azalabilmektedir. Buna sebep olarak parazit kapasitans ve endüktansın
reaktif bileşeninin artması sebep olmaktadır.
Entegre-dirençler minyatür elektronik cihazlarda (video kameralar, ölçüm aletleri
vb), yüksek hassasiyeti gerekli olduğu devrelerde kullanılırlar. Bu dirençler yüzeye monte edilmiş ayrık bileşenler şeklinde, kısa bacaklı veya tamamen bacaksız (bileşenlerin
kendilerine metal tabakalar ekleyerek onların doğrudan elektronik iletken tabakanın
üzerine lehimlenerek uygulanmaktadırlar) olacak şekilde uygulanmaktadırlar. Entegre-dirençlerin aktif tabakası ince film (Ni-Cr veya Ta2N ince film şeklinde) veya kalın film
(Bi2Ru2O6 ve Pb2Ru2O6 kalın pasta şeklinde) şeklinde üretilmektedir. Dış bağlantı bacakları kalın veya ince iletken film şeklindedir (Ni veya Au, katmanlar arasında PdAg kullanılır).
İLETKEN MALZEMELER
41
42
İLETKEN MALZEMELER
Gerilim ve güce bağlı olarak entegre-dirençlerin boyutları çok büyük değişiklikler
göstermektedirler (örnek olarak MSI şirketi 50 V ve 100 mW değerleri 0,9 x 0,9 x 0,25 mm3
boyutlarında, 1100 V ve 6 W değerleri için 17 x 8 x 0.6 mm3 entegre-dirençler üretmektedir) öyle ki direnç değerleri ~0,1 Ω и ~100МΩ arasında değişmektedir.
Potansiyometreler değerleri ayarlanabilen dirençlerdirler. Sargı tellerinden veya
tabaka şeklinde üretilmektedirler. Şekil 2.10’da karbon tabakasından üretilmiş potansiyometre gösterilmiştir. Direnç tabakasın üzerinde (1) kontak kayarak dönmektedir,
kontak mil (3) yardımı ile dönmektedir. Potansiyometre metal veya plastik bir kapakla
(4) korunmaktadır.
Her devre için tam olarak istenilen değer ayarlanabilen özel dirençler (trimer) de
mevcuttur. Bu tip dirençler bir anlamda yarı değişkenli potansiyometrelerdirler ve boyutları önemli ölçüde daha küçüktür, yaklaşık olarak birkaç mm’dir (şekil 2.10).
Şekil. 2.10 Potansiyometrenin yapsı
Lineer olmayan dirençler birden çok elektronik cihazda kullanılmaktadır. Bu tür dirençlerin değerleri lineer olmayan bir şekilde, sıcaklığa (termistörler), elektrik alanına
(varistörler), ışığa (foto dirençler) vb. bağlı olarak değişmektedir. Bu özelliklerinden dolayı bu dirençlere lineer olmayan dirençler denir.
Termistörler, sıcaklığın artması ile değerleri ya azalır (NTC termistörler) ya da artar
(PTC termistörler). NTC Termistörler metal oksitlerde (titan, TiO2, kobalt, Co2O3, alüminyum Al2O3 vb.) yapılırlar. PTC termistörler baryum-titandan yapılmaktadır. Baryum-titana %0,1-0,3 oranında lantan ve itriyum eklenerek özdirencinin büyük ölçüde azalmasında yola açılır (109 dan 10-1Ωm değerine düşer).
42
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
43
Hem NTC hem de PTC termistörler, sözü edilen metal tozlar bir yapıştırıcı ile hamur
haline getirilir daha sonra yüksek basınç altında birleştirilirler ve özel fırınlarda yüksek
sıcaklık altında (~1.400°C) sinterlemeye (ısıl proses) tabi tutulurlar. NTC termistörler
normal dirençlerin sıcaklık stabilizasyonu için, PTC termistörler ise motor, telefon hatları, televizyonlarda korum amacıyla akım sınırlayıcı olarak kullanılırlar. Şekil 2.11’de değişik tipte termistörler gösterilmiştir.
а) NTC
b) NTC
c) PTC
Şekil 2.11 Bazı termistör çeşitleri
Varistörler, uygulanan elektrik alanın değişmesi ile direnç değerleri önemli ölçüde
değişiklik gösteren elemanlardırlar. Çinko oksit (ZnO) tozlarının yapıştırıcılar ile sinterlenmesi sonucunda elde edilirler, daha önceleri silisyum karbür kullanılmaktaydı (SiC).
Şekil 2.12’de ZnO vr SiC varistörlerin karşılaştırmalı Е-Ј karakteristikleri gösterilmiştir.
Sabit elektrik alanı sebebi ile (Е), daha doğrusu gerilimi ile, akım şiddeti yoğunluğunun
(Ј) geniş bir aralıkta gösterdiği değişiklikten yararlanarak varistörler, değişik elektrik cihazlarında gerilim sınırlayıcı olarak kullanılmaktadırlar.
Şekil 2.12 ZnO ve SiC varistörlerin karakteristikleri
İLETKEN MALZEMELER
43
44
İLETKEN MALZEMELER
Foto dirençler yarı iletken malzemeler kullanılarak elde edilirler. Foto dirençlerin özdirençleri, elektron-boşluk oluşması sonucunda, yarı iletkenin enerji boşluğu enerjisinden
(yasak bölgenin genişliği) daha yüksek enerjiye sahip olan fotonların ışık enerjisi etkisi
altında azalmaktadır. Foto dirençlerin oluşturulmaları prensibi şu şekildedir: polikristal
yarı iletken (CdS, CdSe, PbS, InSb vb.) seramik veya cam gövdeye uygulanır, yarı iletkenin
üstte kalan yüzeyine tarak şeklinde (ters yönde kutuplanmış elektrotların oluşan elektron
ve boşluklarının daha iyi gözükmeleri etkilerinin artırılması için) metal elektrotlar yerleştirilir. Uygulanan yarı iletken türüne bağlı olarak, foto dirençlerin farklı dalga boylarında
(görünen ışık ve kızılötesi dalga boylarında) maksimum duyarlılığa erişebilmektedirler.
Şekil 2.13 Foto dirençlere ait karakteristik yapılar
Isıtıcılar, yüksek dirence sahip iletken alaşımlar: kantal (Fe-Cr-Al-Co), cekas (Ni-CrFe), ekstra cekas (Fe-Cr-Al) ve hromel (Ni-Cr) yardımı ile üretilirler. Yüksek fiyatlarından
dolayı Nikel içeren alaşımlardan kaçınılmaktadır.
Şekil 2.14 aşağıda değişik tipte metal ısıtıcılar gösterilmiştir.
Şekil 2.14 Farklı tiplerde metal ısıtıcılar
Ametallerden ise silisyum-karbür (SiC), molibden-karbür (MoC) ve grafit (C) kullanılmaktadır. Bu tür ısıtıcılar çok yüksek sıcaklıklarda çalışmaktadırlar (2.500° C kadar).
44
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
45
2.3.4. ÖZEL İLETKEN MALZEMELER
Bu gruba termoelektrik algılayıcılar (termokupllar), lehimler, buşonlu sigortalar, kontaklar, galvan elemanlar, akümülatörler düşmektedir. Onlar kitabın diğer bölümlerinde
incelenecekledir.
2.3.4.1. TERMOELEKTRİK ALGILAYICILAR
Termoelektrik algılayıcılar veya termokupllar (ısıl çift), sıcaklığın ölçülmesinde
kullanılırlar. İki farklı malzemeden yapılmış üzerinden elektrik akımı akan bir devreyi
ifade eder. Mu malzemelerin uçları farklı sıcaklıklar gösterirler (referans ucu buzlu sunun - 0°C hassas ölçümünü yapmak için kullanılır). Termokuplların çalışması termoelektrik veya Zabekov etkisi prensibine göre çalışır. Termokuplların termoelektromotor
kuvvetini (TEMK) ölçerek, termokuplların karakteristiğ belli ise ölçüm yapılan ucun sıcaklığı (t) belirlenebilir. Şekil 2.15’te 100°C üzerindeki sıcaklık değerlerini ölçen birkaç
önemli termokuplların karakteristiği gösterilmiştir.
Diğer yandan, termokupllar yardımı ile (farklı sıcaklık aralıklarında çalışabilen birkaç
farklı termokuplların kombinasyonu ile) -250°C ile 3.000°C arasında sıcaklık değerleri
ölçülebilir. Termoelektromotor kuvveti ile termokuplarlar arasında tüm ölçüm aralıklar
için lineer bir ilişki söz konusudur.
tan
tan
tan
s
n
an
t
o
s
n
/K
Ko
el
e/
m
F
tan
o
tan
Kr
s
n
/ Ko
Cu
mel
/ Alu
l
e
Krom
Şekil 2.15 Termokupllar karakteristikleri
Yapıldıkları malzemelere göre termokupllarları üç gruba ayırabiliriz.
Değerli olmayan metallerden yapılan termokupllarlar. Bu gruba: Cu/konstantan (ölçüm yapabildiği aralık -250°C ile 400°C arasındadır), Fe/konstantan (- 200°C ile
900°C), kromel-konstantan (-200°C ile 1.000°C) ve kromel-alumel (0 ile 1.200°C).
İLETKEN MALZEMELER
45
46
İLETKEN MALZEMELER
Değerli metallerden yapılan termokupllarlar. En çok kullanılanlar: Pt/Ptx Rh1-x, Pt/
PtxRe1-x, Pt/PtxReyRh1-x-y ve Ir/IrxRh1-x. Ölçüm yapabildikleri değer aralığı 0°C ile 1600°C ve
üzerindedir (şekil 2.14). Sıvı helyum (4,2K) gibi çok düşük değerlede seyrede sıcaklıkları
ölçmek için, AuxCo1-x/Cu ve AuxCo1-x/AgyAu1-y termokupllarları kullanılır.
Özel termokupllar. Bu tür termokupllar 2.000°C ve üerindeki sıcaklıkları ölçmek için
kullanılırlar. En çok bilinen temsilcileri: C/SiC (0 ile 2.000°C), W/MoxFe1-x (0 ile 2.000°C) ve
W/WxMo1-x (0 ile 3.000°C).
2.3.4.2. LEHİMLER
Lehimler, iki aynı veya farklı metalin yapıştırılması için kullanılan metal veya alaşımlardırlar. Lehimleme yapıldığında lehimler erirler ve kısa süre sonra soğurlar öyle ki yapıştırma işlemi gerçekleşir. Yani lehimleme işlemi, metal veya alaşımlara lehim katarak
yapıştırma işlemidir. Lehimin erime sıcaklığı yapıştırılan metallerin veya alaşımların erime
sıcaklığından daha düşüktür.
Yumuşak ve sert lehimleme vardır. Yumuşak lehimleme 350°C altındaki sıcaklıklarda
uygulanır, sert veya katı lehimleme ise 600°C veya genelde olduğu gibi 800°C ve üzeri
sıcaklıklarda uygulanır.
En çok uygulanan yumuşak lehimler kurşun kalay karışımıdır ve işareti JUS S.Sn50
ve S.Sn60 şeklindedir, burada verilen rakam kalayın yüzdesini ifade eder. S.Sn50 işaretli
lehimin genel kullanımı vardır, S.Sn60 ise Cu-iletkenlerde kullanılır.
Al-iletkenleri lehimlemek için S.Sn35 lehimi kullanılır, fakat lehim yapılacak yüzeye
daha öncede L-SnZn40 ön lehim maddesi uygulanır (Alman DIN standartlarına göre). Bu
uygulamanın yapılma nedeni ise Al malzemelerinin hava ile temas ettiklerinde oluşan oksit tabakayı temizlemek içindir. Düşük sıcaklıklarda lehimleme yapmak için %50 bizmut
(Bi), 25% kurşun (Pb) ve 12,5% kalay (Sn) ile kadmiyumdan (Cd) oluşan karışım kullanılır.
Şekil. 2-17’de lehimlemenin doğru şekilde nasıl yapıldığı gösterilmiştir. Burada baskılı
plak üzerinde lehimlenecek üç, bakır folyo ve lehim tabancasının nasıl doğru şekilde konumlandıkları gösterilmiştir.
İletken
Lehimleme
Kalay
Lehim
Bakır
Folyo
Lehimleme
ucu
Baskılı plak
Eleman
Şekil 2.17 Doğru şekilde yapılan lehimleme
46
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
47
Şekil 2.17’de anlatıldığı gibi doğru bir lehimleme kontakların mükemmel olmasını
sağlar. Doğru şekilde lehimleme yapmak için, lehimleme aletinin ucunun hem iletkene
hem de bakır folyoya eşit şekilde değmesi gerekir, öyle ki yapıştırılacak olan her iki malzeme ve kalay beraber eşit şekilde ısınırlar ve böylece doğru şekilde lehimleme yapmış
oluruz, şekil (2.18’de olduğu gibi). Şekil 2.18 b) ve c) şıklarında soğuk lehim olarak adlandırılan lehimler gösterilmiştir. Bu lehimlemelerde yüzeyler yeterince ısınmamış ve
lehin yüzeye eşit şekilde dağılmamış, bu yüzden kontak bağlantılar çok kötü olmuştur.
Bu tür kontaklar zamanla, darbelerde, sarsıntılarda, uygulanan her hangi bir basınç altında kesinti yaparak kopabilirler.
Şekil. 2.18 Doğru lehim yapılmış bir kesit ve diğer hatalı kesitler
Elektronikte genelde güçleri 20 W ile 40 W arasında değişen lehimleme aletleri kullanılmaktadır. Bu lehimlerin uçları aşağıdaki şekil 2.19’da gösterildiği gibi farklı şekillerde
olabilirler.
Şekil 2.19 20 W, 30 W ve 40 W lehimler
Çalışma esnasında çalışıla kısımlar yüksek sıcaklığa maruz kalırsa o zaman messing
bazlı sert lehim kullanılır, bu lehim S.CuxZn ile işaretlenir, x işareti bakır yüzdesini ifade
eder (%40 ilr %80 arasında değişir). Eğer lehim uygulanan bölgenin yeterince sert, gergin ve iyi iletken olması için S.CuxZnAgy işaretli gümüş lehimler kullanılır, burada x bakır
yüzdesini y ise gümüş yüzdesini ifade eder. Alüminyumu kati lehim yapmak L-AlSi12
(aman DIN standartlarına göre) için alüminyum ve silisyumdan oluşan alaşımlar kullaİLETKEN MALZEMELER
47
48
İLETKEN MALZEMELER
nılır. Lehim yapmadan önce uygulanacak bölge Al2O3 oksidinden temizlenir, böylelikle
o bölge hızlı bir şekilde koruma altına alınır. Fakat genelde katı messing lehimi (bakır ve
çinko alaşımı) ve gümüş lehimi (bakır, çinko ve gümüş alaşımı) kullanılır.
2.3.4.3. ELEKTRİK SİGORTALARI
Elektrik sigortaları, izin verilen değerden daha yüksek bir değer ulaşan aşırı akımın,
cihazlarda, aparatlarda ve elektrik tesisatlarında aşırı ısınmalara ve bozulmalara engel
olmak için kullanılırlar.
Sigortalar, buşonlu sigortalar ve otomatik sigortalar olarak ikiye ayrılırlar. Buşonlu
sigortalar çok basittirler, ayrıca ucuz ve değişmeleri de çok kolaydır. Aşırı akıma verdikleri tepkinin hızı bakımından hızlı ve yavaş sigortalar vardır.
Hızlı sigortalar, nominal değerden beş katı daha büyük değerlerdeki akımlara 0,1
saniye süreyle dayanmaları ve daha sonra yanmaları gerekir. Hızlı sigortalar kısa devrelerde aniden tepki verirler. Gümüş, erime noktası değerine ulaşınca çok hızlı eridiği
dolayı hızlı sigortalar için en uygun metaldir. Gümüş her büyüklükteki akımlar için kullanılır, fakat maliyetlerinden dolayı genelde 5 A değerine kadar (çok pahalı sistemlerde,
örnek olarak uydu sistemlerinde 300 A ve 500 V’a kadar olan değerlerin korunması için
kullanılır) olan alçak akımlar için kullanılır. Daha yüksek akımlar için Ag0,5Cu0,5 yapıda
gümüş bakır alaşımları kullanılır.
Yavaş sigortalar, nominal değerden on katı daha büyük değerlerdeki akımlara 1
saniye süreyle dayanmaları ve daha sonra yanmaları gerekir. Alüminyum yavaş sigortaların yapımı için en uygun metaldir. Çünkü şebekede oluşan kısa süreli aşırı akımlarda
yavaş tepki verirler, böylelikle cihazların ve tesisatları kesintisiz çalışmaları sağlanmış
olur.
Çalışma gerilimlerine göre alçak gerilim ve yüksek gerilim sigortaları ile karşılaşırız.
Alçak gerilimler için Al-plaklar; 5 ile 30 A arası akımlar için PbxSn1-x (genelde %67 Pb)
alaşımı, düşük akımlar için ise Ag ve Pt (platin haberleşmede 20 mA değerinde akımlar
için kullanılır).
Yüksek gerimler sigortaları, özellikle düşük güçteki transformatörlerin korunması
için, gümüşten yapılan sigortalar kullanılır.
Şekil 2.20’de değişi tipte sigortalar gösterilmiştir: cam içerisine yerleşmiş en küçük sigortalar elektronikte (50 mA ile 500 mA akımlar için) kullanılırlar, porselen ve otomatik
olanlar ise evlerdeki tesisatlar için kullanılırlar.
Ayrıca resimde özel amaçlar için kullanılan, Japon firması Kyosan (300 a akımlar ve
maksimum 500 V gerilimler için) tarafından üretilen ve uydu istasyonunda kullanılan
sigorta gösterilmiştir. Bu sigorta gümüşten yapılmıştır ve çok hızlı tepki verir.
48
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
49
Şekil 2.20 Farklı tipte buşonlu ve otomatik sigortalar
2.3.4.4. ELEKTRİK KONTAKLARI
Elektrik kontakları, ihtiyaçlara bağlı olarak, elektrik devrelerinde bağlantı oluşturmak veya bağlantıyı kesmek için kullanılırlar. Kontaklar elektrik cihazları ve makineleri
için çok önemli elemanlardır.
Akım aktığında tüm kontaklarda, temasın olduğu yerde oluşan dirençten dolayı ısınma meydana gelir. Isınma derecesi, her şeyden önce kontakların yapıldığı malzemeye
(sıcaklığa ve korozyona dayanıklı olması gerekir) daha sonra, düz olması gereken kontak yüzeylerine bağlıdır.
Kontaklar çalıştıkları gerilimler bakımında, düşük yüklerde, orta yüklerde ve yüksek
yüklerde çalışan kontaklar ile karşılaşırız.
Düşük yüklerde çalışan kontaklar, 12 ile 22 V arası gerilimlerde çalışırlar. Elektrik
devresinde meydana kesinti geldiğinde bu kontaklarda ark meydana gelmiyor. Bu kontaklar için uygun malzemeler, altın (Au), platin (Pt), rodyum (Rh), ayrıca uçlarında oluşan sıcaklığın düşürülmesi için çok daha ucuz malzeme olan Au, Pt veya Rh ile kaplanmış bakır (Cu) veya gümüş (Ag) kullanılır. Şekil 2.21’de birçok tür mekanik anahtarlama
kontakları gösterilmiştir.
Orta yüklerde çalışan kontaklar, 0,5 N’luk basınç altında, 20A ve 660 V gerilimlere
kadar çalışabilirler. Bu tür kontaklar kapandıklarında ark oluşur, bu da kontaklar yüzeyinde erozyona ve hatta kontakların kaynak olmalarına sebep olabilir.
Elektriksel cila oluşumunun negatif etkilerini elimine etmek için erime noktası daha
yüksek olan malzemeler kullanılır. Bu amaçla kullanılan malzemeler genelde gümüş
(Ag) ve volframdan (W), molibden (Мо), nikel (Ni), paladyum (Pd) veya altın (Аu) alaşımları olmaktadır.
İLETKEN MALZEMELER
49
50
İLETKEN MALZEMELER
Şekil. 2.21 Farkı tiplerde anahtarlama kontakları
Yüksek yüklerde çalışan kontaklar, 100 N’luk basınçlarda, 550 V gerilimlerde ve
20 ile 300 А arasında değişen akımlarda çalışırlar. Bu tür kontaklar kapandıklarında da
elektriksel ark oluşur. Elektriksel ark etkisini ortadan kaldırmak için Cu tabanında 5 mm
kalınlığında Ag tabaka oluşturulur, ayrıca Ag ile W, Ni, C, kadmiyum oksit veya kalay
oksit alaşımlar kullanılır.
Yüksek güçlerde çalışıldığında anahtarları açmak ve kapamak için pratikte iki tip
kontak kullanılır: ana kontaklar ve elektriksek ark kontakları. Ana kontaklar saf Ag veya
Mo, Ni gibi elementler ile oluşturulan alaşımlar kullanılır. Elektriksek cila kontakları W ile
Ag veya CU alaşımları kullanılarak yapılırlar.
Ayrıca kayan kontaklar da mevcuttur, bu tür kontakların kullanıldığı devrelerde
akım kesintisi olmuyor. Bu kontakların yapımında kullanılan malzemelerin dirençleri
daha düşük ve sabit olmalı ve ayrıca aşınmalara dayanıklı olması gerekir. Bu şartları
kadmiyum ve berilyum bronzları sağlamaktadır.
Bu tür kontaklar elektrik makinelerin kolektörlerinde (kömür fırça olarak adlandırılırlar) kullanılırlar. Bakır üzerinde sürekli kayan bu kontakların yapımı için, karbon, grafit
veya elektrografit kullanılır.
2.3.4.5. GALVAN ELEMANLAR VE AKÜMÜLATÖRLER
Galvan veya primar elemanlar (ya da piller), kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine
dönüştüren jeneratörlerdirler. Bu elemanlar kuru ve ıslak olmak üzere ikiye ayrılırlar.
50
İLETKEN MALZEMELER
İLETKEN MALZEMELER
51
Galvan elemanlar, farklı malzemelerden oluşmuş, elektrolit sıvı içine batırılmış ve bir
birine değmeyen iki elektrottan oluşmaktadırlar. Pozitif elektrot – anotta oksidasyon,
negatif elektrot – katotta ise redüksiyon meydana gelir. Şapernov, Pogendorfov, Buzenov ve Danielov sıvı galvan elemanları mevcuttur, fakat en çok kullanılan olarak Leklaneşov kuru galvan elemanı olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu elamanın anodu karbon
katodu ise çinkodan oluşur, depolarizatörü ise az grafit eklenmiş mangan dioksitten
oluşur.
Akümülatörler veya sekonder elemanlar, doldurulduklarında elektrik enerjisini kimyasal enerjiye, boşaltıldıklarında ise kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren
elemanlardırlar. Akümülatörler elektrolit özelliklerine göre asitli ve alkalik olarak ikiye
ayrılırlar. Kurşun, çelik ve gümüş akümülatörler kullanılır fakat en tanınmışı cam elektrolitlerden yapılmış Na/S akümülatörüdür. Ayrıca iletken polimer ve grafit karışım bazlı
akümülatörlerle de karşılaşırız, gözenekli ve yenlik elektrotlara sahip olduklarında öz
enerjileri yüksektir.
2.2.4.6. ELEKTROLİTLER
Elektrolitler, suda veya diğer sıvılardaki çözeltileri iyonlar yardımı ile elektrik akımını ileten maddelerdirler. Ayrıca elektrolitler diğer türden iletken olarak da adlandırılırlar. Elektrolitler, iyon molekülleri pozitif yüklü olan iyonlara (katyonlar) ve negatif yüklü
olan iyonlara (anyonlar) ayrışan basit tuz, asit veya bazlardırlar. İyonların ayrışmaları sıvının ne kadar çözeldiğine bağlıdır. Sıcaklığın artmasıyla çözelme derecesi de artmaktadır, dolayısıyla iyonların hareketi de artar. Bu durum metallerdekini aksine elektrolitlerde elektriksek direncin negatif sıcaklık katsayısı söz konusu olmaktadır. Güçlü asitler
(H2SO4) çok iyi iletkenlerdirler, güçlü baz (KOH) ve tuzlar (CuSO4) ise iyi iletkenlerdirler.
İLETKEN MALZEMELER
51
52
İLETKEN MALZEMELER
TEKRARLAMA SORULARI
2.1. Elektriksel yüklerine göre iletken malzemeler nasıl sınıflandırılırlar?
2.2. İletme derecelerine göre iletken malzemeler nasıl sınıflandırılırlar?
2.3. İletken maddelerin özellikleri neye bağlıdır?
2.4. İletken maddelerde özdirencimi açıklayınız.
2.5. p’nin n (serbest elektrikse yük yoğunluğu -elektron) ile olan ilişkisini açıklayınız?
İletkenlerde p neye bağlıdır?
2.6. αt nedir? αt ‘yi fizik açısından yorumla.
2.7. βt nedir?
2.8. Metallerdeki sıcaklık karakteristikleri açıkla.
2.9. Yüksek öz iletkenliğe sahip metalleri sayınız.
2.10. Yüksek öz iletkenliğe sahip metallerin pratikte sundukları imkanları kısaca
açıklayınız.
2.11. Gümüş en çok ne için kullanılır?
2.12. Süper iletkenlik nedir?
2.13. Yeni bir sınıf olan süper oksit seramik iletkenlerin avantajları ne olduğunu
açıklayınız?
2.14. Süper iletkenler için hangi büyüklükler önemlidir?
2.15. Düşük öz iletkenliğe sahip metaller için karakteristik olan nedir?
2.16. Süper iletkenler nerede kullanılırlar?
2.17. En önemli dirençli iletken alaşımları karşılaştırınız
2.18. Negatif βt değerlerinden dolayı, manganin nerede, konstantanın nerede
kullanıldığını açıklayınız.
2.19. Bir elektrik devresinde direncin rolü nedir?
2.20. Dirençlerin nasıl kodlandıklarını açıklayınız.
2.21. Yapılarına göre dirençler nasıl sınıflandırılırlar?
2.22. Termistör, varistör ve foto dirençleri açıklayınız.
2.23. Hangi malzemeler özel iletken malzemeler olarak adlandırılırlar?
2.24. Hangi tür lehimler vardır? Açıklayınız!
2.25. Sigortaları tanımla!
2.26. Yavaş sigortalar için hangi malzemeler kullanılır?
2.27. Kontaklar nasıl sınıflandırılırlar ve yapımında ne tür malzemeler kullanılır?
2.28. Galvan elemanların ne gibi fonksiyonları vardır?
2.29. Elektrolitler üzerinden akımın nasıl iletildiğini açıklayınız.
52
İLETKEN MALZEMELER
3.
Yarı iletken
malzemeler
  Yari iletken malzemelerde enerji bölgeleri
  Saf yarı iletkenlerde elektriksel yük taşıyıcıları oluşturma mekanizması
 
Yarı iletkenlerde elektrik akımının iletilme prensibi
  Bazı yarı iletken malzemelerin özelliklerinin analizi ve karşılaştırması:
silisyum, germanyum ve galyum-arsenik
  Bazı önemli yarı iletkenlerin özellikleri, içerikleri, alaşımları ve süper kristal
kafesleri
  Yoğun ve ince taba monokristallerin elde edilme yöntemleri
  Silisyum entegre devrelerin düzlemsel teknolojileri
  Diyotlar, Transistörler, tristörler ve entegre devreler
  Kalın tabaka entegre devre teknolojisi
  Yarı iletken entegre devrelerin gelişim perspektifi
  Nano teknolojiler
YARI İLETKEN MALZEMELER
55
3.1. YARI İLETKEN MALZEMELERDE ENERJİ BÖLGELERİ
Yarı iletkenler, iletken ve dielektrik malzemeler arasında kalan çok büyük bir
grup malzemeyi kapsamaktadır. Bu malzemeler, oda sıcaklığında, kimyasal saf halde iken, hatasız ve kusursuz olarak normal şartlarda elektrik akımını iletmezler. Fakat, bu malzemelerin yasak bölgelerinin genişliği-enerji boşluğu (Eg ≤ 3.5eV) küçük
olduğundan, dış şartların etkisinden ve katkı maddelerin eklenmesi ile iletken hale
gelebilirler. Önceden de belirttiğimiz gibi yarı iletkenlerde enerji boşluğu – yasak
bölgenin genişliği nispeten dardır (Eg<3.5eV) ve öz direnci ρ≈10-6 ÷1010Ωm değerleri arasındadır, bu bize yarı iletken malzemelerin oda sıcaklığı şartlarında iletkenlik ve
yalıtkanlık arasında kaldığını gösterir. Ayrıca belirtmemiz gerekir ki ideal yarı iletken
malzemeler (kristal yapının saf ve kusursuz halinde) mutlak sıfır sıcaklığına yaklaştıkça özdirençlerinin değeri sonsuza doğru gitmektedir. Fakat, yarı iletken malzemelerde baskın özellik onların özdirençlerinin önemli ölçüde malzemeye katılan katkı
atomların konsantrasyonuna bağlı olmasıdır.
Yarı iletken uygulamalarında diğer önemli özelliklerden bir tanesi de sıcaklığın
(hemen hemen tüm sıcaklıklar için geçerlidir) artmasıyla özdirencin değerinin azalmasıdır. Sıcaklığın artması ile elektriksel yük taşıyıcıları (elektron ve boşluklar) yoğunluğu artmaktadır, uygulanan elektrik alanı etkisi ile elektronlar boş iletken bölgeye, boşluklar ise dolu olan valans bölgesine geçmeye başlarlar. Bunun anlamı yarı
iletkenlerin negatif sıcaklık katsayısına α (α<0) sahip olmaları demektir. Elektriksel yük
yoğunluğu diğer dış faktörlerin etkisi ile de artırılabilmektedir, özellikle her şeyden
önce olarak elektromanyetik veya radyasyon (görünen veya kızılötesi spektrum) etkisi altında, ki bu özellik radyasyon detektörlerin yapımında önemli yer tutmaktadır.
Işık radyasyonu formunda enerji emisyonu olarak taşıyıcı elektronların ve boşlukların
ters rekombinasyon süreci ise, yarı iletkenlerin radyasyon yayan kaynakların yapımında kullanılmalarına imkan vermektedir.
Fakat, günümüzde yarı iletken malzemelerin en çok uygulandıkları alan, p-n bağın farklı kombinasyonlarını oluşturarak, entegre devre ve ayrık yarı iletken bileşenlerdirler (diyotlar, transistörler, tristörler).
Yarı iletkenlerin sundukları imkanları göz önünde bulundurarak, onlardan tanımlanmış özellikler istenmektedir, her şeyden önce enerji boşluğunun – yasak bölgenin
türü ve büyüklüğü istenmektedir. Bu özelliğin teknik açıdan gerçekleştirilmesi ancak
çok bileşenli alaşımlardan ve süper kristal kafeslerden oluşan yarı iletkenlerin üretilmesi ile mümkün olur. Bu konu daha sonraki bölümlerde tekrar ele alınacaktır.
55
56
Bunun dışında, yarı iletkenlerden istenen diğer özellikler olan hızlı çalışma ve küçük
boyutlar sebebi ile yarı iletkenleri nerede ise tamamı monokristal şeklinde üretilmektedirler.
3.2. SAF YARI İLETKENLERDE ELEKTRİKSEL YÜK TAŞIYICILARI
OLUŞTURMA MEKANİZMASI
En tanınmış saf yarı iletkenler olarak karşımıza: saf silisyum (Si) ve saf germanyum
(Ge) çıkmaktadır. Silisyumun atom numarası 14’tur ve son sargısında 4 valans elektronu vardır. Germanyumun atom numarası 32’dir ve son sargısında aynı şekilde 4 valans
elektronu vardır. Her iki element 4 valanslıdır ve komşu atomlarla kovalent bağları oluştururlar. Si ve Ge atomları kristal yapıya sahiptirler, bu atomların ortak valans elektron
çiftleri vardır ve bağlantıları çok güçlüdür. Düşük sıcaklıklarda Dielektrik özelliklere gibi
davranırlar çünkü kristal kafeslerinde serbest dolaşan elektronları yoktur. Fakat, Si ve
Ge maddelerine ışık veya sıcaklık şeklinde bir enerji uygulanırsa, kovalent bağlarında
gevşeme meydana gelir ve elektronların bir bölümü koparak serbest elektron haline
gelir. Serbest kalan bu elektronlar kafes içerisinde kaotik bir şekilde hareket ederler. Kopan elektron yerinde boşluk oluşur, bu boşluk başka atomdan kopan elektronlar doldurulur, o atomda ise yeni boşluk meydana gelir. Bu şekilde bir boşluk hareketinin de oluştuğu izlenimi oluşur fakat hareket yönleri elektronların tersidir. Bu kristaller dış elektrik
alan etkisi altında bırakılırsalar, elektrik alanına ters olacak şekilde bir akımın oluşacağı
görülmektedir. Elektron – boşluk çiftlerinin oluşmasına rekombinasyon denir.
Silisyum
Şekil. 3.1. Saf silisyum
Yarı iletkenin saf kristalinde serbest elektron ve boşlukların yoğunluğu eşittir (n=p)
ve bu tür yarı iletkenlere saf yarı iletkenler denir. Şekil 3.1’de saf silisyum atomunun
kristal kafesi gösterilmiştir.
56
57
Saf yarı iletkenin kafesine (örnek olarak silisyum) herhangi bir Si atomunu başka bir
elementin (örnek olarak beş valanslı arsenik (As), fosfor (P) vb.) veya üç valanslı katkı
atomu (genelde bor (B)) eklenirse o zaman şekil 3.2 a ve b şıklarında gösterilen katkılı
yarı iletkenler söz konusu olmaktadır.
Antimon
Silisyum
Elektron
bağlantıyı
oluşturmaz
a)
Şekil. 3.2 N-tipi katkılı silisyum
Beş valanslı katkı atomu Si komşu atomları ile dört adet kovalent bağlantı oluşturur,
kalan beşinci elektron bir çift oluşturamaz ve oda sıcaklığında bile kolaycı bulunduğu
atomu terk edebilir. Bundan dolayı beş valanslı katkı atomları, serbest elektron “verdikleri” için donör olarak adlandırılırlar ve bu tür yar iletken maddeler n-tipi Si yarı iletkenler olarak adlandırılırlar (şekil. 3.2. а).
Bor
Silisyum
Boşluk
b)
Şekil. 3.2 P-tipi katkılı silisyum
57
58
Diğer taraftan, üç valanslı katkı atomu komşu Si atomları ile üç kovalent bağı oluşturur, komşu Si atomunun dört elektronunda bir tanesi kovalent çifti oluşturamaz. Bu çifti
oluşturmak için Si atomu uzak komşu atomlardan bir tanesinden kolayca valans elektronu kabul edebilir, kabul edilen bu elektronun yerinde tekrar boşluk oluşur, boşluk
oluşan atom diğer komşu atomlardan orayı doldurmaya çalışacak ve bu şekilde hareket
oluşur. Üç valans elektronu olan atomlar elektron “kabul” ettikleri için akseptörler olarak
adlandırılırlar ve bu tür yarı iletkenlere p-tipi Si yarı iletkenleri denir (şekil 3.2. b).
3.3. YARI İLETKENLERDE ELEKTRİK AKIMININ İLETİLME PRENSİBİ
Yarı iletkenlerde elektrik akımını ileten mekanizma aynen metallerde olduğu gibidir. Burada farklı olan yalnızca dış elektrik alanı (akım kaynağı) etkisi altında hem
elektronlar hem de boşluklar hareketi söz konusu olmaktadır. Boşluklar elektrik alanı
ile aynı yönde, elektronlar ise ters yönde hareket ederler. Bu şekilde yarı iletkenlerde
elektrik iletiminin iki bileşeni oluşmaktadır, bunlar elektron ve boşluk bileşenleridir.
Bu bileşenlerden ilki yani elektronlar n-tipi (σn) yarı iletkenlerde (oda sıcaklığında) çoğunluk taşıyıcılar olarak, boşluklar ise p-tipi yarı iletkenlerde (σp) çoğunluk taşıyıcıları
olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Yarı iletkenlerin öz iletkenlik ifadese aşağıdaki eşitlik
ile gösterilmiştir:
= n + p = enn + epp
(3-1)
burada n ve p serbest elektron ve boşlukların yoğunluğunu, μn, μp – onların hareketlerini ifade ederler. Hareket, sürüklenme hızı (uygulanan elektrik alanı etkisi ile oluşan ek
hareketlenme – şekil 3.3) ile uygulanan dış elektrik alanı arasındaki ilişkiyi tanımlayan
katsayıyı ifade eder. Serbest yük taşıyıcıların ile atomlar arasında oluşan iki çarpışmanın
bir sonraki çarpışmaya kadar geçen ortalama süre ne kadar büyük ise bu katsayı da o
kadar büyük olur. Elektronların sürüklenme hızları (Δvid), sıcaklıktan kaynaklanan kaotik
hareket (vi ) yönlerinden farklı olarak elektrik alanı yönü ile aynı yöndedir.
Şekil 3.3 Elektronları sürüklenme ve sıcaklık kaynaklı hareket hızları
58
59
Öz iletkenliğin (σ) sıcaklığa olan bağımlılığını gözlemlemek için n-tipi katkı atomları
içeren yarı iletken malzemeyi inceleyeceğiz (p-tipi katkı atomları olan yarı iletken için
aynısı geçerlidir):
= n = enn
(3-2)
Bu ifadede sıcaklığa bağlı olan büyüklükler serbest elektron yoğunluğu (n) ve onların hareketini (μn) ifade eden büyüklüklerdir. Bu büyüklükler şekil 3.4 а) ve b) şıklarında
gösterilmiştir.
Şekil 3.4. а’da üç farklı karakteristik olan bölge ile karşılaşırız. I. bölge katkı bölgesi olarak adlandırılır, çünkü bu sıcaklık aralığında (0–20К) serbest elektron yoğunluğu
donör katkı atomların iyonizasyonundan dolayı artmaktadır. Тp ≈ 20K sıcaklığında bile
kristal kafes içerisinde bulunan atomların sıcaklıktan kaynaklanan titreşimleri, aktifleşme enerjileri çok düşük olan (0,01 ile 0,05 еV) donör atomların uyanmalarına sebep
olur. Bu durumda serbest elektronların sayısı katkı atomlarına eşit olmaktadır (n=Nd).
Bundan sonra meydana gelecek olan sıcaklık artışında serbest elektronların sayısında
bir artış olmayacaktır ve bu yeni bölge (II) doyum bölgesi olarak adlandırılır.
Şekil. 3.4 N-tipi katkı atomlu yarı iletkenin а) yoğunluğunun
b) hareketliliğinin ve c) öz iletkenliğinin sıcaklıkla olan ilişkisi
59
60
Oda sıcaklığından daha yüksek sıcaklıklarda bile kristal kafes içerisinde bulunan
atomların sıcaklıktan kaynaklanan titreşimleri, valans bölgesinin ucunda bulunan
elektronların iletkenlik bölgensin alt kısmına geçmelerini sağlamaktadır. Burada elektron-boşluk iletken çifti oluşur. Kendi valans elektronlarının doğrudan valans bölgesinde iletkenlik bölgesine yoğun bir şekilde gelişen harekete sebep olan Ts sıcaklığı verilen yarı iletkenin enerji boşluğunun (Eg) genişliğine bağlı olmasından dolayı, bu bölge
öz iletkenlik bölgesi (III) olarak adlandırılır.
Şekil 3.4 а) şıkkında kesik çizgiler ile yarı iletkende katkı atomları olmadığında serbest
yük taşıyıcıların (elektron ve boşluklar) yoğunluklarındaki değişim gösterilmiştir. Burada Т<Ts sıcaklıkları için doğrudan elektron-boşluk çiftlerinin (rekombinasyon) oluşma
süreci meydana geldiğini görebiliriz, fakat bu süreç T>Ts sıcaklıklarında tamamen aktif
hale gelmektedir.
Serbest elektronların hareketinin sıcaklıkla olan ilişkisi şekil 3.4 b şıkkında gösterilmiştir. Т<Tf katkılı yarı iletkendeki yük taşıyıcı elektronların hareketi üzerinde en büyük
etkiyi malzemede iyonize olmuş katkı atomların elektrostatik kuvvetleri göstermektedir. Sıcaklığın artması ile serbest harekete eden elektronların hareket hızı artar, bu da
iyonize olmuş katkı atomlar üzerindeki kulomb kuvvetlerinin azalmasına neden olur
ve dolayısı ile hız ve hareketlilik artar. Bu arada Т>Tf (yaklaşık 60К) değeri için, kristal
kafesteki atom titreşimleri (fononlar) o kadar artmaya başlar ki bir zamana sonra elektronlarla çarpışırlar ve onların hareketlerinin yavaşlamasına neden olurlar.
Aynı resimde katkı atomları bulunmayan saf yarı iletkenin sıcaklığa olan ilişkisi kesik
çizgilerle gösterilmiştir.
Öz iletkenliğin yük taşıyıcı elektronların hem yoğunluğundan hem de hareketlerinden doğrudan bağımlı olduğu için, a ve b diyagramlarından öz iletkenliğin sıcaklığa
olan bağımlılığı kolayca (grafiksel çarpma ile) hesaplanabilir (Şekil 3.4 c).
Görüldüğü gibi öz iletkenlik sıcaklığın artması ile artış göstermektedir, burada sadece Тf ile Тs sıcaklık değerleri aralığını istisna olarak gösterebiliriz. Genel olarak öz direnç
değeri (ρ≈1/σ) sıcaklığın artması ile azalmaktadır, bunun anlamı iletkenlerin negatif sıcaklık katsayıları olduğu anlamına gelir.
3.4. YARI İLETKEN MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİNİN ANALİZİ
VE KARŞILAŞTIRILMASI
Karakteristik yarı iletkenler:
1. Elementlerin periyodik tablosunda IV. Gruptaki elementler germanyum (Ge)
ve silisyum (Si),
2. III. ve V. gruptaki galyum ve arsenik gibi elementlerin kullanılması ile elde edilen katkılı yarı iletken malzemeler
3. Yarı iletken elemanların ve diğer bileşiklerin beraber kullanılması ile oluşturulan yarı iletken alaşımlar.
60
61
Entegre devrelerin gelişmesine kadar önceden yarı iletken aktif bileşenlerin (transistör ve diyotlar) yapımında genelde germanyum (Ge) kullanılmıştır. Fakat 60’lı yılların
başında mikroelektronik entegre devrelerin gelişmesi ile beraber yarı iletken teknolojisinde silisyum (Si) kullanım bakımından üstünlüğü ele geçirmiştir. Son yıllarda git gide
daha çok selenyum arsenik (GaAs) kullanılmaya başlanmıştır, özellikle hızlı çalışmanın
önemli olduğu yerlerde. Tablo 3.1’de yarı iletken olarak kullanılan Si, Ge, GaAs elementlerin karakteristikleri karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir, bu yarı iletkenler mikroelektroniğin gelişme dinamiğini belirlemektedirler.
Germanyumdan elde edilen yarı iletkenin enerji boşluğunun (Eg=0,67 eV) en büyük olduğunu dikkate aldığımızda, elde edilen bileşenlerin çalışabilecekleri en yüksek
sıcaklık yaklaşık olarak 100оC olmaktadır. Burada germanyumun kendi bölgesi başlar
(şekil 3.4 b) ve bu sıcaklıkta uygulamada serbest elektronların ve boşlukların yoğunluğu eşitlenir öyle ki, p-n temelinde oluşturulmuş yarı iletken bileşenler artık çalışmaz
duruma gelirler. Enerji boşluğu daha büyük olan Si (Eg=1,11eV), çalışma sıcaklığı sınır
değeri yaklaşık olarak 200оС’dir, GaAs ise yaklaşık olarak 300оС’dir çünkü onun enerji
boşluğu daha da büyüktür.
GaAs’in Ge ve Si’a göre avantajı elektron hareketliliğinin önemli ölçüde daha büyük
olmasıdır (μn=9500cm2/Vs, bu değer germanyumdakinden 2 defa ve silisyumdakinde
yaklaşık 7 defa daha büyük bir değerdir). Bunun dışında, GaAs doyuma ulaşma hızının
ortalama değeri (Llvds) Ge ve Si’den çok daha büyüktür.
Ayrıca, GaAs lazer teknolojisinde kullanımı doğrudan enerji boşluğuna sahip olduğu için çok uygundur. Lazer teknolojisinde gerekli olan akım yoğunluğunun doğrudan
enerji boşluğuna sahip olan yarı iletkenlerde 10 kat daha fazla olduğu bilinmektedir.
Eğer GaAs yarı iletkenine katkı olarak krom eklenirse o zaman yarım izolasyon malzemesi elde edilir çünkü özdirenç değeri 10-1Ωm den 106Ωm’ye yükselir. Bunun gibi GaAs
yarım izolasyon malzemesi yarı iletken bileşenleri için gövde olarak kullanıldığında o
zaman istenmeyen parazitler ve zaman sabitesi (tRC) önemli ölçüde azalacaklar, öyle ki
с GaAs’ın üst çalışma frekans sınırı (fg) 100 GHz’e kadar çıkacaktır. Bu değer silisyum yarı
iletkenin kullanıldığı bileşenlere göre yaklaşık olarak 2 kat daha büyüktür.
GaAs çift kutuplu (bipolar) transistörlerde genelde kullanılmaz, sebebi ise elektron
ve boşlukların hareketinin oranının (μn/μp≈21) yüksek olmasından dolayıdır. Si ve Ge
yarı iletkenlerinde bu oran çok daha uygundur, bundan dolayı en kaliteli çift kutuplu
transistörler ve entegre devreler bu yarı iletkenlerden yapılır.
Si yüzeyine çok kaliteli izolasyon (SiO2 yapılmış) eklenebilir, oksidasyonun kullanıldığı bu yöntem çok sağlam ve ucuzdur. Bu yöntem GaAs (veya Ge) plak üzerine uygulanması mümkün değildir, bu gibi yarı iletken malzemelerde en çok Si3N4 (silisyum nitrat)
kullanılır ve uygulanması pahalı bir teknolojidir.
61
62
Tablo. 3.1 Si, Ge и GaAs bazı önemli parametrelerinin karakteristikleri
Büyüklük
Si
Ge
Eg(eV)
1,11 (doğ. olm.)
0,67 (doğ. ol.)
o
tr( C)
< 200
< 100
Termal gürültü
orta
büyük
GaAs
1,44 (doğ.)
< 300
küçük
n ¨¨
§ cm 2
© Vs
·
¸¸
¹
1.350
3.900
9.500
§ cm 2
p ¨¨
© Vs
·
¸¸
¹
480
1.900
450
0,8 10 7
1,5 10 7
2 10 7
2 10 7
-
8 10 7
r (ps)
0.1
0.1
1
RC
büyük
orta
küçük
fg (GHz)
< 50
§ W ·
¨
¸
© mK ¹
145
60
44
Oksit
Kararlı ve
kaliteli(SiO2)
Kararsız
Kararsız
2,33
5,32
5,36
Monokristal
elde edilmesi
p-tip (Çohralski)
n-tip (yüzen bölge)
tabakalar (VPE
epitaksiyel)
p-tip (Çohralski)
p- tip (Çohralski
basınç altında, LEC)
tabakalar (VPE ve
MBE epitaksiyel)
Fiyat
Düşük
Orta
Yüksek
§ cm ·
¸
© s ¹
vds ¨
§ cm ·
¸
© s ¹
vd max ¨
§ g ·
3 ¸
© cm ¹
m ¨
< 100
entegre devreler
entegre
devreler
(bipolar,
unipolar MOS)
Uygulama
fotodetektörler
tristörler
güneş hücreleri
balistik devreler
62
fotodetektörler
nükleer
detektörler
kızılötesi
pencereler
(unipolar JFET)
opto elektronik
entegre devreler
lazerler
fotodetektörler
mikrodalga
kaynakları
güneş hücreleri
balistik ve
heteroskop
devreler
63
Bu üç yarı iletken malzemeden öz ısıl iletkenliği en düşük olan malzeme GaAs’dır, bu
onun için büyük bir dezavantajdır. Fakat günümüzde bu problem Japonya’daki laboratuarlarda GaAs plaklara elmas eklenmesi ile çözülmüştür. Bilindiği gibi elmas doğada
en iyi sıcaklık iletkenidir ve yarı iletkenin yüzeyindeki sıcaklığın alınmasını büyük ölçüde arttırmaktadır.
En düşük özgül ağırlığa (ρm) sahip yarı iletken element silisyumdur (Si), bu sebeple
bu malzeme kullanılarak en hafif devreler yapılmaktadır.
Si kullanılarak üretilen entegre devreler ve bileşenler maliyet açısından en uygundurlar, çünkü silisyum kullanılarak yapılan üretim daha basit ve daha teknolojik olarak gelişmiştir. Burada iletim katmanları oluşturma bakımından fiyat olarak daha ucuz,
mikro kristal elde etmek daha kolay ve oksidasyon açısında daha avantajlı durum söz
konusudur. Tüm bunları göz önünde bulundurursak Si entegre devre yapımında domine etmektedir, GaAs ise daha çok hız ve yüksek frekanslar söz konusu olduğunda
kullanılmaktadır.
Ge entegre devre yapımında kullanılmamasına rağmen enerji boşluğunun küçük olmasından dolayı radyasyon algılayıcıları ve hatta nükleer emisyon için kullanılır, çünkü
yüksek enerjiye sahip bir parçacıktan birçok iletken çift olan elektron-boşluk üretmek
mümkün olmaktadır. Bu özelliğinin dışında ayrıca görünen spektrumda sadece düşük
enerjili kızıl ötesi ışığın geçmesine izin verdiği için ayrıca kızıl ötesi algılayıcıların üretiminde de kullanılmaktadır. Üretilen bu algılayıcılarda elektron-boşluk çiftinin ışığı emdiği için gürültü önemli ölçüde giderilmektedir. Termal kameraların askeri amaçlar için
yaygın olarak kullanılmalarından dolayı geçtiğimiz on yıl içerisinde söz konusu olan
algılayıcıların üretimi için Ge tekrar aranan bir malzeme haline geldi.
3.5. BAZI ÖNEMLİ YARI İLETKENLERİN ÖZELLİKLERİ, İÇERİKLERİ,
ALAŞIMLARI VE KRİSTAL KAFES YAPILARI
Temel yarı iletkenler olan Si ve Ge dışında yine temel amaçlı olarak ayrıca selen (Se)
ve karbon (C) da kullanılmaktadır, karbon iki şekilde karşımıza çıkmaktadır: elmas ve
grafit.
Selen doğrultucular, foto hücreler, kopyalama cihazları, televizyon kameraları vb cihazların yapımında kullanılır.
Elmas çok büyük enerji boşluğuna (5,4 eV) sahiptir, bu dielektrikler için geçerli bir
özelliktir. Fakat, elmasın küp kristal kafes yapısında dolayı (Si ve Ge benzer şekilde) donör ve akseptörlere kolayca tepki vermekte ve p-n tabakaları oluşturabilmektedir. Büyük enerji boşluğundan dolayı elmas temelli yarı iletken bileşenlerin çalışma sıcaklığı
bayağı yüksektir (1000°C daha yüksek), ayrıca Si ile yapılan devrelere nazaran boyutların küçültülmesi bakımından elmasın öz ısıl iletkenliği (550 W/mK) büyüklüğünden
yararlanılır. Boyutların küçülmesi ile soğutma da avantajlı hale gelir. Şimdiye dek yarı
iletken plakanın alt kısmında bulunan ince elmas tabakaların daha iyi soğumaları için
buhar uygulanmaktadır.
63
64
Grafit yarım metal olarak kabul edilir ve özdirenci (~10-6Ωm) metal ile yarı iletkenler
arasındadır. Grafit, katmanlar şeklinde altıgen formunda (aynen arıların bal peteği gibi)
bir düzlem üzerinde atomları paketlenmiştir, bu yapı ona yarı boyutlu bir karakteristik
katmaktadır (Düzlem üzerindeki iletim, düzlem içindeki iletimden yaklaşık olarak yüz
kat daha fazladır). Günümüzde yarım - tek boyutlu grafit sentezi ve üretimi için çok
büyük çaba harcanmaktadır, burada elektrik akımı baskın bir şekilde tek yönde iletilir
ve grafite göre daha iyi mekanik özellikler ile karşılaşırız. Bu tür bir malzeme temelinde
yapılmış akümülatörlerde birim ağırlık bakımından daha şimdiden en büyük kapasiteye sahip oldukları gözlemlenmiştir. Ayrıca grafit, elektrik ısıtıcıları ve diğer yarı iletkenlerin eritildiği kaplar olarak kullanıldığını bilmekteyiz, özellikle çok büyük erime sıcaklığından (3845оC) dolayı kullanılmaktadır.
Yarı iletken bileşiklerden, en tanınmışları olan III-V grubu bileşiği olan GaAs dışında, en çok kullananlar InP, InSb, GaP dur, daha sonra II-VI grubu bileşiği olan CdTe,
HgTe ve ZnSe, IV-VI grubu bileşiği olan PbTe, SnTe, PbS ve IV-IV grubu bileşiği olan SiC
gelmektedir.
İndiyum-antimon (InSb) manyetik alanı ölçen özel ölçü aletlerin yapımında kullanılır, ayrıca termo kameralar yapımı ve kızıl ötesi algılayıcıların yapımı için kullanılırlar. Yük
taşıyıcı elektonların en büyük hareketliliği (80 000 cm2/Vs kadar) ile tanınırlar.
İndiyum-fosfat (InP) günümüzde en çok incelenen yarı iletkenlerde bir tanesidir ve
daha şimdiden ~250 GHz civarında çalışan transistörlerin laboratuar ortamında üretimi
yapılmıştır.
Galyum-fosfat (GaP) ışık algılayıcısı ve ışık yayan (LED) diyotların yapımında kullanılmaktadır. Buradaki LED diyotlar için verimlilik katsayısının %1 olduğunu belirtmemiz
gerekmektedir, fakat azotun katılması ile çok büyük parlaklık elde edilir çünkü gözün
algıladığı görünen spektrumda yeşil renk en çok parlaklık vermektedir.
Çinko-selenid (ZnSe) ayrıca LED yapımında geniş kullanımı vardır ve özellikle mavi
renk spektrumu açısından önem taşımaktadır.
Kadmiyum-telürid (CdTe) en çok Hg1- xCdxTe alaşımı ve CdTe-HgTe süper-kafes temelinde kızıl ötesi algılayıcıların gövdesinin yapımında kullanılır, ayrıca son dönemde
cıva-telürid (HgTe) tabakaları kombinasyonu temelinde bu yapıları elde etmek için kullanılmaktadır. Kızıl ötesi algılayıcıların yapımı için daha önceleri kurşun-telürid (PbTe)
yaygın olarak kullanılmaktaymış.
Silisyum karbit (SiC) çok enteresan bir malzemedir, çalışma sıcaklığı çok yüksektir,
bu yüzden geçtiğimiz yıllarda bu özellik sayesinde 1000оC ve üzerinde çalışan entegre
devreler üretilmeye başlanmıştır.
Yarı iletken alaşımlarda en çok kullanılanlar: Al1-xGaxAs, In1-xGaxAs, (InAs)1-x(GaP)x,
Hg1-xCdxTe, Sn1-xPbxTe,…, ayrıca bu sınıfa iletken polimer malzemeleri de katabiliriz: Polyacetylene, polypyrrole, polyaniline..). En önemli alaşımlardan bir tanesi Al1-xGaxAs alaşımıdır, bu alaşım görünen spektrumda ve optik lazer (0,9 μm) nesli haberleşme sistemlerinde kullanılmaktadır. Bunun dışında, Al1-xGaxAs I GaAs katmanları kombinasyonu,
64
65
günümüzde 200GHz ve üzerinde çalışabilen ultra hızlı çok katmanlı balistik transistörlerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır. In1-xGaxAs ve (InAs)1-x(GaP)x alaşımları ikinci nesil
lazer ve algılayıcıların yapımında kullanılır bu bileşenler optik haberleşmede (1,3 μm и
1,55 μm) kullanılmaktadırlar. Hg1-xCdxTe alaşımı (cıva fazlası var) en çok kızıl çtesi algılayıcıların yapımında kullanılır (8+13 μm bölgesinde), burada bir zamanlar Sn1-xPbxTe alaşımı da çok kullanılmaktaydı. İletken polimerler: Polyacetylene, polypyrrole, polyaniline,
en çok hafif ve güçlü akümülatörlerin yapımında kullanılırlar, ayrıca başka alanlarda da
kullanılırlar özellikler moleküler mikroelektronik alanı, ki bu alan yeni yeni gelişmeye
başlamıştır.
Süper-kafes yarı iletkenler olarak en çok kullanılan görünen spektrum lazer yapımında kullanılan GaAs – Al1- xGaxAs alaşımını gösterebiliriz, ayrıca CdTeHgTe alaşımı kızıl
ötesi algılayıcı (8+13 μm bölgesinde) yapımında kullanılır.
3.6. YOĞUN VE İNCE TABAKA MONOKRİSTALLERİN
ELDE EDİLME YÖNTEMLERİ
Yarı iletken entegre devre ve bileşenlerin üretimi için yoğun ve ince tabaka şeklindeki yarı iletken monokristallerin kullanılması gerekmektedir. Yoğun monokristal malzeme elde etme sürecini silisyum (Si) örneği ile açıklayacağız. Si Polikristali kuvars kumundan (SiO2) elde edilmektedir. Yüksek sıcaklıktaki fırınlarda karbonun indirgenmesi ile
%99 oranında saf silisyum ele edilmektedir. Elde edilen bu saflık derecesi bu malzemenin elektronikte kullanılması için uygun olmamaktadır, bu yüzden ek olarak kimyasal
temizleme yapılır ve bir milyar Si atoma karşılık bir katkı atomu oranında bir saflık elde
edilir. P tipinde monokristal Si genelde çekme dediğimiz (Czhochralski süreci denilen)
süreç ile elde edilir, bu sürecin grafiksel gösterimi şekil 3.5’te verilmiştir.
Polikristal Si, yüksek frekansta çalışan ısıtıcı kullanılarak kuvars bir kapta eritilir ve
eriyen bu malzemenin sıcaklılığı Si erime sıcaklığından (1415°C), argon gazı (Ar) kullanılarak, 5°C daha yüksek bir sıcaklıkta ısıtılır. Daha sonra erimiş malzemenin içine
monokristal tohum (parçacık), kristal yönü belli olan Si monokristal parçacığı eritilir.
Eklenen tohum ki bu tohum dönerek yüzey tabakanın soğumasına neden olur, burada
Si atomları bu tohum etrafında yoğunlaşmaya başlarlar ve bu şekilde tohumun monokristal atom yapısı takip edilmeye başlanır. Daha sonra bu tohum yavaşça erimiş kütleden çıkarılmaya başlanır (3mm/dk hızı ile), aynı anada tohum (dakikada 15-150 devir)
kap (dakikada 2-15 devir) ile döndürülür fakat ters yönde. Bu şekilde tüm kütlenin eşit
derecede soğutulması sağlanır. Bu yöntem kullanılarak silisyumun 30 cm çapında ve
50 kg ağırlığında monokristal örnekleri (külçeleri) yapılmaktadır. Kuvarstan yapılan kap
içinde üç valanslı bor (B) atomunun var olduğunu dikkate aldığımızda ve bu atomların
erimiş silisyum malzemeye kolayca karışabilmesi nedeni ile bu süreç ile bor (B) katkılı
p tipi yarı iletken malzeme elde etmiş oluruz. Czhochralski yöntemi kullanarak n tipi
yarı iletken elde etmek için beş valanslı fosfor (P) atomları kullanılır, fakat bu atomların
yoğunluğu bor atomlarından daha yüksek olmak zorundadır. Bu şekilde elde edilmiş
yarı iletken katkı malzeme yoğunluğu yüksek olur ve kristal kafeste deformasyonlar
meydana gelir ki bu durum elektron hareketini etkiler.
65
66
Çekme
Rotasyon
Yoğunluğu
Parçacık
Monokristal
Eriyen
Termokup
VF Isıtıcı
Kab
Derece
Ayarına
Doğru
Şekil. 3.5 Czhochralski süreci kullanılarak monokristal elde etme yönteminde kullanılan cihaz
Bundan dolayı n tipinde silisyum monokristal elde etmek için “yüzen bölge” yöntemi” kullanılır. Burada her hangi bir kap kullanılmamaktadır. Şekil 3.6’da böyle bir
cihazın çizimi gösterilmiştir. Silisyumdan yapılmış polikristal çubuk koçan içine sokulur.
Yüksek frekanslarda çalışan ısıtıcı kullanılarak koçanın bir kısmı ve yakında bulunan silisyum külçesi eritilir ve burada erimiş bir bölge oluşur, bu bölge yüzey gerilimine maruz kalmaz. Çubuğun hafifçe halka şeklindeki ısıtıcıdan yukarıya doğru çekersek (yaklaşık olarak 3mm/dk hızla) monokristal külçede büyüme meydana gelir. Bu şekilde n tipi
silisyum elde etmiş oluruz.
Yukarıda açıklanan her iki yöntem sadece yarı iletken monokristaller elde etmek için
kullanılmaz ayrıca metal ve izolatörlerin monokristallerin elde edilmesinde de kullanılır. Czhochralski yöntemine göre: GaAs, GaP, InP yarı iletken monokristaleri elde edilir.
GaAs ve GaP kolay buharlaşan bileşenleri olduğundan (As ve P gibi), bu buharlaşma
koruma gazının yüksek basınç altında (atmosfer basıncında 20-50 kat daha yüksek) kalmasını engeller böylelikle herhangi bir patlamanın olması engellenir.
66
67
Kristal
Tutucu
Isıtıcı
Kuvars
Boru
Şekil. 3.6 Yüzen bölge yöntemi ile monokristal elde etme
İnce tabaka monokristaller, aynı malzemeden veya farklı malzeme kristal kafesinden oluşan bir gövde üzerinde yapılmaktadırlar. Uygun gövde üzerinde monokristal tabakalar elde etmek için en uygun yöntem vakum buharlaşma olarak karşımıza çıkmaktadır, bu yöntemin şematik gösterimi şekil 3.37’de gösterilmiştir. Sistem ilk önce 10-4Pa
altındaki bir basınçla vakum hale getirilir. Daha sonra malzeme Al2O3 yapılmış kap içerisine bırakılır ve burada ısıtıcı yardımı ile ısıtılır. Buharlaşan malzeme, atomların daha iyi
hareket etmeleri ve monokristal tabakaya daha iyi tutunmaları için 300-600 oC’de ısıtılır
ve taban üzerinde yoğunlaşırlar. Elde edilen film tabaka buharlaşma hızına bağlıdır ve
en kaliteli film tabakalar olarak katmanların büyüme hızı 1mm/h olduğunda elde edilir.
Isıtıcı
Tabaka
Kaynak
Vakum pompaya
doğru
Şekil 3.7 Vakum altında buharlaşma yöntemi ile monkristal elde etmek için kullanılan cihaz
67
68
Buharlaşma yöntemi son yıllarda çok büyük gelişme gösterdi ve kesinlikle sadece
kaliteli film tabakaların elde edilmesini sağlamaktadır, ayrıca kalınlık da hassas bir şekilde kontrol altına alınmaktadır. Bu yöntem kullanılarak istenen kalınlıkta yarı iletken film
tabakaları yapılabilmektedir. Bu sistem bilgisayar yardımı ile kontrol edilir ve sadece
birkaç atom kalınlığında tabakalar oluşturulabilir (yaklaşık olarak 1 nm). Bu gibi tabakaların artış hızı çok yavaştır (yaklaşık olarak 1μm/h).
3.7. SİLİSYUM ENTEGRE DVRELERİN DÜZLEM TEKNOLOJİSİ
YÖNTEMİ
Monokristal Si külçeleri (parçacıklar, genelde p tipi ve yoğunluğu ρ~1015cm-3 dir,
çünkü p tip Si n tipi Si’den çok daha ucuzdur) yardımı ile birçok düzlem tekniği yöntemi
kullanılarak entegre devre yapılabilir. Düzlem teknolojisi yöntemi deyimi, tüm teknolojik işlemlerin Si plakanın sadece bir yüzeyine uygulandığından dolayı kullanılmaktadır
ve “düzlem yönteminden” sıradaki işlemler anlaşılmaktadır: oksidasyon, litografi, difüzyon, epitaksiyel büyütme ve elektrik bağlantıların (bacakların) yapımı anlaşılmaktadır.
Si entegre devrelerinde uygulanan düzlem teknoloji yöntemin içi örnek olarak şekil
3.8’de gösterilen MOS devresinin içerdiği C kondansatör, T n-p-n transistörü ve R direnci ile açıklamaya çalışacağız. Entegre devrenin boyutlarının anlaşılması bakımından
belirmemiz gerekir ki 10 cm çapında bir Si plakası üzerine 1,25x1.25 mm2 alanda 5000
yonga (entegre devre) yerleştirilebilir. Yongalar genelde daha büyük boyutlarda olmaktadırlar (5x8mm2 kadar), ki böyle bir yonganın için bir milyon kadar bileşen (transistör,
diyot, direnç ve kondansatör) yerleştirilebilir.
Entegre devre yapımında genelde n-p-n transistörlerin üretilmesinde en basit ve en
hesaplı olan yöntemler kullanılmaktadır. Bunun dışında kalan bileşenler (direnç, kondansatör ve diyotlar) önceden üretilmiş olan n-p-n transistörün bazı bölümlerinde özel
olarak eklenmeleri gerekmektedir. Bu arada en çok dikkat edilmesi gereken, litografi ve
difüzyon süreçlerinin mümkün olduğunca azaltmaktır, bu süreçler çok pahalı ve karmaşık süreçlerdirler. Si plakaların ısıtıldığı süreç özellikle önem taşımaktadır ve bu sürecin
tekrarlama sayısı ne kadar daha az olursa o kadar daha iyidir, bu süreçler oksidasyon ve
difüzyon süreçleridir.
Burada teknolojik işlemlerin sırası ve prensipleri hakkında fazla değinmeyeceğiz.
Kısaca belirmeliyiz ki süreç başında ilk önce Si plakası hazırlanır, burada p tipi Si külçesini kesme işlemi uygulanır. Daha sonra plakalar yağlanır ve temizlenir (de iyonize
su kullanılır), bu işlemler sonucunda plakanın bir yüzeyi ayna parlaklığında elde edilir.
Parlak olarak elde edilen bu yüzey üzerine düzlem teknolojisinin süreçleri uygulanmaya başlanır ve sonunda entegre devre elde edilir. Sıradaki adımlarda yukarıda bahsettiğimiz süreçler uygulanır. Daha sonra test amaçlı bir dizi işlem uygulanır, yongalar tek
tek kontrol edilir ve hatalı olanlar işaretlenir, işaretleme bilgisayar veya boya ile yapılır.
Hatalı olan kısımlar kesilerek plakadan uzaklaştırılır. Yongalar seramik taşıyıcılara yerleştirilir, bağlantı bacakları oluşturulur ve koruma gövdesi içinde koruma altına alınırlar.
68
69
Daha sonra bilgisayar kullanılarak test işlemi gerçekleştirilir ve hatalı olanlar uzaklaştırılır. Entegre devrelerin test aşaması çok karmaşıktır ve hassas bir süreçtir onun için
çok iyi uygulama proğramları gerekmektedir. Bu uygulama proğramları kullanılarak uygun akımlarda entegre devrenin tüm bileşenleri test edilmektedir.
4
R
5
C
1
2
3
a) Elektrik sembolü
b) kesit
Şekil. 3.8 Silisyum entegre devresi
Hatalı olan yongalar işaretlenir, elmas iğne ile kesildikten sonra oradan uzaklaştırılırlar. Hatasız olan yongalar seramik taşıyıcılara sıkıştırılırlar Au-Ge alaşımı kullanılarak
yüksek sıcaklık (yaklaşık 400°C) ve basınç altında bağlantı bacakları oluşturulur.
3.8. DİYOTLAR, TRANSİSTÖRLER, TRİSTÖRLER VE ENTEGRE DEVRELER
Diyotlar, transistörler ve tristörler aktif elemanlardırlar, ayrık (artık nadiren yapılmaktadırlar) ve entegre devre şeklinde oluşturulurlar. Elektrik sinyalini (akım veya gerilim)
doğrulttukları, sınırlandırdıkları, yükselttikleri veya kestikleri için Aktif eleman olarak
adlandırılırlar.
3.8.1. DİYOTLAR
Diyotlar yarı iletken malzemeden yapılırlar (iki yarı iletken, bir p tipi ve bir n tipi).
Cam, meta veya plastik gövde içerisine yerleştirilirler. İki bağlantı ucu (bacağı) vardır:
katot (K) ve anot (A). Diyotlar için karakteristik olan bir yönde dirençlerinin çok düşük
diğer yönde çok yüksek olmasıdır.
69
70
Diyot ölçü aleti ile ölçüldüğünde ve düşük direnç değeri gösterdiğinde o değer gerçekten diyotun direnç değeri değildir. O değer diyot bağlantısında gerilim düşümünü
ifade eder. Bunun anlamı ölçü aleti – multimetre sadece diyotun p-n ekleminin hasarlı
olup olmadığını belirlemek için kullanılır. Eğer gözlemlenen değerlerden bir yönde düşük diğer yönde yüksek değer elde edilirse o zaman diyot çalışır demektir.
Diyot devreye bağlandığında anot gerilimi katot geriliminden daha büyük ise düşük
değerde bir direnç gibi davranacaktır ve dolayısıyla devreden akım. Eğer diyot ters şekilde bağlanırsa, yani katot gerilim anot geriliminden daha büyük ise o zaman yüksek
değerde bir direnç gibi davranır ve devreden akım akmaz. Birinci durum için diyot, doğru yönde kutuplanmıştır, ikinci durum için ters yönde kutuplanmıştır denir.
Şekil. 3.9 Diyot çeşitleri
Şekil 3.9’da pratikte kullanılan farklı türden diyotlar gösterilmiştir. Şekil 3.10’da farklı
tür diyotların sembolleri verilmiştir. Çok sayıda özel amaçlar için yapılmış diyotlar vardır: yüksek akım için, yüksek hızlarda çalışan, yüksek eşik gerilimim olan, alçak eşik gerilimim olan, foto diyotlar, değişken kapasiteli diyotlar vb. Diyotların çoğu silisyum kullanılarak yapılmıştır (çalışma sıcaklığından dolayı), fakat bazı durumlarda örneğin düşük
iletkenli diyotlar için germanyum da kullanılır.
anod
katod
a)
e)
b)
f)
c)
g)
ç)
d)
ğ)
h)
Şekil. 3.10 Diyot sembolleri: а) doğrultucu b) LED c) zener d) zener g) foto
e) tunel f ) tunel h) shockley i) çığ j) varikap
70
71
Zener diyotlar gerilimin stabilizasyonu için kullanılırlar. Örnek olarak ZPD5.6V işareti
ile işaretlenmiş Zener diyotun çalışma gerilimi 5.6 volttur yada ZPY15V işareti ile işaretlenmiş Zener diyotun çalışma gerilimi 15 volttur.
Foto diyotlar (3.10 g şıkkı) PN eklemi üzerine ışık düşecek şekilde tasarlanırlar. Işık
olmadığında foto diyot normal diyot gibi davranır, yani bir yönde düşük direnç diğer
yönde yüksek direnç göstermektedir. Işık uygulandığında her iki yönde direnç düşüktür ve üzerinden akım akar. Foto ve LED diyotlar optik elemanların en başında gelirler.
Tunel diyotlar (3.10 e) ve f )) yüksek frekanslarda çalışan osilatörlerde kullanılırlar.
Shockley diyotları (3.10 h) yüksek frekanslı devrelerde kullanılırlar, doğru yönde iletim
için düşük eşik gerilimlerinden dolayı kullanılırlar. Zener diyotlar (3.10 c) değişik cihazlarda korum ve stabilizasyon amaçlı olarak kullanılırlar. Daha önceden belirlenen gerilim değeri üzerindeki gerilimlerde üzerinden akım akmaktadır. Varikap diyot (3.10 j)
yüksek frekans tekniğinde değişken kondansatör gibi kullanılır. Devrede gerilim değeri
değiştiğinde, anot ve katot arasındaki sığa değeri de değişir. Bu diyot genelde radyo
alıcılarda ve osilasyon devrelerinde kullanılır.
Aynı zamanda ışık yayan diyotlar da vardır, LED diyotlar olarak adlandırılırlar, şekil
3.11’de gösterilmiştir. Bu diyotlar normal diyotlardan tamam farklı bir türdürler. Bu diyotlar kristal maddeden yapılmıştırlar ve üzerlerinden akım geçtiğinde ışık saçarlar.
Kristal maddenin yapısına bağlı olarak LED diyotlar kırmızı, sarı, yeşil, mavi veya turuncu renkte ışık saçabilirler.
Şekil 3.11 Farklı renkte LED diyotlar
Şekil 3.12 7-parça LED gösterge
Birden fazla LED parçanın aynı gövde üzerinde bağlanarak yerleştirilmesi ile 7-parçalı LED gösterge elde edilir (şekil3.12). Bu yapı elektronik devrelerdeki sayısal göstergeleri oluşturmak amacı ile kullanılırlar.
Diyotların işaretlenmesi: Avrupa’da diyotlar iki veya üç harf ve bir sayı kullanılarak
işaretlenirler. Birinci harf diyotun üretildiği malzemeyi tanımlar (A-germanyum, B-silisyum), veya Zener diyot söz konusu ise işaret Z dir. İkinci ve üçüncü har diyotun türünü
ve kullanım alanını belirler.
71
72
Bazı diyot işaretleri:
А – düşük güçle çalışan diyotlar, AA111, AA113, AA121 gibi, vb. – bunlar radyo alıcısının detektöründe kullanılırlar; BA124, BA125: varicap (varikap) osilatör devrelerinde ve
alıcılarda değişebilen kondansatörlerin yerine kullanılırlar, BAY80, BAY93 – anahtarlama
diyotları, lojik devrelerde kullanılırlar, BA157, BA158 – bir durumdan diğer bir duruma
hızlı geçiş yapabilen anahtarlama diyotlar.
B – iki kapasitif (varicap) diyotun aynı gövde üzerinde yerleşmiş olduğu yapı BB104,
BB105.
Y –BY240, BY243, BY244 regülasyon diyotları, bu diyotlar plastik bir kutu içerisinde
saklanırlar ve maksimum 0.8 A değerine kadar çalışırlar. İşaretinde bir Y karakteri daha
varsa o zaman daha yüksek akımlar için de çalışabilirler.
Örnek olarak, BYY44 diyotu, ki bu diyotun mutla maksimum çalışma akımı 1 A değerindedir. Eğer Y karakteri Zener diyotta ikinci işaret karakteridir (ZY10, ZY30, vb), o
zaman o siyotun daha yüksek akımlarda çalıştığını anlarız. G, G, PD – gibi farklı işaret karakterleri toleransı ifade ederler. Bazı tolerans değerleri: ZF12 (5% tolerans), ZG18 (10%
tolerans), ZPD9.1 (5% tolerans). Üçün işaret karakteri bazı özellikleri belirtmek için kullanılır (örnek olarak, yüksek akım).
Amerikan standartlarında işaretler 1N ile başlar ve rakamlar ile devam eder, örnek
olarak 1N4001 (regülasyon diyotu), 1N4449 (anahtarlama diyotu), vb. Japon standartları
Amerikan standartlarına benzer işaretleme kullanır. En önemli fark orada N karakteri yerine S karakteri kullanılır, örneğin 1S241.
3.8.2. TRANSİSTÖRLER
Transistörler, icra ettikleri fonksiyonlara göre çift kutuplu (bipolar, n-p-n veya p-n-p)
ve tek kutuplu (MOSFET) olarak ayrılırlar, bu yüzden onların çalışmasında her iki yük taşıyıcının (elektron ve boşluk) veya sadece bir yük taşıyıcının rolü olması önem taşımaktadır.
Transistörler aktif elemanlardırlar ve elektronik devrelerde her yerde karşımıza çıkarlar.
Transistörler genelde yükselteç ve anahtar gibi kullanılırlar. Yükselteç olarak, yüksek frekans ve alçak frekans tekniğinde, osilatör devrelerde, modülatör devrelerde, algılayıcılarda ve daha bir çok elektronik devrede kullanılırlar. Dijital devrelerde transistörler anahtar
gibi kullanılırlar.
Dünya çapında transistör üreten çok büyük üretici şirketler mevcuttur. Her transistör
için üretici firmanın sağladı karakteristikler katalogu veya tablosu elinizde olması gerekir,
oradaki verilere bakarak nasıl bağlanacağını belirleriz. Bu gibi katalog belgelerinde transistör hakkında onu doğru kullanabilmek için gerekli bilgiler (maksimum çalışma akımı,
güç, yükseltme vb) vardır. Yüksek, orta ve düşük güçlerde çalışan transistörler mevcuttur,
ayrıca alçak frekanslarda, yüksek frekanslarda çalışan da vardır. Yüksek akım ve gerilimlerle çalışan transistörler de mevcuttur. Şekil 3.13’de bazı transistörler gösterilmiştir.
En çok kullanılan transistörler çift kutuplu transistörlerdirler ve daha öncede de belirttiğimiz gibi iki tip çift kutuplu transistör var, NPN ve PNP. Bu transistörlerin yapı malzemesi olarak genelde silisyum (B harfi ile işaretlenirler) veya germanyum (A harfi ile
72
73
işaretlenirler) kullanılır. İlk transistörler germanyumdan yapılıyordu fakat sıcaklığa çok
hassastılar.
Silisyum temelli transistörler sıcaklığa daha dayanıklıdırlar ve üretim maliyetleri çok
daha düşüktür. Transistör işaretlerinde ikinci karakter onun hangi amaçla kullanıldığını
belirtir:
C - Orta ve düşük güçlerde çalışan AF transistör,
D – Yüksek güçlerde çalışan AF transistör
F - Düşük güçlerde çalışan YF transistör, G – Diğer transistörler,
L – Yüksek güçlerde çalışan YF transistör,
P – Foto transistörler,
S – Anahtarlama transistörleri,
U – Yüksek gerilim transistörleri.
Şekil 3.13 Değişik transistör türleri
Aşağıda bazı transistör örnekleri verilmiştir:
AC540 – germanyum çekirdekli, AF, düşük güç,
AF125 - germanyum çekirdekli, YF, düşük güç,
BC107 - silisyum, AF, düşük güç (0.3W),
BD675 - silisyum, AF, yüksek güç (40W),
BF199 - silisyum, AF (550 MHz kadar),
BU208 - silisyum (700V kadar),
BSY54 - silisyum, anahtarlama transistör.
Bazı durumlarda üçüncü karakterin eklenmesi de mümkündür (R ve Q – mikrodalga
transistörler, veya Х – anahtarlama transistörleri), fakat bu karakterler üreticiden üreticiye değişebilmektedir. Karakterlerden sonra gelen rakam kullanıcılar açısından bir
önem taşımamaktadır. Amerikalı üreticilerin ürettiği transistörlerin işaretlemesi farklılık
göstermektedir, 2N ön takısı kullanılır (örnek olarak 2N3005). Bu işaretleme diyotlardakine benzemektedir, orada ön takı 1N olarak kullanılırdı (örneğin 1N4004).
73
74
Japon standartlarındaki işaretlemelerde sıradaki ön takılar kullanılır: 2SA, 2SB, 3S
2SC veya 2SD, ve FET- transistörler için:
2SA - PNP, YF transistörü,
2SB - PNP, AF transistörü,
2SC - NPN, YF transistörü,
2SD - NPN, AF transistörü.
Transistörlerin devre sembolleri şekil 3.14 gösterilmiştir.
NPN
N-Kanallı
N-Kanallı
N-Kanallı
(Beyz 1)
(Gate)
(Emiter)
N-Kanallı
(Drein)
(Kolektör)
(Beyz)
N-Kanallı
(Emiter)
(Sors)
PNP
P-Kanallı
a)
b)
(Beyz 2)
P-Kanallı
c)
P-Kanallı
ç)
P-Kanallı
d)
P-Kanallı
e)
Şekil. 3.14 Transistörlerin devre sembolleri
Düşük güçlerde çalışan transistörler küçük metal veya plastik gövde içerisine yerleştirilirler ve değişik şekillerde olabilirler. Çift kutuplu transistörlerin üç bağlantı çıkışı
(bacağı) vardır: beyz (B), emiter (Е), ve kolektör (C). Bazı durumlarda YF transistörlerin
ekstradan bir tane daha bacağı vardır ve bu bacak gövdeye bağlanmıştır. Bu bacak genelde topraklama amaçlı transistörün dış elektrik etkilerinden korumak için kullanılır.
Dört bağlantı ucu bazı diğer transistörlerde de karşımıza çıkmaktadır, bun örnek olarak
FET transistörleri gösterebiliriz. Yüksek güçlerde çalışan transistörler orta ve düşük güçlerde çalışan transistörlerden hem büyüklük hem şekil bakımından farklılık göstermektedirler.
Çift kutuplu transistörler tek kutuplu transistörlere göre daha hızlı çalışırlar ve bu yüzden analog yükselteç devrelerde kullanılırlar. Fakat, güçlü akımların akması sebebiyle
bu transistörlerde disipasyon (kayıplar) büyük olduğundan, onları boyutları küçük olan
çift kutuplu entegre devrelerde kullanılmalarını sınırlandırmaktadır.
Tek kutuplu MOSFET transistörler çift kutuplu transistörlere göre 50 kat daha yavaştırlar fakat aynı zamanda yaklaşık 50 kat daha az disipasyona (kayıplar) sahiptirler bir
ve çok yüksek entegrasyon derecesine sahipler. Bu yüzden bu transistörler genelde
250MHz frekanslarda çalışan dijital mantık devrelerinde ve belleklerde kullanılırlar.
74
75
3.8.3. TRİSTÖRLER
Tristörler n-p-n-p şeklinde bağlanmış eklemlere sahiptir ve endüstriyel elektronikte elektrik makinelerinde anahtarlama elemanı olarak kullanılmaktadırlar. Tristörlerin
çıkışlarında çok küçük giriş gerilimleri ile çıkışta büyük gerilimler (200 V’tan büyük gerilimler) elde edilebilmektedir, öyle ki tristörleri lojik devrelerden elde edilen sinyallerle
de komuta etmemiz mümkündür. Bu tür tristörlerin kapama hızı yaklaşık olarak 100ns
dir, açma hızı ise yaklaşık olarak 1μs’dir, ki bu değerler onun maksimum çalışma frekansının yaklaşık olarak 100кHz yapar.
Şekil 3.15’ bazı tristörler gösterilmiştir. Triyaklar tristörlere benzerler, diyaklar ise düşük güçlerde çalışan doğrultucu diyotlara benzerler. Bu elemanların sembolleri ve görüntüleri şekil 3.16’da verilmiştir.
Tristörler iyileştirilmiş diyotlardırlar. Anot (A) ve katot (К) yanında bir adet daha bağlantıları vardır, bu bağlantı genelde G (gate) ile işaretlenir, bunu şekil 3.16 a şıkkında
görebilirsiniz. Tristörlerde de aynen diyotlarda olduğu gibi anot gerilim katot geriliminden daha yüksek seviyede olduğunda akım akar, fakat burada gate ucunun pozitif olması ve cihazı tetiklemek için yeterince akım akması.
Şekil. 3.15 Farkı tür tristörler
Tristör akım iletmeye başladığında, gate ucundan akan akımın bir önemi yoktur, tristör anot ve katot ucunda akan akımın kesilmesi ile kapatılabilir. Tristörler bazı devre şemalarında SCR şeklinde işaretlenirler, bunun anlamı silisyum kontrollü doğrultucudur.
Triyak tristöre çok benzemektedir, tek fark diyak her iki yönde iletme özelliğine sahiptir. Triyak’ın anot 1 (А1), anot 2 (А2) ve gate (G) olarak adlandırılan bağlantı uçları
vardır. Alternatif akımlarla çalışan devrelerde regülasyon amaçlı kullanılırlar. Tristörler
ve Triyaklar alfa sayısal karakterlerle işaretlenirler, örneğin KT430.
Düşük güçlerle çalışan tristörler ve triyaklar aynı tip gövdeler içerisine korunurlar,
daha yüksek güçlerle çalışanlar ise tamamen farklı tip gövdelerde korunurlar, bazılar
şekil 3.15’te gösterilmiştir.
75
76
a)
b)
c)
Сл. 3.16 Tristör sembolleri
Bazı tristör ve triyakların nasıl göründükleri şekil 3.13 a ve b şıkkındı verilmiştir. Diyaklar veya genelde iki yönde ileten diyotlar olarak adlandırıldıkları gibi şekil 3.16 c şıkkında gösterilmiştirler, diyaklar tristör ve triyaklarla beraber kullanılırlar. En önemli karakteristikleri yüksek dirence sahip olmalarıdır, bu yüksek direnç değeri daha önceden
belirlenen gerilim değerinin onun uçlarında belirmesine kadar devam eder. Bu gerilim
değeri altında diyak değeri çok yüksek olan bir direnç gibi davranır, gerilim değerinin
artması ile diyak direnci azalmaya başlar.
3.8.4. ENTEGRE DEVRELER
Entegre devreler elektronikte çok büyük öneme sahiptirler. Entegre devrelerin çoğu
özel amaçlar için üretilmiştirler ve içerisinde binlerce transistör, diyot ve direnç içermektedirler. Entegre devreler (ED) özel amaçlar için kullanılırlar, bunlardan bazıları: FM
alıcılar, ses yükselteçleri, dijital lojik devreler ve hatta mikrobilgisayar işlemci yongaları
veya mikro denetleyiciler tek bir gövde içerisinde yerleştirilirler. Şekil 3.17’de gösterildiği gibi entegre devreler üretim şekline göre, hibrid ve monolit olarak sınıflandırılırlar.
Şekil 3.17 Farklı tip entegre devreler
76
77
Şekil 3.18 birkaç farklı tür ED gösterilmiştir. Entegre devrelerin bazıları çift sıra bacaktan oluşmaktadır: DIL16 ve DIL8, şekil. 3.18 а) ve şekil 3.18 b) şıkkında gösterilmiştir.
Entegre devre bacakları saat akreplerin ters yönünde olacak şekilde numaralandırılırlar.
Yüksek güçlerde çalışan entegre devreler yüksek ısı üretirler bundan dolayı gövdeleri
altına ısıyı emen metal soğutucu parçalar eklenir. Bu entegre devreler için örnekler şekil
3.18 c), 3.18 d) ve 3.18 e) şıklarında gösterilmiştir.
Şekil 3.18 f ) şıkkındaki sembol yükselteç gibi kullanılır. Şekil 3.18 g) şıkkında verilen
devre işlemsel yükselteç olarak kullanılır. (+) ve (-) işaretleri terslemeyen ve tersleyen
girişleri ifade ederler. Giriş sinyalini yükseltmek için girişlerden birine ve topraklamaya
bağlarız.
a)
b)
c)
ç)
Terslemeyen
Giriş
Çıkış
1 - Giriş
2 - Çıkış
3 - Ayarı
Tersleyen
Giriş
d)
e)
f)
Şekil 3.18 Bazı entegre devre sembolleri
Entegre devreler bir başka kritere göre iki ayrı büyük gruba ayrılabilirler, bunlar:
analog (lineer) ve dijital. Lineer devrelerde çıkış süreklidir ve giriş sinyaline bağlı olarak
değişmektedir. Lineer entegre devreler için tipik örnek olarak ses yükselteçlerini gösterebiliriz. Dijital entegre devrelerde çıkış gerilim sadece iki değere sahip olabilir, bu değerler alçak ve yüksek olarak ifade edilir. Bu değerler çok hızlı şekilde değişmektedirler.
77
78
3.9. ENTEGRE DEVRELERDE İNCE FİLM VE KALIN FİLM TEKNİĞİ
3.9.1 KALIN FİLM TEKNİĞİ
Kalın film tekniğinin kullanıldığı entegre devrelerin kalınlığı ≈10-30μm civarındadır,
içerisinde sadece pasif elemanlar içerirler: iletim hatları ve dirençler, bazen kondansatörler ve çok nadiren bobinler içermektedirler. Bu entegre devreler genelde Al2O3 seramik taban üzerine inşa edilirler, bazen sıcaklık iletkenliği çok yüksek olan BeO seramik
taban kullanılır, fakat maliyeti çok yüksektir.
Kalın film tekniğinin uygulandığı entegre devrelerin malzemeleri pasta şeklinde hazırlanır, bu pastalar toz halinde temel malzemeler içerirler (iletkenler, yalıtkan, dielektrikler ve manyetik malzemeler) ve kalınlığı yaklaşık 1μm dir, ayrıca çok küçük cm parçacıklar ve organik viskoz çözücüler de vardır.
Kalın film tekniğinde temel süreçler sırası ile: baskı, kurutma ve taban pastasının sinterlenmesi. Baskı süreci serigrafi kullanarak uygulanır, kullanılan malzeme naylon veya
çelik malzeme olabilmektedir. Daha sonra kalın film kızıl ötesi ısıtıcılar kullanarak kurutulur, daha sonra organik çözelti kullanarak buharlaştırma işlemi uygulanır. Kurutma
esnasında kalın film tabaka incelir ve yoğunluğu artar. Daha sonra 10 dakika süreyle
850oC altındaki sıcaklıkta sinterleme (ısıl işlem) uygulanmaktadır. Sinterleme aslında en
kötü durumda malzemenin erime sıcaklığı altına ona uygun şekli ve polikristal kütleyi
oluşturma için kullanılan bir süreçtir. Burada toz şeklinde olan küçük parçacıklar şekillenirler (genelge serigrafi yöntemi ile baskı uygulayarak) ve daha sonra. Normal şartlarda
sinterleme süreci üç fazdan oluşur, bu fazlar şekil 3.19’da gösterilmiştir. Başlangıç fazında parçacıklar arası temas sağlanır fakat üzerlerinde bir değişiklik olmaz. Daha sonra
parçacıklar aralarında birleşmeye başlarlar ve aralarında bir tür “boyuncuklar” oluşur. En
sonunda parçacıklar tamamen kör oluyorlar ve bireyselliklerini kaybederler.
а) birinci faz
b) ikinci faz
c) üçüncü faz
Şekil 3.19 Parçacıkların üç fazda sinterlenerek birleştirilmeleri
İletken pastaların oluşturulmaları için iyi iletken veya alamlar kullanılır (Au, Pd-Au, PtAu, Pd-Ag-Pt, Ni, Cu,…), yalıtkan pastaların oluşturulması içim metal oksitler kullanılır
(Bi2Ru2O6, RuO2, Pb2Ru2O6,...).
78
79
Dielektrik pastaların yapımı için kondansatör seramikler olarak adlandırılan malzemeler kullanılır (BaTiO3, BaTiO3-SrTiO3, TiO2-MgO, TiO2-ZnO, TiO2-CaO,….). Bağlantı malzemeleri olarak bor silikat, alüminyum silikat, oksit, karışık oksit camlar, organik malzeme olarak etil selüloz ve terpentin yağı kullanılır. Şekil 3.20’de kalın film tekniğini kullanılarak elde edilen direnç ve kondansatörün dikey kesiti gösterilmiştir.
Yalıtkan Devre
Üst
elektrot
İletken Devre
Dielektrik
a)
Alt elektrot
b)
Şekil 3.20 а) kalın film tekniği direnç b) kondansatör
3.9.2. İNCE FİLM TEKNİĞİ
İnce film tekniğinin kullanıldığı entegre devrelerin kalınlığı yaklaşık olarak 0,005-5
μm dir, pasif ve aktif elemanlı olabilirler (süper iletken, dielektrik ve manyetik). Pasif
devreler iletim hatları, dirençler, kondansatörler ve çok nadiren bobinler içerirler. Taban
olarak genelde seramik kullanılır (AI2O3, nadiren BeO), bazen safir, silisyum ve değişik
cam türleri kullanılabilir.
İnce film tekniğinde kullanılan adınlar olarak, buharlama, püskürtme, tabakaların
elektro-kimyasal yöntemle yer değiştirmesi ki bu tabakalar pürüzsüz ve yağlı olmaları
gerekir bu özellik tabakalar arası malzemeleri sıcaklık katsayılarının yakın olması açısından önemlidir. Bu özellik sayesinde ince polikristal yapıda deformasyon olması önlenmiş olunur. Taban seçimini etkileyen faktörler sırası ile: maliyeti, sıcaklık iletkenliği
(devrenin soğutulması açısından), elektriksel direnci (elektriksel parazitlerin giderilmesi amacı ile). Elde edilen ince film direnç ve kondansatörler (ince film direnç ve kondansatörlerin boyutlarını şekillendirme) lazer kullanılarak kısaltılırlar ta ki istenilen değerler
elde edilinceye kadar.
Belirtmemiz gerekir ki ince film pasif bileşenlerin kararlılığı (frekans ve sıcaklık) yarı
iletken entegre bileşenlere göre daha sonuçlar göstermektedir. Bu yüzden bu pasif elemanlardan yarı iletken aktif yonga-bileşenlerle ve minyatür cihazlarda kullanılan yonga-direnç ve yonga-kondansatör olarak adlandırılan bileşenler üretilmektedir.
Kalın film ve ince film tekniğiyle elde edilen entegre veya ayrık aktif yarı iletken bileşenlerin ve pasif bileşenlerin bir arada kullanıldıklara kombinasyon hibrid entegre
devre olarak adlandırılır. Bu tür devreler az sayıda üretilirler, genelde birkaç bin adet
kadar olmaktadır ve özel amaçlar için kullanılırlar. Uygulama alanlarına göre sıradaki
gibi sınıflandırılırlar:
 analog (yükselteçler, filtreler, doğrultucular vb.),
 dijital (lojik devreler, bellekler),
79
80




analog dijital dönüştürücüler,
endüstriyel (güçlü osilatörler, yükselteçler, regülatörler vb.),
mikrodalga (mikrodalga osilatörler, modülatörler, yükselteçler, sınırlayıcılar, zayıflatıcılar, anahtarlar, faz kaydırıcılar, filtreler, rezonatörler, geciktiriciler vb.), ve
optoelektronik hibrid devreler (optik modülatörler, anahtarlar, yükselteçler, demodülatörler vb.)
Şekil 3.21 Hibrid entegre devre
Yapılarına göre, yarı iletken ve çoklu yongalı hibrid devreler mevcuttur. Şekil 3.21’de
hibrid entegre devre gösterilmiştir.
3.10. YARI İLETKEN ENTEGRE DEVRELERİN GELİŞİM PRESPEKTİFİ
Günümüzde silisyum entegre devrelerin ulaştıkları gelişim seviyesi, hem boyutlarının
küçük olması hem de ulaştıkları çalışma hızları bakımında kendi sınırlarını zorladıklarını
göz önünde bulundurduğumuzda son yıllarda bu sınırların aktif bileşenlerin fonksiyonlarının geliştirilmesi anlamında ve yeni mikroelektronik malzemelerin üretilmesi anlamında çok büyük araştırmalar geliştirme faaliyetlerin yapıldığına tanık olmaktayız.
Çalışma hızı sınırlarını aşma bakımından günümüzde en iyi çözümlerden biri GaAs
yarı iletkenin kullanılmasıdır, yeni daha gelişmiş yapı olarak ise yeni malzemelerin kullanıldığı heterotabakalı (çoklu tabakalı) ve balistik entegre devrelerin üretilmesini gösterebiliriz. Bunun dışında, hem çalışma hızı bakımından hem de bileşenlerin fonksiyonları
bakımından radikal çözümlerden bir tanesi ise, son on yılda moleküler mikro elektronikte yapılan araştırmalar ve elde edilen sonuçları gösterebiliriz. Elde edilen sonuçlar, hem
çalışma hızı açısından hem de boyutlar açısından çok büyük umutlar vaat etmektedir.
Son yıllarda optoelektronik entegre devrelerin geliştirilmesi için çok yoğun çaba sarf
edilmektedir. Günümüzde bu gibi entegre devrelerin yapımında en ileri aşama GaAs’nın
kullanılması ile elde edilmiştir. Bu ilerleme doğrudan enerji boşluğu sayesinde lazer kaynakların yapılmasının sonucunu doğurmuştur.
80
81
Optik iletim hatların monolit entegre devrelere göre potansiyel avantajları sırası ile:
düşük maliyet, yüksek verimlilik, sağlamlık ve kompakt olmaları, veri akışı hızının artması ve son olarak optik cihazlarda yapılan ayarlamalar ile görülünün azalmasına yol
açmak.
Şimdiye kadar incelenen tüm yarı iletken devrelerde elektriksel yük taşıyıcıların hareketi transistörün aktif bölgesinde olmaktaydı ve hızları doyumdaki hızların ortalamasıydı. Fakat, maksimum hız normal hızdan en az birkaç kadar daha fazla olabilmektedir.
Bu argüman balistik transistör olarak adlandırılan yeni elemanların üretilmesine
neden olmuştur. Bu tür devrelerde elektronlar kristal kafes içerisindeki iyonize olmuş
katkı atomlara ve fononlara çarpmadan maksimum hızlara ulaşmaktadır!
Son yıllarda yarı iletken elemanların yapımında daha çok indiyum kullanılmaktadır,
örnek olarak temel çift kutuplu transistörün yapımında çok tabakalı InAlAs/InGaAs alaşımı kullanılmaktadır.
Elmas (C) kullanımı yarı iletken bileşen teknolojisinde gün geçtikçe kullanımı yaygınlaşan bir madde olarak karşımıza çıkmaktadır. Elmas dielektrik maddedir, fakat öyle
bir yapıya (atomların dağılımı nerde ise mükemmeldir) sahiptir ki öz ısıl iletkenliği çok
büyük olmaktadır, bakır ve gümüşünkinden çok daha büyük.
Entegre devrelerin boyutları problemi açısında en radikal çözümler moleküler mikroelektronik göstermektedir, burada moleküllerin boyutları ve doğası kullanılarak çözümler aranmaktadır. Bu teknoloji henüz gelişme aşamasındadır.
Moleküler mikroelektroniği gelişmesinin sebeplerinden bir tanesi de soliton olarak
adlandırılan elektriksel yük taşıyıcıların disipasyonsuz (sıcaklık kaybı) hareketinin oluşmasından dolayıdır. Burada soğutma problemini ihmal eder duruma geliriz.
Menşeine göre moleküler anahtarlar biyolojik veya sentetik olabilmektedirler, icra
ettikleri fonksiyona göre ise elektrik, optik veya elektrooptik olabilmektedirler. Şimdiye
kadar yapılan laboratuar çalışmalarında önerilen moleküler anahtarların hala hiçbirinin
uygun moleküler yonganın yapımı için istenilen sonuçları vermediği belirtilmektedir.
Belirtmemizde fayda var ABD ve Japonya moleküler mikroelektroniğin geliştirilmesinde stratejik işbirliğine gitmiştirler. Fakat, pratik uygulamalarda bir çok problemin henüz çözüme kavuşmadığını belirtmeliyiz, bu problemlerden bazıları, makro moleküllerin kimyasal kararlılığı, makro moleküllerin aralarındaki bağ “teller” vb.
81
82
3.11. NANOTEKNOLOJİLER
Nanoteknoloji malzemelerin milyarda biri olan boyutlarda malzeme ve süreçler ile
ilgilenmektedir. Bu boyutlarda bilinen malzemeler bile makro boyutlara göre çok farklı
davranışlar göstermektedirler. Malzemelerin büyük dayanırlık, katalizatör karakteristikleri, ışığa gösterdikleri tepki, elektriksel vb. karakteristikler onların tıptan askeri amaçlar
için geniş bir yelpazede kullanılmalarına neden olur. Piyasada günümüzde nanoteknolojik bileşenler kullanılarak üretilen bazı malzemeler halihazırda kullanılmaktadır.
General Motors otomobillerde çok kullanılan ve satılan nanomalzemeler üretmektedir.
Nanoteknolojinin insan hayatında nerde ise tüm alanlarda kullanımı mümkündür fakat
asıl kullanım 2010 yılından sonra hızlanması beklenmektedir.
Umut ederiz ki bu kitabın gelecekteki baskılarında bu alanda dair yeni buluş ve teknolojilerle karşınıza çıkarız.
3.12. BASKILI DEVRELERİN YAPILMASI
Sırada baskı devrelerin amatör şartlarda temel yapım teknikleri ve adımları gösterilecektir.
Baskı devre (BD) (ing. Printed Circuit Board - PCB) el yardım ve makine yardımı ile
yapılabilir. Ek A’da baskılı devre plakaların amatör şartlar altında el yardımı ile nasıl yapıldığı anlatılmıştır. Burada her şeyden önce sadece gerekli olan uygun malzemenin
seçiminin nasıl yapıldığı anlatılacak ki yapım aşamasına geçmek için sıradaki adımları
uygulayalım:
 Çalışma malzemesinin seçimi;
 Plakanın kesilmesi;
 Bakır yüzeyin temizlenmesi;
 İletim hatlarını oluşturan bakır yüzeyin kaplanması;
 Gereksiz olan bakırın temizlenmesi;
 Temizleme ve koruma;
 Elemanların takılacağı yerlerin delinmesi ve onların eklenmesi;
 Final işlemleri ve hazır devrenin korunması.
82
83
TEKRARLAMA SORULARI
3.1. Yarı iletkenlerde enerji bölgelerini incele.
3.2. ρ’nun sıcaklığa olan bağımlılığını incele.
3.3. Yarı iletkenlerin temel uygulamalarını say.
3.4. Saf yarı iletkenlerde temel elektriksel yük taşıyıcıların oluşma mekanizmasını
açıklayınız.
3.5. Yarı iletkenlerde elektrik akımının iletilme prensiplerini açıklayınız.
3.6. Yarı iletkenlerde n(t), μ(t) ve σ(t) parametrelerin birbiriyle olan ilişkisini incele
ve karşılaştırma yap.
3.7. Si, Ge, GaAs önemli özelliklerinin karşılaştırmasını yap.
3.8. Ge nerede kullanılır?
3.9. Elmasın önemli özelliklerini açıkla.
3.10. En önemli yarı iletken alaşımlar hangileridirler?
3.11. Monokristal elde etme yöntemlerini say.
3.12. Czhochralski yöntemini açıkla.
3.13. Düzlem yöntemi teknolojisi ne demektir?
3.14. Entegre devre elde etme adımlarını say.
3.15. Bildiğin diyot türlerini say ve ne için kullanılırlar?
3.16. Diyotların nasıl işaretlendiğini açıkla.
3.17. En çok hangi transistörler kullanılırlar?
3.18. Transistörlerin nasıl işaretlendiğini açıkla.
3.19. МОSFET transistörlerin nerde kullanıldıklarını açıkla?
3.20. Tristörler nerede uygulanırlar?
3.21. Tristörler çalışmasını açıklayınız.
3.22. Entegre devre yapısını açıklayınız?
3.23. Entegre devrelerin nerede kullanıldığını açıklayınız?
3.24. İnce film ve kalın film teknolojisi uygulanarak entegre devrelerin nasıl elde
edildiğini açıklayınız.
3.25. Yarı iletken entegre devrelerin gelişiminin yönlerini kısaca açıklayınız.
3.26. Nanoteknoloji hakkında bilgin var mı?
3.27. PCB baskı devre plakaları yapım sürecini açıklayınız.
83
4.
Dielektrik
malzemeler
  Dielektrik malzemelerin sınıflandırılması
  Dielektrik malzemelerde dielektrik kayıplar
 
Dielektrik malzemelerde Dielektrik sertliği
  Dielektriklerin elektrik polarizasyonu
  Yalıtım malzemeleri
  İzolasyonlu kablolar
  Optik kablolar
  Kondansatör malzemeleri
  Kondansatörler
  Özel Dielektrik malzemeleri
DİELEKTRİK MALZEMELER
87
4.1. DİELEKTRİK MALZEMELERİNE GİRİŞ
Önceki konularda dielektriğin yüksek enerji seviyesi (Eg>3,5eV) ve öz elektrik direnci
р~106÷1018 Ωm özellikleri olduğu vurgulandı. Bu da oda sıcaklığında bu malzemelerin
aslında iletken olmadığını göstermektedir. Dielektrik, bir güç kaynağına bağlı, iki metal elektrot arasında yerleştirildiği zaman meydana gelen zayıf elektrik akımı genellikle
iyonların hareketinden, nadiren oda sıcaklığında neredeyse yok denilecek kadar az serbest elektronlardan kaynaklanır.
Dielektriklerde küçük iletkenliğin varlığı, elektrik devrelerinde dielektrik kayıpları
açısının (tgo) tanjantı (etkeni) ile karakterize edilen kondansatörlerin özelliklerini bozmaktadır.
Sıcaklığın artmasıyla hızlı bir şekilde elektronların üst valans bölgesinden alt iletkenlik bölgesine geçmesini sağlayan elektron – boşluk çiftleri oluşmaya başlar ve dielektriğin öz direnci azalır. İletken taşıyıcılarının aşırı artması dış elektrik alanının etkisiyle (gerilimle) de meydana gelebilir ve bu durumda dielektrik dayanımına bağlı yani
elektrik alanının dielektriği etkileme gücüne (Ekr) göre dielektriğin delinmesi meydana
gelebilir.
Dielektrik yapısının resmine bakarak, büyük enerji boşluğu ve oda sıcaklığında neredeyse boş iletken bölgesiyle, dielektrikte meydana gelen karmaşık süreçleri açıklamak
için yeterli olmadığını vurgulamak gerekir. Dielektrik malzemelerin, büyük ölçüde doğru ve alternatif elektrik alanına, onların optik özelliklerine ve atomların, iyonların veya
moleküllerin yapısı ve davranışlarına göre, dielektriklerin kutuplaşması bağlı olduğu
göz önünde bulundurmak gerekir. Dielektriklerin kutupsal özellikleri bağıl dielektrik
geçirgenlik, daha doğrusu geçirgenlik (εr) ile karakterize edilir.
4.2. DİELEKTRİKLERİN AYRILMASI
Dielektrikleri farklı şekillerde sınıflandırabiliriz: kullanılışlarına göre, kökenlerine
göre, hallerine göre, dielektrik (yalıtım) özellikleri ve kutuplaşmalarına göre.
Kullanılışlarına göre dielektrikler pasif ve aktif olarak ayrılabilirler. Pasif dielektrikler genel olarak sadece yalıtım malzemeleri olarak, aktifler ise elektronik bileşenlerinde
(kondansatör, piezodönüştürücüler, ekranlar v.b.).
87
88
Kökenlerine göre dielektrikler doğal ve suni olmak üzere organik ve inorganik olarak
ayrılırlar.
Hallerine göre dielektrikler: katılar amorf, polikristal, monokristal, polimer, ve sıvı
kristal yapıya sahip olmak üzere sıvı, gaz ve katı olarak ayrılırlar.
Yalıtım özelliklerine göre dielektrikler zayıf, iyi ve mükemmel (tab.4.1) olarak ayrılabilirler. Mükemmel yalıtkanlar genellikle kaliteli kimyasal bağları ve elektronik kutuplaşma, iyiler iyonik kimyasal bağ ve iyonik kutuplaşma, zayıflar ise genel olarak
yönlü kutuplaşma olan kalıcı elektrik dipolleri içeren yapıya sahiptirler.
Таb. 4.1 Değişik yalıtkanların dielektrik parametrelerinin büyüklükler sırası
Zayıf
yalıtkanlar
İyi
yalıtkanlar
Mükemmel
Yalıtkanlar
106÷1010
1010÷1014
>1014
1018 (teflon)
tgG [·10-4]
>100
<100
<10
<10-4 (gazlar)
Hr
>10
<10
<3
15000 (BaTiO3)
Ekr [kV/mm]
<25
25÷50
50
160 (polietilen, asetatı)
800 (Al2O3 filmi)
U [
Limit değerleri
≤1(polietilen, yağlar)
Dielektrik Malzemelerinde elektrik akımını yaratanlar: serbest elektronlar ve boşluklar, serbest iyonlar ve serbest elektrik yüklü moleküller. Elektrik iletkenliği olan dielektrik malzemeler az sayıdadır. Örnek olarak rutil (titan dioksit TiO2) 500ОC sıcaklıkta
serbest elektronları olan ve baryum, kalsiyum, stronsiyum titanda serbest elektronlar
elektrik miktarı taşıyıcılarıdır. Şiddetli elektrik alanı etkisinde, elektrik delinmesi sınırında çok sayıda dielektriklerde elektronlar başlıca elektrikleşmenin taşıyıcılarıdır ve
elektrik akımın elektrik alanının etkisinden iyonların yönlü hareket neticesinde oluşmaktadır.
Gaz halinde olan dielektrik malzemelerinde iyonlar iyonizasyon nedeniyle oluşur
(elektronların serbest kalması ve onların nötr atomlarla bağlanması), atomların kozmik
veya radyoaktif ışınlanma yardımıyla, ısıtmayla v.b. Normal koşullar altında gaz halindeki dielektriklerde iyonların konsantrasyonu oldukça düşüktür (örneğin, hava, yaklaşık
1013 iyon/m3 içerir). Sıvı ve katı dielektrik malzemelerde iyonlar, katkı maddelerin moleküller ya da atomlarından, nem, yabancı maddeler veya çekirdek malzemenin molekül
veya atomlarından oluşabilirler.
Bazı cila ve yağlar gibi dielektrik malzemelerinde, elektrik miktarının hareketli taşıyıcıları elektrik yüklü molekül gruplarıdır. Onlar çoğu zaman iki malzemenin karışımı
(ikincil aşama) temsil eder. Birincil aşama küçücük parçalar (damla, tanecik, toz) biçimindedir ve eşit ölçüde ikincil aşamaya (sıvıya) dağıtılmıştır. Bu tip en önemli (koloid)
dielektrik malzemeleri emülsiyonlar (ikincil aşama sıvıdır) ve süspansiyonlardır (birincil
aşama katı, ikincil aşama ise sıvıdır).
88
89
Еmülsiyonlar ve süspansiyonlar sürekli stabil, birinci aşamada elektrikleşmiş parçacıklar başlıca elektrik miktarı taşıyıcılarıdır. Elektrik alanında elektrik yüklü parcacıkların
yönlü hareketi meydana gelir ve bu olaya elektroforez (yun. / lat. electro + foreus – taşıyıcı, elektrik akımın etkisiyle koloidal parçacıkların çözelti içinde yolculuğu) adı verilir.
Еlektroforez metal yüzeyleri üzerine kauçuk veya reçine süspansiyonları ile kaplamak
için kullanılır.
Dielektrik malzemesi sürekli dış elektrik alanı etkisinde, mesela doğru akıma bağlı elektrotlar arasında bırakılmış olsun. Dielektriğin bir şekilde dışsal elektrik alanına
tepki göstermesi beklentisi doğaldır, çünkü içinde yönü ters olan kuvvetin etki ettiği
pozitif ve negatif yüklü parçalar bulunmaktadır.
“Bağlı” yük parçalarının hareketliliği, dielektrik malzemesinin kutuplaşması tamamlanıncaya kadar devam eder. Sürekli elektrik alanı etkisi altına bırakılan dielektrik malzemesi, 10-12 süren kutuplaşma süreci bitiminde sadece iletim akımı kalır.
Katı ve sıvı dielektriklerde iletim akımı yüzeysel Ics ve hacimsel Icv bileşenlerinden
oluşmuş ve buna bağlı yüzeysel ve hacimsel elektrik direncini tanımlamak mümkündür. Katı dielektriklerde hacimsel elektrik direnci рv , sıcaklığa, malzemenin kimyasal
yapısına ve onun katkı maddelerine, elektrik alanının şiddetine v.b. bağlıdır. Yüzeysel
elektrik direncine etki eden faktörler: nem oranı, yüzeyin temiz ve parlaklığı, gözenekliliği, kutuplaşması v.b. Sıvı dielektrik malzemelerinde elektrik direncini etki eden nedenler: yabancı maddelerin varlığı, (su, başka sıvılar, tozlar ve benzer), sıcaklık, elektrik
alan şiddeti v.b.
Gaz halinde olan dielektriklerde gerilimin iletim akıma bağlılığı aşağıdaki resimde
gösterilmiştir. Resim. 4.1 üç alan belirtilmiştir, onu da О dan А’ ya ki burada lineer bağımlılık vardır (Ohm kanunu), ondan sonar A dan B’ ye ki burada doygunluk alanı bulunur ve B noktasının üstündeki alan ki burada etkili iyonizasyon olan bölgeyi gösterir.
Resim. 4.1 Gaz halinde olan dielektriklerde gerilimin iletim akıma bağlılığı
89
90
4.3. DİELEKTRİK MALZEMELERİNDE DİELEKTRİKSEL KAYIPLAR
Dielektriksel kayıplar elektrik enerjisinin zaman birimi içerisinde geri dönüşümü olmayacak şekilde diğer bir enerji şekline (genellikle ısı) dönüşen dielektrik malzemenin
içindeki elektrik enerjisinin bir kısmıdır.
Dielektriksel kayıplar şunlardır:
 Joule (termogen) kayıpları
 Kutuplaşma (polarizasyon) kayıpları
 İyonlaşma kayıpları ve
 Malzemenin homojen olmamasından dolayı kayıplar.
Joule kayıpları elektrik iletkenliği sıfırdan büyük olan her dielektrik malzemesinde
meydana geliyor. Genellikle katı ve sıvı dielektriklerde ve nadiren gazlarda meydana
gelir. Bu kayıplar hem sürekli hem de değişken elektrik alanlarında vardır ve elektrik
alanının frekansına bağlı değildir. Kayıplar sıcaklığın yükselmesiyle artar, çünkü bu durumda dielektrik malzemesinin elektrik iletkenliği artmaktadır.
Polarizasyon kayıpları sürekli elektrik dipollü dielektrik malzemelerinde ve iyonik polarizasyonu olan bazı malzemelerde meydana gelir. Dışsal elektrik alanı atomların veya
moleküllerin termik hareketliliğini bozar ve bu durum malzemeyi ayrıca ısıtmaktadır.
Bu kayıplar her dielektrik için özel olan kritik sıcaklıkta maksimuma ulaşır. Polarizasyon dielektrik kayıplarına, dışsal elektrik alan etkisinin belirli frekanslarından meydana
gelen rezonans kayıpları da düşmektedir.
İyonizasyon yüzünden meydana gelen dielektrik kayıpları genellikle gaz halinde
olan dielektrik malzemelerinde meydana gelir. Şiddetli elektrik alanlarında dielektriğin atom veya moleküllerin iyonizasyonu nedeniyle enerji kaybı oluşur. Malzemenin
homogen olmayışından dolayı kayıplar katmanlı dielektrik malzemelerinde meydana
gelir ve malzenmenin yapısına ve katkı maddelerine (yabancı maddelere) bağlıdır.
Dielektrik kaybın ölçüsü olan makroskopik büyüklük dielektrik kayıp açısının tanjantıdır - tg8, ki buna dielektriksel kayıp faktörü de denir. Dielektrikten geçen toplam
akım ve onun reaktif (kapasitif ) bileşeni arasındaki 8 açısı ne kadar küçük ise, dielektrik
kayıpları o kadar az olur.
4.4. DİELEKTRİK MALZEMELERİN DİELEKTRİK SERTLİĞİĞİ
Genellikle, dielektriklerde durumları açıklarken zayıf elektrik alanının etkisi göz
önünde bulundurulur. Alanın şiddeti belli bir değere kadar yükselirse, dielektrik malzemesinin dayanıklığı aşırı bir şekilde azalmaktadır, yani öyle denilen dielektriğin elektrik
denilmesi meydana gelir.
90
91
Dielektriğin durum haline göre elektrik delinmenin sebepleri ve sonuçları ayrıdır.
Dielektrik malzemesinin elektrik delinmeye karşı özelliğini gösteren büyüklük dielektriğin delinme gerilimi Upr dir. Bu gerilim her dielektrik için ayrıdır ve malzemenin
özelliklerine ve dış etkenlere göre değişir. Bu nedenden dolayı delinme gerilimini değeri yanında bu değerin hangi şartlar altında belirtildiği bilinmesi gerekir.
Dielektrik malzemesi homojen elektrik alanı etkisinde maruz kalırsa, dielektrik sertliği aşağıdaki ifade ile belirtilir:
E pr
U pr ª kV
MV º
«
d ¬ mm
m »¼
(4-1)
Gaz halinde olan dielektriklerde güçlü elektrik alanında elektrik yüklü parçacıklar (elektronlar ve iyonlar) iki çarpışma arasında kinetik enerjisi o kadar büyük
olabiliyor ki nötr molekül ile çarpışmasında onu iyonize edebiliyor. Çarpan elektronun enerjisi nötr molekülü iyonize etmek için yeterli olmadığı zaman uyarılmış duruma geçer. Molekülün esas duruma dönmesi için foton emisyonu izler ve başka
molekülün iyonize olmasına neden olabilir.
Delinme sırasında elektrotlar arası iyonize gaz kanalı oluşur, ilk önce kıvılcım meydana gelir, öyle ki yeterince büyük voltajda elektrik yayına dönüşür. Gaz halindeki dielektrik malzemelerinde dielektrik sertliği büyük ölçüde sıcaklığa ve basınca bağlıdır.
Basıncın artmasıyla elektronların ortalama serbest yol uzunluklarında azalma meydana geliyor, onunla beraber dielektrik sertliği artmaktadır. Basıncın azalmasıyla karşılıklı
dielektrik sertliğin azalması yol açar. Çok düşük basınçta, gazlar çok seyreltilmiş durumdadır, bundan dolayı moleküllerin iyonizasyon olasılığının azalması söz konusu
oluğu için dielektrik sertliği yeniden artmaktadır.
Sıcaklığın artmasıyla gazların yoğunluğu azalmaktadır, yani elektronların ortalama
serbest yol uzunlukları artar ve gaz halinde dielektrik malzemenin dielektrik sertliği
azalır. Gaz halindeki dielektrik malzemelerin dielektrik sertliğine büyük ölçüde katkı
maddeleri ve nem oranı etki eder, frekansın etkisi ise zayıftır. Gaz halindeki dielektrikler
elektrik delinmesinden sonar kendisini yeniliyor.
Saf sıvı dielektrik malzemelerinde elektrik delinmesi, gazlarda olduğu gibi etkili iyonizasyon ile meydana geliyor. Sıvı dielektriklerin gazlara kıyasen daha büyük dielektrik
sertliği vardır, çünkü onlarda iyonizasyonu gerçekleştiren elektronların ortalama serbest yol uzunlukları daha küçüktür.
Gerçek sıvı dielektrikler katkı maddeler içermektedirler (su, gazlar, katı parçacıklar),
bu yüzden dielektrik sertliği onların dielektrikteki yoğunluğuna bağlıdır. Sıvı dielektrik
malzemelerinde sıcaklığın ve basıncın etkisi pratik olarak bir anlamı yoktur ve onlar
elektrik delinmesinden sonar kendilerini yenilerler.
91
92
Katı dielektrik malzemelerinde delinme, elektrik, elektrotermik veya elektrokimyasal
delinme neticesinde meydana gelir.
Katı dielektriklerde elektrik delinmesi sıvı ve gazlarda olduğu gibi elektronlar ve boşlukların katılımıyla gerçekleşen etkin iyonizasyonuna benzer.
Еlektrotermik delinme, dielektrik kayıpları nedeniyle dielektriğin ısınmasından meydana geliyor. Bu da birikilen bir süreçtir çünkü ısıyla, dielektrik kayıpları artmaktadır.
Elektrokimyasal delinme dielektrik malzemesinde, dielektrik direncinin azalmasıyla
elektrik alanın etkisinden meydana gelen kimyasal değişimler sonucunda oluşur. Nadir
durumlarda elektrik alanları malzemenin elektrolizine (ayrışmasına), malzemenin yüzeyinde ozon oluşmasına v.b. neden olabilir.
Uzun süre güçlü elektrik alanın etkisinde kalan dielektrik malzemesinin dielektrik
sertliği azalarak kimyasal değişmelere neden olur ve bu olaya dielektrik malzemesinin yaşlanması denir
4.5. DİELEKTRİKLERİN ELEKTRİK POLARİZASYONU
Malzemelerin dielektriklerin özellikleri büyük ölçüde onların moleküllerinin yapısına
bağlı olup polar ve polar olmayanlar olarak ayrılırlar.
Gözetlenen dielektrik malzemesi dış elektrik alanında bulunmasa bile, polar dielektriklerde moleküller aynı zamanda dipollerdir, çünkü atomların moleküllere bağlanmasında pozitif ve negatif yüklerin dağılımı, moleküllerin elektrik dipollerinin sürekli varlığını göstermektedir. Örnek olarak suyun molekülleri ısı enerjisinin etkisi altında her
yöne kaotik (düzensiz) hareket eden elektrik dipoller sürekli mevcuttur - resim (4.2 a).
Polar dielektrik dışsal elektrik alanı E etkisi altına bırakılırsa, dipollerin kutuplaşması kısmi yönlenecektir (τ~10-9s zaman içerisinde), çünkü kesintisiz ısı deviniminden dolayı dipoller tam olarak elektrik alanı yönünde hareket edemezler (resim 4.2 b). Elektrik alanı
doğrultusunda yönlenmiş dipol sayısı, elektrik alanı şiddetini Е artmasıyla ve sıcaklığın
azalmasıyla artmaktadır.
Harici bir elektrik alanının olmaması durumunda (Е=0), dielektriğin dipolleri yoktur,
ona da nötr olduğu denir.
a)
b)
Resim. 4.2 Polar dielektriklerde dipollerin hareket görünümü
а) harici elektrik alanın yokluğun b) harici elektrik alanın E varlığında.
92
93
Örnek olarak çekirdeği +q = Z·e elektrik yüklü ve elektron sargısının toplam elektrik
miktarı –q = –Z·e, Z atom sargısındaki elektron sayısı olmak üzere bir atomu inceleyeceğiz. Bu durumda (Е=0) pozitif ve negatif elektriklerin merkezleri örtüşüyor ve söylendiği gibi elektrik dipolleri yoktur. Gözetlenen atoma dışsal elektrik alanı verilirse
(Е>0), pozitif ve negatif elektriklerin merkezlerinin τe˜10-15s zaman diliminde ayrılması
gerçekleşiyor.
Demek oluyor ki harici elektrik alanı etkisinde d pozitif ve negative yüklerin merkezleri arası uzaklık olmak üzere dipole moment p =q · d meydana gelir. Açıklanan
olgunun esnek özelliği vardır ve buna elektronik polarizasyon denir. Atomların bu
deforme polarizasyonu dış elektrik alanı olduğu sürece devam eder. Dış elektrik alanın
kesilmesiyle her şey başlangıç duruma döner

Elektronik polarizasyonunda
p ve gözetlenen atoma doğrudan etki
 dipol momenti
si olan yerel elektrik alanı ( E lok ) arasında p  ae  E lok , ae öyle denilen elektronik kutuplanabilirlik olmak üzere bir bağ vardır.
Resim. 4.3 Nötr dielektrikte atomun elektronik polarizasyon görünümü
а) Harici elektrik alanı yokluğunda b) Harici elektrik alanı E varlığında
Elektronik polarizasyonun yanında iyonik polarizasyonu denilen bir elastik polarizasyon daha vardır.
Resim. 4.4 а) dış elektrik alanı yokluğunda (Е=0) dielektriğin iyonik polarizasyonun ızgarası gösterilmiştir. İyonların dengeli durumda aralarında eşit uzaklıkta
olduğu görülür. Harici elektrik alanı etkisiyle iyonik ızgara resim 4.4 b) görüldüğü gibi
deforme olur ve pozitif ve negatif iyonların pozisyon değiştirmeleri neticesinde dipoller oluşur. Bu polarizasyon ~10-13s zaman diliminde gerçekleşir.


İyonik polarizasyon için de kutuplanabilirlik (aj) p = aj . Elok p  a j  E lok tanımlanabilir
93
94
Resim. 4.4 İyon kristalinde iyonik polarizasyon gösterimi а) yokluğunda

b) harici elektrik alanı E varlığında
Gözetlenen dielektrikte az da olsa serbest yüklerin varlığında, malzemenin kristal
yapısındaki hatalarda oluşan resim 4.5 a) olduğu gibi alansal elektriklenmeyle meydana gelen daha bir çeşit polarizasyon vardır. Dış elektrik alanının etkisiyle bu yüklerin
alansal dizilişi oluşur – resim 4.5 b) ve bu olaya tabakalar arası polarizasyon denir.
Alansal yüklerin yeniden bu dizilişi  pr ~10-2s. zaman içerisinde gerçekleşir.


Bunun için de kutuplanabilirlik ( a pr ) : p  a pr  E lok tanımlanabilir.
Resim 4.5 Kristal yapı hatalarında biriken yüklerin tabakalar arası polarizasyonu


а) harici elektrik alanı E yokluğu b) harici elektrik alanı E varlığı
Yönlü kutuplanabilirlik ( aor )’un tanımlanmasıyla genel olara her dört polarizasyonu ihtiva eden kutupsal dielektriklerin kutuplanabilirliği aşağıdaki denklemle
gösterilebilir.
а = ае + ај + аpr + аor
(4-2)
Tüm dielektriklerin, her zaman elektronik polarizasyonu daha doğrusu ae vardır. Bunun yanında başka bir polarizasyon da olabilir. En iyi yalıtkanların, örnek olarak yapay
polimer – polietilen, teflon ve polistirenin sadece elektronik polarizasyonu vardır.
94
95
Dielektriklerde atomların, iyonların veya moleküllerin bağlanma biçimi sonucunda
kutuplanabilirlik bir mikroskobik özelliktir. Pratikte, frekansa  r  f  bağlı olmasına rağmen, dielektrik geçirgenliği  r veya dielektrik sabiti de denilen makroskopik özellikler önem taşımaktadır. Bu da kutuplanabilirliğin frekansa bağlılığı a  f  ve dielektriğin
makroskopik (  r ) ve mikroskopik  a  özelliklerin birbirine göre var olan ilişkisinden
kaynaklanır.


 
D





E



Elektrik yerdeğiştirme vektörü
ifadesinden
hareket
ederek,
0
r
0 EP,


 0 vakum dielektrik
 sabiti
 ve P  N  p N dipol momenti yoğunluğu durumunda polarizasyon vektörü p  a  E lok olmak üzere göz önünde alınırsa



 0   r  E   0  E  N  a  E lok
(4-3)
denklemi elde edilir. Demekki,  r  a  bağıntılarını bulmak için bir atom, iyon veya molekülün yerel elektrik alanı ( Elok ) ve gözetlenen dielektriğin ve kondansatörün elektrotları arası makroskopik alanı ( E ) arasındaki ilişki bulunması gerekir. Genel olarak bu çözülmesi zor olan bir problemdir ve sadece
 basit
 fiziksel durumlarda çözülür. Мoleküller
arası etkileşimler zayıf olan durumlarda E  E lok , (4-3) ifadesinden şu ifade elde edilir:
r  1
N a
0
(4-4)
Basit analizlerde, elde edilen bu yaklaşık doğruluk bağıntısı katı dielektriklerde de
kullanılır. Resim 4.6 bağıl dielektrik geçirgenlik (  r ) ve tüm dört polarizasyonu var olan
dielektriğin frekansına bağlı olan dielektrik kayıpları açısının tanjantı tg değişimleri
nicelik biçiminde verilmiştir.
Resim 4.6 а) mevcut, elektronik polarizasyonu   re  , iyon polarizasyonu   rj  ,
yönlü polarizasyon   ror  ve tabakalar arası polarizasyon   rpr  sonucunda dielektrik
geçirgenliğin ( ) artan değerleri işaretlenmiştir. Özelliğine göre (  r )’in sıçramalı değişimleri farkedilmektedir. f pr ~ 1/  pr ~ 102 Hz , f or ~ 1/  or ~ 109 Hz , ve f e ~ 1/  e ~ 1016 Hz
frekansları üzerinde karşılıklı polarizasyonun yavaş değişiklikleri, f frekanslı alternatif
elektrik alanı değişikliklerini takip edemiyor ve ard arda yavaş polarizasyon türleri düşmektedir
Resim 4.6 b) bazı karakteristik frekanslarda dış elektrik alanının artmış enerji emilimi
dielektrik kayıpların maksimumları var olduğu görülmektedir. Emilen elektrik enerjisi
ve dielektriğin polarizasyonu için harcanan elektrik enerjinin kalan bölümü arasındaki
oran, dielektrik kayıpları açısının tanjantını oluşturur ve sık olarak, bağlı olan gerilim
ve akımın faz kayması 90º sapma gösterdiği açının tanjantı olarak tanımlanır.
95
96
a)
b)
Resim 4.6 (а) Bağıl dielektrik geçirgenlik (  r ) ve (b) dielektrik kayıpların tanjantı tg , her dört
çeşit polarizasyonlu dielektriğin frekansı ile bağımlılığı
Bu bölümün sonunda, dielektrik kayıpları açısının tanjantı tg ve hacimsel elektrik özdirenci  yanısıra, dielektrik kusurlarını dielektriğin yüzeyindeki kusurlu yalıtkan
özellikleri ve verilen alternatif elektrik alanı etkisinde dielektrik geçirgenliğinin birden
artmamasını (delinmemesini) gösteren dielektrik sertliği Ekr de ayırt ettiğini söylemek
gerekir.
4.6. YALITKAN MALZEMELER
Dielektrik malzemelerinin elektroteknikte kullanımlarına göre, yalıtkan malzemeleri
en önemli yeri almaktadırlar. Onlar yalıtımlı iletkenler ve kabloların, enerjetik tesisleri ve
mikroelektronik devrelerin yapımında kullanılırlar. Polietilenin en iyi yalıtım özellikleri
vardır ve iki biçimde olabilir: termoplastik ve lifli. Polietilen polimerler arasında sayılır (çünkü etilenin polimerizasyonuyla elde edilir) ve termoplastların (105 ºC sıcaklıkta
ısıtılarak yumuşar, soğutmakla yeniden sertleşir), istisnai yalıtım özellikleri olduğu için
genellikle süper dielektrik adı verilir (polistiren ve teflon ile beraber). Polimerizasyon
dış enerji (ışık, ısı v.b) etkisiyle küçük moleküllerin, birleşerek genellikle büyük molekül
ağırlıkta bir bileşik oluşturması işlemidir. Örnek olarak, n küçük molekül büyük molekülde birleşirse, orijinal molekülle (etilen) kıyasen özellikleri önemli ölçüde değişmiş,
polimer elde edilir (ör. polietilen).
96
97
Termoplastik polietilenin 70 ºC çalışma sıcaklığı ( tr ), kimyasal stabil, kısa devre akıma dayanıklı (200 ºC sıcaklığa kadar dayanıklı) olduğundan dolayı 15kV kadar enerji
kabloların izolasyonu ve haberleşme kablolarında kullanılır. Yanma derecesi (350 ºC),
çalışma sıcaklığı <70 ºC ve 105 ºC den daha yüksek sıcaklıkta aşırı yumuşaması eksik
olan taraflarıdır.
Lifli polietilen termoplastik polietilenin ana zincirinin enine polimerizasyonuyla
elde edilir. Polietilenin enine polimerizasyonu, uzatılmış zincirinin yan kimyasal bağlarıyla birleştirerek lif yapısını oluşturur. Lifli polietilenin daha yüksek çalışma sıcaklığı
(90 ºC kadar), kısa devreye dayanıklığı (250 ºC sıcaklığa 30s dayanır), yanıcı olmadığından dolayı ve sıcaklığın artmasıyla sınırlı bir yumuşama gösterdiği için yüksek gerilimli
kabloların (50-400kV) izolasyonunda kullanılır. Bunun yanı sıra neme karşı mükemmel
dayanıklı olmasından (%0,01’den az emici), kanallara ve doğrudan toprağa döşemek
için kullanılan kabloları izole etmek ve paslanmaz yapmak için diğer malzemelere göre
lifli polietilen çok daha ekonomiktir.
Polivinilklorür (PVC) polar karaktere sahiptir ve bu nedenle polietilenden anlamlı
ölçüde daha kötü yalıtım özellikleri vardır, ancak ucuz olduğu için iletkenlerin (çalışma gerilimi <1kV) ve orta gerilimli güç kabloların (30kV kadar) izolasyonunda kullanılır.
Yüksek gerilimlerde dielektrik kayıpları tg büyük olduğu için kullanılmıyor. Çalışma
sıcaklığı 65 ºC, yani bu derecede yumuşamaya başlar. Yanıcı değildir, ancak kısa devre
akımına daha az dayanıklıdır (105 ºC sıcaklığa 30s. dayanır). İyi termal ve mekanik özellikleri vardır ve kimyasal olarak asitlere, bazlara, trafo yağına ve ozona dayanıklıdır.
Silikonlu Lastik, organik malzeme gibi iyi plastik özelliği ve SiO2 gibi sıcaklık kararlılığı vardır. Silikon reçinesinin vulkanizasyonu ile elde edilir. Mükemmel mekanik ve yalıtım özellikleri ve kimyasal çözücülere, su, ozon, ışık ve oksidasyona karşı dayanaklıdır.
Uçak endüstrisinde iletken ve kabloların izolasyonu yanısıra, yüksek gerilim tekniğinde
benzin ve yağda çözünmediği (erimediği) için ve yüksek çalışma sıcaklığı (260 ºC kadar)
olduğu için kullanılır.
Poliüretan yukarıda zikredilen polimerlerden farklı, polimerizasyonla (aynı türden
moleküllerin birleşmesi) değil, poliadenilasyonla (farklı türden moleküllerin birleşmesi)
elde edilir. Dielektrik kayıpları büyük olmasına rağmen, mükemmel mekanik özelliklere
(dayanıklık ve sertlik, aşınmaya dirençli ve neme karşı kararlı) sahiptir. Bu nedenden dolayı askeri amaçlı (zırh, araç, vb.) yapımında kullanılan iletken ve kabloları izole etmek
için kullanılır. Elektrik anahtarların parçalarını kalıplamalarında, radyo vе telekomünikasyon tekniklerinde, cilaların yapımı ve tellerin cilalanmasında vb. kullanılır.
Каblo Yağı mineral yağlar arasında yerini alır ve petrolün üçüncü ayrımsal damıtması olarak elde edilir. Kâğıt izolasyonlu, basınç altında, kâğıt izolasyonuna impregnasyon
(içirme) uygulayarak, yüksek çalışma gerilimli (50-500 kV), öyle denilen yağlı kabloların
izolasyonunda kullanılır. Kablo yağlarının bu ölçüde kullanılışı onun iyi bir izolasyon olmasından ve boş hava boşluğu ve iyonizasyonu ve onunla beraber dielektrik delinmeyi
engelleyen düşük viskozitesi olduğundan kaynaklanmaktadır. Kablo yağları yanında,
97
98
mineral yağlar içerisinde kondansatör, transformatör ve şalterlerin izolasyon olarak kullanımına göre şalter yağları da sayılırlar. Bu yalıtkanların en önemli özelliği çok düşük
dielektrik kayıpları olmasıdır.
Tаb. 4.2 Bazı izolasyon malzemelerin karşılaştırılmalı özellikleri ve onların uygulanması
U [m]
Ekr
[kV/mm]
tgG [·10-4]
Hr
Uygulama
50Hz
1MHz
50Hz
1MHz
Kabloların termoplastik izolasyonu
Polietilen
1015
45 ÷ 60
2,25
2,25
<2
<2
(<15kV;tr<70ºC)
lifli
(50÷400kV;tr<90ºC)
PVC
Silikonlu
Lastik
1012
25 ÷ 50
1012÷1015
15
Poliüretan 10 ÷10
16
20 ÷ 70
6,21
2,5 ÷3,5
25
4 ÷ 10
3,53
2,5 ÷ 3,5
730
5÷70
720
Kablo ve iletkenlerin
izolasyonu (aşırı
5 ÷ 70 dış şartlar altında
o
ttrr<250
<250ºC)C)
200÷
1.200
Kablo
Yağı
1010
12
2,20
2,18
1.3
17
SF6
1018
9
1,0020
1
10-4
10-4
Hava
1018
3
1,0006
1
10-4
10-4
Kuvars
Camı
1015
25
3,78
3,78
8,5
2
(elgaz)
(SiO2)
Kabloların izolasyonu
<65 oC)
(1÷30kV;
(1÷30kV;ttrr<65ºC)
(<15kV;t
(<15kV;trr<70 oC) ve
iletkenler (<1kV)
Kablo izolasyonu
(aşırı dış
şartlar altında)
Kablo yağı ve
iletkenlerin
izolasyonu
(50÷400kV)
(50
÷ 400kV)
Yüksek gerilim
tesisleri ve kabloları
izolasyonu
Yer üstü hatlar ve
uzak hat kabloların
izolasyonu
Entegre devrelerin
izolasyonu
Kuru hava, yüksek gerilim iletim hatları ve hemen hemen her elektrikli cihazlarda
kullanılan iyi bir yalıtkandır. Ancak, iyonize havanın çok düşük elektrik özdirenci vardır
ve çok yüksek nem oranında iletken olabilir. Вu tip havanın diğer dielektriklere zararlı
etkisi olabilir, çünkü nem ortamında birçok malzemeyi aşındıran nitrik asit kolayca oluşturur.
98
99
Еlgaz (kükürt hekzaflorür SF6) serbest elektronları kapma özelliği olduğu için
havadan birkaç defa daha büyük dielektrik sertliği vardır. Yavaş hareket eden negatif
iyonların oluşmasından dolayı, etkin iyonizasyon süreci azalır ve bununla beraber bu
gazın dielektrik sertliği artar. Еlgaz, yüksek gerilim kabloları (gaz basıncı altında kağıt
izolasyonuyla), transformatörler, kondanzatörler ve diğer yüksek gerilim tesislerinin
izolasyonu için kullanılır. Elgaz keşfedilmeden önce bu amaçla azot (N2) kullanılırdı.
Кuvars Camı (SiO2) Silisyum ve galyum - arsenit entegre devrelerinin yüzeylerini
izole etmek için kullanılır. Silisyum levhalarının yüksek sıcaklıkta (1.000÷1.200 ºC) oksidasyonuyla veya daha düşük sıcaklıkta (300÷700 ºC) kimyasal buhar depozisyonuyla
elde edilir. Çok iyi izolasyon ve mekanik özellikleri vardır. Si levhaların oksidasyonuyla
yüksek kaliteli ve ince oksitin üretim imkanı olmasından dolayı, silisyum entegre devrelerin MOS kondanzatörlerinde dielektrik olarak kullanılır. Optik haberleşmelerinde
de önemli yeri olan, optik liflerin ve kuvars ampüllerin (1300 oC yumuşar ve içinde metaller ve dielektrikler erir), kaplar, özel fotokopi boruları için lambalar ve balonlar yapımında kullanılır.
4.6. İZOLASYONLU KABLOLAR
Genel olarak üzeri yalıtkan bir madde ile kapalı, içinde izole edilmiş metalik iletkenlerin yerleştirilmesi ile oluşmuş enerji akımı taşıma ürünüdür.
Başlıca kablolar enerji ve haberleşme kabloları olarak ayrılırlar. Aralarında iki temel
fark vardır: iletken kesiti ve izolasyon kalınlığı. Еnerji kabloların kesitleri büyüktür (birkaç yüz mm2), çünkü onlarla şiddeti büyük olan akımlar taşınır. Haberleşme kablolarında iletkenlerin yarıçapları küçüktür <1mm. Bundan dolayı bu kablolarda iletkenlerinin
boyutları birim kare olarak gösterilmemektedir.
Enerji kabloların izolasyonu büyük kalınlıktadır, çünkü onlarca daha doğru yüzlerce
kV gerilime dayanıklı olması gerekir. Haberleşme kablolarda izolasyon çok incedir, çünkü ~1кV gerilime dayanması gerekir (sadece testler sırasında). Haberleşme kabloların
özel gereksinimleri vardır, örneğin. düşük kapasitans (Bir iletkenin yük sığdırım olanağı), bağlantı kapassitansı, kendine ait zayıflama vb. Güç kablolarında dielektrik kayıpları
az ve kararlı çalışma gerilimi (daha büyük elektrik sertliği) olmalıdır. Bu sebepten dolayı
çok iyi izolasyon özellikleri olan dielektrikler kullanılır, fakat bazı durumlarda son sözü
malzemenin fiyatı söyler (tab. 4.3.).
Gözetlenen kablolar, genel olarak 5 temel bileşenden oluşur (resim 4.7): (1) iletken,
(2) izolasyon, (3) kılıf, (4) armatür ve (5) dış kılıf.
99
100
Iletkenler
izolasyonlar
kılıf
armatür
dış kılıf
Resim 4.7 Enerji kabloların kesiti ve bazı kabloların yapısı
Tablo 4.3 Kabloların bu bileşenlerinin görevleri ve yapıldıkları malzemeyi göstermektedir.
Tаblo. 4.3 Kabloların bileşenleri, görevi ve yapıldıkları malzemeler
Bileşen
İletken
İzolasyon
Kılıf
Аrmatür
Görevi
Malzemeler
Elektrik akımı iletimi







Diğer iletkenlere göre, iletkenin
izole edilmesi, metal kılıf veya ekran





Nemden koruma; bazı tür
kablolarda nötr iletken
Меkanik koruma








Dış kılıf
100
Metal kılıfı ve armatürü paslanmaya
karşı koruma




bakır
alüminyum biçimi
yuvarlak
sektorel
еlipsoid yapısında
tek telli
çok telli
kağıt
yağ
lastik
termoplast
gaz (N2SF6)
kurşun ve alaşımları
alüminyum
çelik
lastik
termoplast
çelik bandı
çelik bandı (yuvarlak
ve profilli)
alüminyum bandı
bitüm
emdirilmiş yaprak
emdirilmiş jüt
hesiyan
101
Resim 4.8’ de bir tür enerji kablonun yapısı gösterilmiştir. Söz konusu 5 temel bileşenin yanısıra enerji kabloların bir dizi diğer bileşenleri de olabilir: sıfır iletken, konsantrik
iletken, kablonun yüzeyi üzerindeki elektrik alanının eşit bir şekilde dağılımını sağlamak amacı ile kullanılan ekran, izolasyon ve kablo çekirdeği, doldurucu ve diğer yapısal
detayları.
Enerji kabloların üretim teknolojisi oldukça karmaşıktır. Haberleşme kabloları yapısına göre tel ve koaksiyel olarak ayrılabilirler. Bakır tel kabloların temel bileşenleri çift
bükümler veya yıldız dörtlü bükümler – resim 4.8. а) ve koaksiyel bakır kablolarında
koaksiyel çiftler – resim 4.8. b).
Haberleşme kabloların çekirdeği; kablo çift sayısına göre; kablo elemanlarının, grupların veya paketlerin bir araya getirilip bükülmesiyle teşkil edilir. Bundan başka, kablo
kılıfı çekirdek etrafında silindrik metal boru (kurşun, alüminyum, vb.) şeklinde yerleştirilir. Komşu yüksek gerilim kabloların endükleme etkisinden ve neme karşı koruma
görevi vardır. Sonunda, kabloyu dış etkilerden koruyan (mekanik – paslanma) dış kılıf
yapılır (armatürlü PVC veya polietilen sargısı).
Taşıyıcı sinyalin iletim aralığı haberleşme kabloların yapısına bağlı olduğunu vurgulamak gerekir. Bakır tel kabloları ~1÷250 kHz aralığında, bakır koaksiyel kabloları ise
~50kHz÷1GHz aralığında kullanılır. İletim frekansları ne kadar yüksek ise, kabloların iletim aralığı o kadar büyük olduğu hususunu göz önünde bulundurarak, koaksiyel kabloların performansları daha iyi olduğu açıktır.
I çift
Iletkenler
izolasyon
II çift
bakar ağ kılıf
yıldız - dörtlü
dış izolasyon kılıfı
а) telli haberleşme kabloları
b) koaksiyal haberleşme kabloları
çift
Resim 4.8 Bakır (Cu) kabloların temel bileşenleri
Ancak, bu konuda taşıyıcı frekansları ~1014÷1015 Hz olan ve önümüzdeki derste göreceğimiz optik kablodan daha iyi özelliklere sahiptir.
4.8. OPTİK KABLOLAR
Optik haberleşme kabloların, sinyal taşıma kapasitesi yüksek (düşük frekans modüllü sinyallerin band genişliği ~1GHz), dinlenmenin ortadan kalkması ve bakıra göre sinyalin daha az zayıflamasından dolayı kullanımı büyüktür.
101
102
Buna ek olarak, önemli ölçüde ağırlığı düşük (yaklaşık 10 kg/km), boyutları küçük (koruyucu katmanlarıyla beraber birkaç mm kalınlığında), döşeme maliyetlerini düşüren ve
güvenirliği arttıran uzunluğu büyüktür (birkaç km). Bu nedenle, yakın gelecekte optik
kabloları haberleşme alanında bakır kabloların yerini tamamen alacağı beklenebilir.
Оptik kablolar temel eleman olarak оptik lifler içermektedir. Optik lifler genellikle
düşük kırılım indisine sahip şeffaf giydirme gereci tarafından çevrelenen yüksek kırılım
indisine sahip şeffaf çekirdek içeren bir tür dielektriktir. Bu yapı ışığın tam içsel yansıma
tarafından çekirdekte tutulmasına ve bu durum ışığın çekirdek buyunca yol almasına
neden olur.
Çekirdeğin çapı ve kırılma indisi değişimine bağlı olarak, optik lifler tek modlu ve
çok modlu (resim 4.9), yani bir yayılım yolu veya çok yayılım yolu biçiminde olabilir.
Çok modlu liflerde farklı modların etkileşimi sonucundan kaynaklanan ışığın dağılma
miktarı (dispersiyonu), tek modlu liflerde önemli ölçüde azdır. Çekirdek çapı büyük
(  50  m ), ışığın lif içerisinde verimli birleştirme oluşturması ve ışığın (lazerden ucuz
olan LED diyotlarla) aktarılması, çok modlu optik liflerin birinci nesil optik iletişimlerde
(  ~ 0.8  m ) kullanılmıştır. Bununla birlikte, ikinci nesil optik iletişimlerde (  ~ 1,3 m
veya  ~ 1,55 m ), önemli ölçüde parazitsiz (aynı zamanda monokromatik bir kaynak
tarafından uyarılması, yani lazer), çekirdek çapı önemli ölçüde daha küçük ( ~ 2 ÷ 10 m )
optik sinyalin tek modlu iletimini sağlayan optik liflerin kullanımına geçildi.
Bugün kullanılan optik lifler, ışığın zayıflamasına neden olan katkı maddelerin az olması sebebiyle kuvars camından (SiO2) yapılır.
a)
b)
Resim 4.9 Şematik gösterim: а) çok modlu b) tek modlu optik lifi
Zayıflama optik sinyalin dalga uzunluğuna bağlıdır. Birinci alan (~0,8μm) I. nesil optik haberleşmelerde kullanılmıştır (çünkü 1970 – 80 yıllarında en iyi yarı iletken ışık kaynakları ve detektörleri o alanda çalışırlar), ~1,3 μm ve ~1,55 μm alanlarında zayıflama
önemli ölçüde az olduğundan dolayı II. nesil optik haberleşmeler ve detektör kaynakların gelişmesinin temelini oluşturmuştur.
102
103
Bugünkü II. nesil kuvars optik lifleriyle her 50-100 km sinyalleri güçlendirmeden
taşınması gerçekleştirilmiş, ondan sonra elektrik sinyale dönüştürülerek elektronik
yükselteç ile güçlendirilir ve yine lazer yardımıyla optik sinyale dönüştürülür; bunun
sayesinde verilerin dijital akışı ~0,5 Gbit/s. sağlanmıştır. Ancak, önümüzdeki birkaç yıl
içerisinde optik yükselteçlerin kablo içinde olacak şekilde optik kabloların üretimi beklenmektedir. Оptik yükselteçler özel bir lazer yükselteç ve erbiyum (Er)’ dan yapılı kuvars lifi içerir. Bu tür optik lif, lazer ile bağlantılı optik sinyalin doğrudan güçlenmesini
sağlar (önceden olduğu gibi elektrik sinyale dönüştürüp, elektrik sinyalini güçlendirme
yapmadan).
Optik liflerin üretim teknolojisinde değişik oksidasyon süreçleri kullanılır. Bu işlemlerde bazı klorürlerin (ЅiCl4, GeCl4, PCl3, BCl5 vb.) temiz buharının oksijenle reaksiyonunda, katkı maddeleri (GeO2, P2O2, B2O3 vb.) olan beyaz bir toz elde edilir. Bu toz dış ve
iç cam üzerinde toplanır ve daha sonra eritmeden ısıtılarak preform (ön biçim) denilen
çubuk ya da tüp biçiminde bir cam kütlesine dönüşür. Perform çapı ~10 mm, uzunluğu
60-90 cm olup fırında çekilerek kalınlığı ~100 μm ve uzunluğu birkaç kilometre olacak
şekilde lif elde edilir. Lif çekildikten sonra, kir ve sudan kurumak için plastik kaplama
kılıfı geçirilir.
Böyle elde edilen optik lifler sonra kablo haline getirilir. Kablo çekirdeği bir veya fazla
lif içerebilir (resim 4.10). Zayıf mekanik özellikleri olduğundan dolayı (kırılganlık ve izin
verilen uzama %1, bakırın ise %20), genellikle çelik telleriyle kıyaslanan büyük mekanik
dayanıklığı olan ve kablonun uzamasını sabitlemek için kullanılan organik kevlar – elyaf
ile güçlendirilmiştir.
Kablo çekirdeği plastik band ile sarılır, ondan sonra optik kablonun çekirdeği için antipas görevini yapan plastik sargıya (genellikle poliüretan) ekstrüzyon (darçıkım) yapılır.
Resim 4.10 Birkaç tip optik kablonun şematik gösterilişi
103
104
Optik lifler için kuvars optik liflerinden 1000 kat daha az ışığın zayıflaması ve büyük
dalga boyu olan (güçlü karbondioksit gazlı lazerin çalıştığı ~10,6 μm kadar) diğer tip
malzemeler dе yapılmaktadır. Bu konuda en perspektifli olan zirkonyum – florür (ZrF4)
bazında halojen liflerdir.
4.9. KONDANSATÖR MALZEMELERİ
Elektroteknikte kullanımlarına göre yalıtkanlardan sonra ikinci öneme sahip olan
kondansatör malzemeleridir. Bunlar, bütün veya ayrık biçimde olan kondansatörün
dielektrik katmanlarını yapmak için kullanılır. Kondansatör malzemelerin en önemli
temsilcileri tablo 4.4. verilmiştir.
Tаblo. 4.4 Önemli kondansatör malzemelerinin karşılaştırılmış özellikleri
r
tg 104 
E kr  kV/mm 
50 Hz
50 Hz
1 MHz
1 MHz
C
C  t
Ferroelektri
seramik
1250÷
2990
31÷110
19 ÷ 46
15 ÷20
10-3
Rutil
seramikler (TiO2)
114÷
160
˜10
˜1
10 ÷ 20
106
Malzemeler
Ta2O5
22
30
SiO2
3,78
Si3N4
6,9
Mika
5,4
25
3
50
Kondansatör
kağıdı
˜3
˜3
˜50
˜8
Poliester folyası
˜3
˜20
˜135
160
8,5
2
25
10
4
10
5
Uygulama
kalınkatmanlı
entegre
devreleri
incekatmanlı
entegre
devreleri
Si
entegre
devreleri
GaAs – entegre
devreleri
ayrık kondansatör katları
Birim hacim başına en yüksek kapasitansı olan ve adını manyetik - histerezis döngüsüne B(H) benzer, dielektrik – histerezis döngüsünün D(E) varlığından alan ferreoelektrik seramikleri (BaTiO3, BaTiO3 – SrTiO3) dir. Bu nedenle, Curie sıcaklığı (Tс) üstünde
ferroelektrik malzemeleri ferroelektrik özelliklerini kaybeder ve var olan elektrik dipol
momentlerin rasgele polarizasyonu yok olarak paraelektrik duruma geçerler. Bu seramikler arasında en iyi özellikleri, yüksek bağıl dielektrik geçirgenliği (  r ) ve dielektrik
104
105
kayıpları açısının tanjantının ( tg ) kabul edilebilirliğinden dolayı (BaTiO3)0.65(SrTiO3)0.35
seramiklerinin vardır. Bunların eksikliği, ferroelektrik özellikleri olan çalışma sıcaklığı
(~55°С÷125°С) aralığında, sıcaklığın değişimi (ΔC/C . Δt) ile büyük ve belirgin lineer olmayan kapasite değişimidir.
Çok sağlam dielektrik özelliklerine, rutil (TiO3) ve diğer seramik oksitlerin karışımı
olan ve rutil seramikler denen seramikler sahiptir. Kapasitansın sıcaklıktan bağımsızlığı durumunda çok küçük dielektrik kayıpları olan en tanınmışları magnezyum – titanyum (TiO2-MgO)  r  14 ile çinko – titanyum (ТiO2-ZnO)  r  19 ile, ve kalsiyum – titanyum (TiO2-CaO)  r  160 ile dir. Bu malzemeler en çok kalın katmanlı basılı entegre
devrelerindeki kondansatörlerin yapımında kullanılır.
Çalışma sıcaklığı aralığında (-65°С÷70°С), iyi dielektrik özellikleri ve kapasitansın
ılımlı sıcaklık değişimi olduğundan dolayı ince katmanlı entegre devrelerindeki kondansatörlerin yapımı için tantal – oksit (Ta2О5) kullanılır. İnce katmanlı devrelerdeТa2О5
seçimi, bu devrelerin yapımındaki teknolojik farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Bu entegre devrelerinde iletken ve direnç katmanların yapımı için kullanılan (Ta2О5), Tantalın
(Ta) anodizasyonu (elektrokimyasal oksidasyonu) ile elde edilir.
Si – entegre devrelerinde kondansatörlerin yapımı için küçük dielektrik kayıpları ve
dielektrik özelliklerinin tatminkar sıcaklık kararlılığı olan ince katman dielektrik kuvars
camı kullanılır.  r Nispeten küçük olsa da, yüksek kaliteli kısa süre yüksek sıcaklıkta Si
– plakaların oksidasyonu ile oldukça ince katmanların (20÷100μm) yapılabilme imkânı
ile telafi olur.
GaAs’tın istikrarlı oksiti olmadığından ve kimyasal buhar biriktirme (depozisyon)
yöntemiyle kontrollü bir şekilde çok ince SiO2 katmanı elde edilemediğinden dolayı
(genellikle bu şemalarda yüzey izolasyonu olarak kullanılır), kondansatörlerin yapımında silisyum nitrürün (Si3N4) kimyasal buhar depozisyonu ile elde edilen mekanik kompakt dielektrik katmanı kullanılır.
Ayrık kondansatörleri üretmek için poliester filmi, kondansatör kâğıdı ve mika kullanılır. Bu malzemelerin  r küçük olmasına rağmen, birim yüzeyde yüksek kapasitans
sağlayan çok ince katmanların yapımında kullanılışı çok uygundur. Kondansatör kâğıdın düşük dielektrik sertliği (Ekr), nispeten düşük dielektrik kayıpları olan kondansatör
yağı yedirmekle telafi edilir.
Belirtilen dielektrik tabanlı kondansatörler bir sonraki bölümde ele alınacaktır.
4.10. KONDANSATÖRLER
Yapılarına göre kondansatörler, silindirik, plakalı, disk ve çip (yonga) kondansatörler
olabilirler. Diğer taraftan sabit ve ayarlanabilir olabilirler.
Silindirik kondansatörler iki metal silindir tabakanın birbirinin içine yerleştirilmesiyle ve aralarında yağ emdirilmiş kâğıt veya sentetik polimer (polistiren, polyester, polipropilen, polikarbonat ve diğerleri) dielektrik bir malzemenin koyulmasıyla tasarlanır.
Bu plakalar öncede havasız ortamda alüminyum buharı ile metalle kaplanabilir (0.02
÷0.05 μm kalınlığında). Metal kaplamayla beraber plakaların kalınlığı birkaç mikrondur.
105
106
Plastik film kondansatörleri çok yüksek yalıtım direnci ve çok küçük dielektrik kayıpları açısının tanjantına sahip olduğundan dolayı, kâğıt ve metalik kâğıt kondansatörlerin neredeyse tamamını kullanımdan çıkarmıştırlar. Ancak kâğıt kondensatörler hala
telefon ve enerji elektroniğinde kullanılmaktadırlar.
Plakalı kondansatörler: düşük kapasiteli plaka kondansatörleri alüminyum folyaları arasında mika yaprakları veya cam şeritleri yerleştirilerek yapılır.
Disk-kondansatörler  r yüksek olan seramik kondansatörlerden yapılır ve değişik
şekilleri olabilir. Kondansatörlerin plakaları seramiğin yüzeyine ince gümüş tabakası
sürmekle elde edilir. Bağlantı iletkenleri olmayan, doğrudan lehimlenerek büyük ölçüde parazit endüktivitenin azalması sağlanarak, çip şeklinde de denilen çok katlı seramik kondansatörler de vardır. Tüm seramik kondansatörlerin ortak özelliği birim hacimde yüksek kapasitanslı olmalarıdır. Rutil seramiklerin çok büyük sıcaklık kararlılığı
olmasına rağmen, seramik feroelektriklerden birim hacımda kapasiteleri azdır. Seramik
kondansatörler rakamlar veya renklerle işaretlenir.
Elektrolitik kondansatörler özellikle düşük çalışma gerilimlerinde birim hacimde büyük kapasitesi olan özel grup kondansatörlerdir. Bu tür kondansatörlerin en tanınmışları, alüminyum (sıvı ve katı dielektrikli) ve tantalyum elektrolitik kondansatörleridir.
Bunlar kutuplu (doğru akım ile çalışan) veya kutupsuz (alternatif akımla çalışan) olabilirler.
Resim 4.11 Elektrolitik ve tantalyum kondansatörleri
Kutuplu alüminyum kondansatörlerin özel oksitleşmiş alüminyum filmlerinden
yapılmış anot’u olan (alüminyum oksit Al2O3 εr =10 sıvı dielektrik görevini yapar) sıvı
elekrolitik kondansatördür. Gerilim kutubunun değişimiyle katot alüminyum filmi oksitleşir. Bu olay kondansatörün özelliklerini bozar ve daha yüksek ters gerilimlerde dielektriğin delinmesi meydana gelebilir. Kutupsuz alüminyum kondansatörlerinde böyle sorunlar yoktur, çünkü her iki alüminyum filmi oksitleşmiş olduğundan dolayı hem
doğru hem de alternatif akımla çalışabilirler.
Katı (kuru) alüminyum kondansatörlerinde elektrolit olarak mangan dioksit
(MnO2) kullanılır. Mangan dioksit sıvı elektrolitlere kıyasen buharlaşmaz ve kimyasal ve
sıcaklık kararlılığı vardır.
106
107
Tantalum elektrolitik kondansatörler alüminyum olanlarla benzerdirler, daha küçük
boyutları ve daha az kayıpları vardır. Tantalyum oksit tabakası, alüminyum okside göre
daha dayanıklıdır (εr ≈ 25). Tantalyum minyatür elektrolitik kondansatörler çoğunlukla
resim 4.11. gösterildiği gibi damla şeklindedirler.
Ayarlanabilir kondansatörlerin plak yapısı vardır (resim 4.12). Bu döner kondansatörlerde dielektrik olarak hava kullanılır. Kullanımdan önce, üretim sırasında devrenin
ayarlanmasıyla kapasitesi değişen yarım ayarlanabilir kondansatörler (trimer) bulunmaktadır. Kondansatörlerin frekans özellikleri her şeyden önce kullanılan dielektriğin
frekans özelliklerine bağlıdır. Bu sebepten dolayı en yüksek frekanslar için polimer ve
seramik kondansatörler kullanılır.
Resim 4.12 Ayarlanabilir kondansatör (gerçek ve şema görünümü)
Resim 4.13 En büyük elektrolitik kondansatörlerden en mini seramik kondansatörlere kadar değişik tür kondansatörler gösterilmiştir.
Resim 4.13 Değişik kondansatör türleri
107
108
Çip (yonga) kondansatörler büyük doğrulukla çalışan sabit kondansatörler şeklinde
veya yarım ayarlanabilir çip – trimer kondensatörler olarak mini elektrik araçlarında kullanılır. Çip kondansatörlerin temel dielektrik malzemesi feroelektrik tabakalarıdır. Maksimum gerilim 50 ile 200 V arası ve her üç boyutu birkaç mm olan çip kondansatörlerin
kapasiteleri 1 pF ile 10 nF (bazan1μF kadar) arasındadır. Çip – kondansatörlerin kusurları
sıcaklığa duyarlı olması (T< 40 оС) ve nemdir. Otomatik montaj için çip-kondansatörler
yanı sıra, mangan dioksit katı elektrolitli tantalyum çip elektrolitik kondansatörleri de vardır. Bu kondansatörlerin kapasiteleri, 6.3 ve 40 V arası gerilimler için 0.1 ile 100 μF sınırları
içerisindedir.
Pratikte, gerçek kondansatörlerde kapasitesi genellikle üzerinde basılı olan bir sayı ile
işaretlenmiştir. Düşük değerlere sahip kondansatörler, 100 pF değerine kadar, iki rakamlı
veya üç rakamlı sayılar ardında toleransı gösteren harf kullanılır. Örnek ”22” ve “220” etiketi, 22 pF sayısal değerini göstermektedir. Diğer etiket örnekler: “221” = 220 pF, “222” =
2.200 pF, “473” = 47.000 pF.
Standart elektrolitik kondansatörlerin daha büyük boyutları vardır ve bu kondansatörlerde kapasite ve çalışma gerilimi kondansatörün üzerinde iki sayı olarak işaretlenmiştir.
Aynı tip ve aynı üretici tarafından üretilen kondansatörler kıyaslandığında, daha büyük
değerleri veya daha büyük çalışma gerilimi olanların boyutları daha büyüktür. Ancak bu
sonuç farklı tiplerden ve farklı üreticilerden üretilen kondansatörler için geçerli değildir.
Kondansatörlerin renklerle işaretlenmesinde, prensipte dirençlerde uygulanan renkli
çizgilerle aynıdır. Tablo 4.5 yararlanarak kolaylıkla değişik tip kondansatörlerin kapasite
değerini hesaplamak mümkündür.
Таblo 4.5 Kondansatörlerin işaretlenmesinde renklerin sayısal değerleri
Disk–seramik ve silindirik kondansatörler
Renk
Değer
Çarpan
Tolerans
Gerilim
Tantalyum miniyatür
elektrolit
Çarpan
Siyah
0
x 1 pF
±20%
x 1 μF
Kahverengi
1
x 10 pF
±1%
x 10 μF
Kırmızı
2
x 100 pF
±2%
Turuncu
3
x 1 nF
Sarı
4
x 10 nF
Yeşil
5
x 100 nF
Mavi
6
x 1 μF
Mor
7
x 10 μF
Gri
8
x 100 μF
Beyaz
9
x 1000 μF
Pembe
?
108
?
250V
Gerilim
10V
x 100 μF
±2.5%
400V
6.3V
±5%
16V
20V
x .01 μF
25V
±10%
?
?
35V
109
4.11. ÖZEL DİELEKTRİK MALZEMELERİ
Özel dielektrik malzemeler grubuna şu dönüştürücüler girmektedir: piroelektrikler,
piezoelektrikler, elektretler (dielektrik madde parçası) ve sıvı kristallerdir. Bunlar elektrik
olmayan sinyalleri (ısı, mekanik, optik v.b.) elektrik sinyallerine ve tersi dönüştürmek
için kullanılır.
4.11.1. PİEZOELEKTRİK, PİROELEKTRİK VE ELEKTRET
DÖNÜŞTÜRÜCÜLER
Piezoelektriklerin temel özelliği bu maddelere uygulanan mekanik basınç sonucunda, elektrik alan ya da elektrik potansiyel değiştirme yeteneğidir, daha doğrusu piezoelektrik katsayılarıyla (dıj i=1,3; j=1,6) karakterize edilen mekanik gerilme değişimlerinden dielektrik hareketliliğin (D) değişimidir. En önemli piezoelektrik 573оС kadar kalıcı
piezoelektrik özelliklerini taşıyan monokristal kuvars’tır. Renksiz kaya kristali de denilen
doğal kuvars şeklinde ve yapay kuvars biçiminde olabilir. Doğal kuvarsın çalışma özellikleri yapay kuvarsa göre daha iyidir.
Piezoelektrik kuvars kristal rezonatörleri tek kristali ince tabakalar şeklinde keserek
yapılır. Bu tabakalar metal elektrotlarla sarılarak, değişken elektrik alanı getirilmesiyle, ters piezoelektrik etkisinden dolayı plakalarda mekanik titreşimler meydana gelir.
Kuvars plakaları, metal yüzeylerini atom çözünürlüğüne kadar özelliklerini inceleyen
Taramalı Tünelleme Mikroskopların (STM) aşırı ince iğnelerinin konumunu kontrol etmek için bir sensör olarak kullanılır. Ayrıca kuvars, robotikte basınç sensörü olarak da
kullanılır.
Piezoelektrik özelliklerinden dolayı kuvars günümüzde özel yüzey akustik dalgalı
(PAB) araçların yapımında kullanılır. Bir sonraki konuda ele alınacak bu araçlar, modern
dielektrik mikroelektronik veya dielektroniğin temelini oluşturmaktadır.
Piroelektriklerin ana özelliği sıcaklık (T)’nin etkisi altında dielektrik esnemesinin (D)
değişimidir ve piroelektrik kat sayısı (p) ile ifade edilir. Piroelektrik malzemeleri ısı ve
kızılötesi sesörler üretmek için kullanılır.
İşlenmesi tamamlandıktan sonra polarizasyon kazanan ve polarizasyonu koruyan
malzemelere elektret denir. Yaygın olarak kalınlığı 5 mm v e çapı 100 mm kadar yapılırlar. Önce gereken sıcaklığa kadar eritilerek, ondan sonra elektrik dipollerin dış alanı
yönünde sabitleninceye kadar, doğru elektrik alanında (~1КW/mm) yönlenmiş polarizasyon katılaşıncaya kadar birkaç saat soğutulur. Elektretler genellikle piezoelektrik ve
piroelektrik özelliklere sahiptirler. Elektret üretmek için genellikle farklı oksit bileşikleri
kullanılır. Son zamanlarda zayıf elektret özelliklerine rağmen bazı avantajlara sahip olan
polivinilden florür folyası kullanılmaktadır (geniş yüzey, 2 mm kadar kalınlık değişimi,
hafif, daha iyi mekanik özellikleri, yüksek dielektrik dayanıklığı ve ucuz fiyatı).
109
110
Elektretler mikrofonlar, hoparlörler ve kulaklıklar, basınç ve nem ölçerleri, elektrometreler ve dozimetreler, ultrasonik detektörleri, ısı ve kızılötesi sensörler vb yapmak
için kullanılır.
4.11.2. DİELEKTRİK MİKROELEKTRONİK
Piezoelektrik malzemelerin uygulandığı en önemli alan dielektrik mikroelektroniktir.
Dielektrik mikroelektroniğin temelini akustik yüzey dalgaları (AYD) üretimi oluşturur ve
dielektronik de denir. Metal elektrodlarla gerçekleşen elektriksel uyarım etkisiyle akustik dalgalar (piezoelektrik efekti) meydana gelir. Bu dalgaların elektrik sinyale dönüştüğü (ters piezoelektrik efekti) çıkış elektrodlara kadar yüzeysel olarak yayılırlar. Malzeme
olarak kuvars, PZT, vb. kullanılır.
Malzemelerde akustik dalgaların yayılma hızı yaklaşık 3000 m/s, yani elektromanyetik dalgaların yayılma hızından 105 kat daha azdır. Bu husus resim 4.14.a) görüldüğü
gibi dolu hatlarda gecikme sağlamak için kullanılır. Örnek olarak 1 mikrosaniye gecikmek için 3mm kuvars gerekir.
düşük frekanslı bölüm
Harcayıcı
Kaynak
Piozoelektrik
tabanı
a)
Metal
elektrodları
Harcayıcı
Kaynak
Metal Çubuklar
b)
Resim 4.14 Şematik gösterimi: a) gecikme hattı
b) akustik yüzeysel dalgalar tabanlı rezonatör
Bunun yanısıra, resim 4.14. b) gösterildiği gibi iki yansıma metal çubukları kullanarak
akustik yüzeysel dalgalar, yüksek kaliteli rezonatörler oluşturacak şekilde çoklu yansıma yapabilirler. Rezonatörün frekansı çubuk adımları d’ ye bağlı bir fonksiyondur. Benzer şekilde diğer elektronik araçlar da yapılabilir.
110
111
Akustik Yüzey Dalgalı düzeneklerinin maksimum merkez frekansı litografi usuluyla
tanımlanan çizgilerin genişliği ile sınırlıdır. 0,1 μm genişliğinde çizgiler sağlayan elektronik litografi kullanarak 2 GHz cıvarında maksimum merkez frekans elde edilebilir.
Band genişliği cihazın türüne bağlıdır ve genellikle maksimum merkez frekansın %2 ila
%30 arasındadır.
Söylenenlerin haricinde dielektronik çerçevesi içerisinde geniş bir eleman yelpazesinin gelişimi öngörülmektedir: bellekler, mantık devreleri, yükselteçler, modülatörler,
dönüştürücüler, detektörler vb.
4.11.3. SIVI KRİSTAL EKRAN
Sıvı kristaller sıvıların ve katı kristallerin özellikleri arasında özelliklere sahip olan
ve parakristal (yarıkristal) da denilen kimyasal maddelerdir. Sıvı kristallerin yapısının
düzenliliği, uzamış moleküllerin moleküller arası kuvvetlerin ince ayarından, yani moleküllerin uzamış anizometropisinden kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla zayıf elektrik alanları gibi, küçük bir dış etki, sıvı kristallerin özelliklerinde çarpıcı değişikliklere neden olabilir. Sıvı kristal göstergelerin temeli olan optik efektler, alışılmışın dışında büyük anizotropik (kırılma indisin anizotropisi Δn= 0,005 ÷ 0,25) sonucunda oluşur. Moleküllerin
yeniden yönlendirilmesi optik polarizasyonunda, emme, yansıma, yayılma ve renklerde
çarpıcı değişimlere neden olur.
Sıvı kristal göstergelerin yapımında sadece nematik kristaller kullanılır, çünkü bu
kristallerin en küçük uzaysal dizilişi ve sınırlı yönelme, en düşük viskozite, uygulanan
elektrik alanlarına en çabuk tepki verme özelliği vardır.
Polarizasiyon 2
Polarizasiyon 1
Sıvı Kristal Molekülleri
Resim 4.15 Sıvı kristal ekran hücresinin şematik gösterimi
Aralarında en geniş kullanımı, moleküllerin kimyasal yapısında iki fenil halkası, 5CB
etiketi ve nispeten geniş çalışma sıcaklık aralığı (22,5÷351ºC) olan bifenil malzemeleridir.
111
112
Sıvı kristaller, sıvı kristal ekranlar, TV cihazları için tüpsüz sıvı kristal ekranlar, elektrooptik anahtarlar vb. yapımında kullanılır.
Bir tür sıvı kristal ekranın çalışma prensibi resim 4.15’ de gösterilmiştir. Sıvı kristal
(~10μm kalınlığında) A ve B cam plakaları arası hermetik kapalı olarak bulunur. A
ve B cam plakaları içten mikroskopik olarak karşılıklı x ve y eksenleri doğrultusunda
oluklar kazınmıştır. Вöyle bir gravür yakın sıvı kristal moleküllerine yön vererek, resimde gösterildiği gibi sonuç olarak en üst tabakası ile en alt tabaka 90º kıvrılmış şekilde
dizilirler.
Polarizasyon 1’den çıkan ışık A cam plakasına düşerse, kıvrılmış sıvı kristal molekülleri
sayesinde polarizasyonu değişir ve B plakasından 90º kıvrılı polarizasyonla çıkmaktadır.
Sıvı kristal hücrelerinin arkasında parlak bir yansıtıcı yüzey varsa, ışık içinden geçerek
hücreye geri yansır ve üst tarafından çıkar, öyle ki, yukarıdan bakıldığında hücre parlak
yüzeyi gösterecektir.
A ve B cam plakaları üzerinde arzu edilen şekilde preslenmiş (metinsel – sayısal gösterimler için uygun parçalardan oluşan) şeffaf indium – kurşun oksitten yapılı elektrodlar yapıştırılmıştır. Elektrotlar arası (~5÷10V) alternatif akım bağlandığında, polarizasyon özelliklerini harap ederek, z ekseni doğrultusunda elektrik alanı meydana gelir.
Giriş polarize ışığı bu yerlerde dağılır ve polarize özelliklerini kaybederek geri yansıma
olmaz. Böylece aktif saydam elektrotlar (rakam veya harf şeklinde) parlak arka planın
üzerinde koyu şekiller olarak gösterilir.
Resim 4.15 iki küçük monokromat LCD veya LCD modülü denilen ekranlarda iki satır,
yani dört satır metinin gösterilişi verilmiştir.
Resim 4.15 Metin iletilerini gösteren LCD ekranlar
112
113
4.11.4. OPTİK BELLEKLER
Verileri okuyup yazmak için laser ışını kullanılan optik bellekler olarak, optik diskler
yapılmaktadır.
Laser demetinin gücü onlarca MW olup, verileri yazmak için kullanılır. Eğer, örneğin resim 4.16 а) şematik olarak gösterildiği gibi telür (Te) tabanlı eleman kullanılırsa,
iki cam plaka arasında sandöviç – yapıda olan ince telür tabakasının küçücük bir alanı
(kalınlık 10 – 30 nm) lazer demetiyle eritilerek verilerin yazılışı yapılır. Eğer lazer güç
etkisi 400mW civarında ise, ısınma meydana gelir, ondan sonra telür’ün soğumasıyla
buhar tabakanın diğer alanına (~%55) göre çok daha az (~%5) yansıma yapan kabarcıklar oluşur.
Resim 4.16 c)’ de veri yazma lazer demeti gücünün değişimiyle, telür’ün yansıma
katsayısı değişimi gösterilmiştir. Aynı resimde rodyum – silisyum (Rh – Si) bellek elemanının uygun yansıma katsayılarının değişimi gösterilmektedir, resim 4.16 b). Verileri RhSi çift katmanlı elemanda yazdırmak için 40 mW gücünde lazer kullanıldığında çift
katmanın yerel erimesine neden olur, sertleştikten sonra ışınlanmamış bölgeye
(~ %1,5) kıyasen daha büyük yansıma katsayısı (~%43) olan silisyum kabarcıkları
meydana gelir. Bu durumda da veriler birkaç mW gücünde lazer tarafından okunmaktadır. Aynı prensib üzere Rh, paladyum, platin, kobalt vb. değişmesiyle başka bellek
elemanlar da yapılabilir.
Lazer demeti
Kabarcık
(Cam)
Lazer demeti
Amorfen Si
Nokta
(Cam)
Resim 4.16 Оptik bellekler: а) telür tabanlı b) rodyum – silisyum tabanlı
c) Te ve Rh-Si tabakalarında yansıma katsayısı değişimleri verileri
belleğe yazma lazer demetinin güçüne göre fonksiyonu
113
114
Optik belleklerin yanında yoğun bir şekilde manyeto-optik bellekleri de kullanılmaya
başlanmıştır. Manyeto-optik bellek elemanları optik belleklerin bütün özeliklerini taşımakla beraber geri dönüşüm özelliklere de sahiptirler (kayıtlı verilerin silinme imkanı).
Resim 4.17 а)’da tabanı polikarbonat olan manyeto – optik belleğin kesiti gösterilmiştir. İki dielektrik katmanı arasında manyetik tiberium – demir – kobolt alaşımından
yapılı ince film bulunmaktadır.
Dielektrik
Polikarbonat
Resim 4.17 Manyeto-optik bellek elemanı (Tb-Fe-Co) а) kesit b) bu elemanın
Kerr Etkisi yardımıyla çalışma prensibi
Veriler lazerle termomanyetik denilen yöntemle yazılmaktadırlar. Lazer yardımıyla
Tb-Fe-Co tabakasında verinin kaydedileceği yer Curie sıcaklığı üzerinde ısıtılır. Güçlü bir
manyetik alanda (~0,8·106 А/m) ışınlanmış bölge aynı zamanda etkilenmemiş bölgeye
göre ters yöne yönlendirilir (daha önce sabit zayıf manyetik alanda tamamı bir yönde
yönelikti). Böylece istenilen bilgi yazılmış olur. Kayıtlı bilgiler Kerr etkisinden faydalanarak okunurlar. Manyetik alanın yönüne bağlı olarak “okuyan” lazer demetinin farklı
polarizasyondaki yansıması, resim 4.17.b) de, kaydedilen bilgi olarak taranmış şekilde
gösterilmiştir.
114
115
TEKRARLAMA SORULARI
4.1. Dielektriklerde enerji seviyesi ne kadardır?
4.2. Kökenine göre dielektrikler nasıl ayrılırlar?
4.3. Hallerine göre dielektrikler nasıl ayrılırlar?
4.4. İzolasyon özelliklerine göre dielektrikler nasıl ayrılırlar?
4.5. Kutupsal dielektrikler nelerdir?
4.6. Dielektriklerde kaç çeşit polarizasyon vardır?
4.7. Dielektrik geçirgenlik nedir?
4.8. Dielektrik kayıpları nedir?
4.9. Dielektrik delinmesi nedir?
4.10. Enerjetik kabloların yapısını açıklayınız?
4.11. Haberleşme kabloları nasıl ayrılırlar?
4.12. Optik kabloların temel bileşeni nedir?
4.13. Tek modlu ve çok modlu optik lifler aralarındaki fark nedir?
4.14. Hangi malzemelerin en büyük hacimsel kapasitesi vardır?
4.15. Si – entegre devrelerinde kondansatörler hangi malzemeden yapılır?
4.16. Yapılarına göre kondansatörler nasıl ayrılırlar?
4.17. Kondansatörlerin frekans özellikleri neye bağlıdır?
4.18. Özel kullanımı olan dielektrik malzemelerini sayınız!
4.19. Sıvı kristallerin yapısı nasıldır?
4.20. Optik bellek en çok hangi şekilde görünür?
115
5.
Manyetik
malzemeler
  Bazı malzeme gruplarının manyetik özellikleri
  Güçlü mıknatıslanma mekanizması
 
Manyetostriktif
  Yumuşak manyetik malzemeler
  Bobinler, transformatörler, röleler
  Katı manyetik malzemeler
  Manyetik mikroelektronik
MANYETİK MALZEMELER
119
5.1. BAZI GRUP MALZEMELERİN MANYETİK ÖZELLİKLERİ
Tüm malzemeler az da olsa manyetik özelliklere sahiptirler. Manyetik özellikler, süper iletkenlik gibi, malzemenin valans ve iletkenlik bölgesinin yapısına ve doluluk seviyesine göre açıklanamaz. Bu özellikleri açıklamak amacıyla, Amper on sekizinci yüzyılın
başlarında atomları mikroskobik minik mıknatıslar olarak varsaymıştır. Bugün atomların elementer manyetik momentlerinin varlığının açıklanmasını biliyoruz: bunlar atomun etrafında kapalı yörüngelerde elektronların hareketi sonucudur; bu elektronlar
temel elektrik akımı, elektrik akımı manyetik alanını, yani manyetik momentini oluştururlar. Yörünge açısal momenti ile beraber elektronun manyetik momentini oluşturan,
spin manyetik momentini (kendi etrafında dönmesi) de ilave etmemiz gerekir. Atomun
manyetik momenti elektronun kendi etrafındaki dönme hareketi ve çekirdek etrafındaki yörüngesel hareketinin vektörsel toplamıdır.
Atom manyetik momentlerin (dipollerin) toplamı, vektörsel toplam olarak, malzemenin manyetik alanının bileşkesini oluşturur. Вu manyetik momentlerin etkileşim derecesine göre, malzemelerde zayıf ya da güçlü manyetik etkinliği olabilir.
Zayıf manyetik özelliklere sahip olan malzemeler diyamanyetik ve paramanyetik
malzemelerdir. Diyamanyetik malzemeler, herhangi bir mıknatıs tarafından, o mıknatısın manyetik alanı içerisindeyken manyetik alan çizgilerine zıt yönde mıknatıslaştırılmaya uğrayabilen maddelere denir. Bir mıknatısa yaklaştırıldığında kuzey kutbu gören
maddenin yakın tarafı kuzey kutbu olarak yönelecektir. İtkisel bir yapı oluşmasına sebep olan bu malzemeler dış manyetik alanın etkisini yok etmek amacını taşımaktadırlar.
Paramanyetik malzemeleri manyetik momenti sıfır olmayan atomlara sahip, aralarında
zayıf tepki ve polar dielektriklerde olduğu gibi, kısmi olarak dış manyetik alanıyla aynı
yönde yöneliktirler. Kendisini mıknatıslaştıran cisim tarafından çekilirler. Yalnız manyetik alanda mıknatıslık özelliklerini muhafaza ederler.
Güçlü manyetik özelliklerine sahip malzemeler ferromanyetik, ferrimanyetik ve antiferromanyetik malzemeleridir. Bunlardan pratikte kullanımı en az olanlar antiferromanyetik malzemelerdir. Bu malzemelerde komşu manyetik dipoller zıt yönlüdür ve
birbirini yok ederler.
Ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerin manyetik yapıları neticesinde büyük
pratik öneme sahiptirler. Harici manyetik alanın (H) etkisi altında, lineer ve kalıcı olmayan mıknatıslaşma ve mıknatıssızlaşma göstermektedirler. Bu özellik manyetik indüksiyonunun manyetik alanı şiddetine bağlığını gösteren B(H) histerezis eğrisiyle belirlenir. Manyetik malzemelerin polarizasyon özellikleri lineer olmayan bağıl manyetik
geçirgenlik katsayısı μr ile karakterize edilir. Kritik sıcaklığın (Tkr) üzerinde bir sıcaklıkta
bu malzemeler manyetik özelliklerini kaybederler ve paramanyetik malzemelere dönüşürler.
119
120
Histerezis eğrisinin B(H) şekline göre ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler şu
şekilde ayrılırlar: yumuşak manyetik malzemeler (histerezis eğrisinin daha küçük alanı
olan dikey dikdörtgen şekli vardır) ve sert manyetik malzemeler (histerezis eğrisi eğik
ve daha büyük alanı vardır).
a)
b)
Resim 5.1 Histerezis eğrisinin şekli
Manyetik histerezisin malzemenin manyetik enerjisiyle doğru orantılı olduğunu göz
önünde bulundurursak sert manyetik malzemeler kalıcı mıknatıslar yapmak için kullanılırlar. Bunların en karakteristik parametresi maksimum değerini aldığı ikinci bölgedeki noktaya karşılık gelen enerji çarpımı (B·H)max dır. Bunun yansıra, histerisiz eğrisinin
x-ekseniyle kesiştiği noktayla belirlenen koersitif alanın (yok edici kuvvetin) (Hc) önemi
büyüktür. Koersitif alan manyetik indüksiyonun sıfır olduğu manyetik alandır. Yumuşak
manyetik malzemelerinde kurala göre Hc<1000A/m, sert manyetik malzemelerinde ise Hc >1000A/m’dır. Aynı şekilde manyetik alan şiddeti sıfır olduğunda, manyetik endüksiyon değerine remanence (kalıcı) indüksiyon (Br) denir ve manyetik malzemelerin bir başka önemli özelliğini oluşturur. Kalıcı indüksiyon mıknatıslaşma eğrisi ile
ordinat ekseninin kesişiminde bulunmaktadır. Diğer taraftan, histerezis eğrisinin alanı
manyetik enerjisinin bir manyetik döngüsü süresince histerezis kayıplarıyla doğru orantılı olduğundan, elektrik makinelerin çekirdekleri ve manyetik belleklerin (sürekli mıknatıslaşma ve mıknatıssızlaşma yapılır) yapımında kayıpları en aza indirmek için yumuşak
manyetik malzemeler kullanılır.
Bu malzemelerde çekirdekte indüklenmiş fuko akımlarından dolayı meydana gelen
kayıpların en aza indirilmesi gerektiğinden dolayı, yumuşak manyetik malzemelerinin
daha büyük öz direnci (р) olması istenir. Bu malzemelerde önemli etken, bağıl maksimum manyetik geçirgenliktir (μrm, verilen malzemenin ilk mıknatıssızlaşma durumu
B(H) eğrisinin maksimum yanaşması). Bunun değeri hisreresiz eğrisi nekadar dik ise,
120
121
yani alanı ne kadar küçük ise o kadar daha büyüktür. Tablo 5.1 manyetik malzemelerinde karakteristik parametrelerinin değerleri ve ekstrem değerleri verilmiştir.
Таblo 5.1 Manyetik malzemelerin karakteristik parametreleri ve ekstrem değerleri
μrm
Yumuşak
manyetik
malzemeler
Sert manyetik
malzemeler
Ekstrem
değerler
HC (A/m)
(B·H)max (kJ/m)
Р (0m)
Tkr (°C)
103÷106
10-1
102
10-7÷106
100÷600
-
104÷107
1÷102
-
300÷900
1,5·106 (FeNi alaşımları)
106
(SmCo5)
390 (Sm2Co17)
106 (Ni-Zn
feritler)
920
(Sm2Co17)
Manyetik malzemelerin en çok polikristal ve bazen amorf şekilleri kullanılır
5.2. GÜÇLÜ MIKNATISLAŞMA MAKANİZMASI
Kompanse edilmemiş manyetik dipol momentlerin varlığında, malzemede kendiliğinden makroskopik mıknatıslaşma (Ms) varsa, malzeme kendiliğinden mıknatıslanabilir. Bu tür mıknatıslaşmaya güçlü mıknatıslaşma denir.
Kompanse edilmemiş manyetik momentlerin güçlü karşılıklı etkileşimi, onların paralel yönelmesine (ferromanyetikler) veya anti paralel yönlenmesine (antiferromanyetikler
ve ferimanyetikler) resim 5.2 (a-c) gösterildiği gibi neden olabilirler. Ferromanyetiklerde
komşu manyetik dipoller, antiferromanyetiklerde olduğu gibi Ms=0, kompanze edilmiş
değiller.
(а) ferromanyetikler,
(b) antiferromanyetikler,
(c) ferrimanyetikler,
Resim 5.2 Manyetik momentlerin büyüklüğü ve yönünün şematik görünümü
Güçlü mıknatıslaşma temelde elektrostatik doğası olan komşu manyetik dipollerin
karmaşık kuantum mekanik karşılıklı etkileşimidir. Aynı zamanda etkileşimin kuantum
mekanik özelliklerinden dolayı kısa sürelidir.
121
122
Ferromanyetiklerin ve ferrimanyetiklerin kompanse edilmemiş komşu manyetik dipolleri olmasına rağmen, bazen bu malzemelerden rastgele alınan bir parça mıknatıslaşmamış görünebilir. Ancak, dış manyetik alan ile etkileşimi, kalıcı mıknatıs yaklaştırıldığında, paramanyetiklerden önemli ölçüde daha güçlü mıknatıslaşırlar.
Bu olayı açıklamak için, kompanze edilmemiş manyetik dipollerin, manyetik dipol
etkileşimlerini hesaba katmamız gerekir. Bu etkileşim elektrostatik kuantum mekanik
etkileşimden daha küçük, fakat etkisi daha uzun sürelidir. Sonuçta manyetik yapılandırma (manyetik dipollerin uzaysal dizilişi), makroskopik numunede oldukça karmaşık
olabilir, çünkü çok sayıda manyetik dipollerin dipol enerjisi önemli hale gelir ve onun
etkisi manyetik dipollerin yapılandırmasını değiştirebilmektedir.
Örneğin, homojen manyetik yapı olarak resim 5.3 a) şematik olarak ferromanyetik
gösterilmiştir. Dipol enerjisi bakımından ekonomik değildir ve resim 5.3 b)’de olduğu
gibi manyetik momentlerin değişik yönleriyle, homojen manyetik makroskopik domainlere bölünmesi önemli ölçüde azaltılabilir. Böyle bir ayrılış enerji alışverişinin artmasına neden olur, çünkü ferromanyetik domainlerin duvarlarında ters yönlü momentlerin
etkileşimi enerji açısından olumsuzdur. Ancak, diğer taraftan domain bölünmesi domainlerin her iki yönde zıt yönlü tüm momentlerin uzun süreli dipol etkileşiminden dolayı
dipol enerjisinin azalmasına sebep olur. Genel olarak, ferromanyetik ve ferrimanyetik
malzemelerin, büyüklükleri 10-2÷10-3cm olan çok sayıda domainleri vardır.
a)
b)
Resim 5.3 Makroskopik ferromanyetik numunenin şematik görünümü:
а) homojen mıknatıslaşma b) daha uygun enerjili domain yapısı
Mıknatıslanmamış demirin mıknatıslanması, harici manyetik alanı H (Т<Тkr için) etkisi
altında, biçimini ve domainlerin mıknatıslanmasını değiştiren bir süreçtir (resim 5.4).
Harici manyetik alana bırakılmadan önce mıknatızsız malzeme domainleri kaotik sıralanmış ve kompanze edilmemiştir (1). Mıknatıslanma için gerekli manyetik alan uygulandığında, manyetik alanın yönünde göre sıralanmış domainler, sıralanmamış domainlere göre artmaya başlar.
122
123
Resim 5.4 nokta 1’de görüldüğü gibi, başlangıçta domainler güçlükle büyürler. Eğer
alan şiddeti artırılırsa, domainler daha kolay yönelirler ve büyürler, bu durum nokta 2
de verilmiştir. Son olarak, bütün dipoller sıralandıktan sonra mıknatıslanma değeri sabit bir değere ulaşarak yok olmaya gider (nokta 3).
H manyetik alanının şiddetini azatlığımız zaman mıknatıslanma şiddeti de azalacaktır. Ancak bu durumda eğri farklı bir yol izleyecektir. H manyetik alanı sıfırlandığında,
domain duvarları domainlerin kendiliğinden eski kaotik durumlarına dönmesini engeller. Bir çok domain, verilen manyetik alanın yönünde sıralanmış kalır, çünkü mıknatısın
kalıcı (remanant) manyetik endüksiyonu Br vardır (nokta 4) ve kalıcı bir mıknatıs gibi
davranır. Manyetik alanın yeniden etkilemesi, ilk durumdan farklı yönde domainlerin
büyümeye ve ters yönde dizilirler. Domainleri yeniden kaotik sıralayacak ve karşılıklı
sıfırlayacak (B=0) alana koersitif alan Hc denir (nokta 5). Alan şiddeti daha da arttırılırsa,
domainlerin ters yönde sıralanmasına yol açar (nokta 6).
Alan yönünün devirli değişimiyle, B(H) fonksiyonun noktaları resim 5.4 gösterildiği
gibi histerezis eğrisini (mıknatıslanma eğrisi) belirtmektedir.
Resim 5.4 Resim 5.4 Mıknatıslanmanın ferromaynetik eğrisi (histerezis eğrisi).
Mıknatıslanma şiddeti sadece uygulanan manyetik alana değil, numunenin önceki
durumuna ve içinde bulunduğu koşullara da bağlı olarak değişir. Ferromanyetik maddeler çok yüksek sıcaklarda ısıtılmaları durumunda paralel dizilmiş manyetik momentler bozulur ve malzemenin paramanyetik özellik gösterecek şekilde yapı değiştirir. Ferromanyetiklerde malzemenin manyetik özelliklerini kaybettiği sıcaklığa Curie sıcaklığı
(Tc), ferrimanyetiklerde ise Neel sıcaklığı (TN) denir.
123
124
5.3. MANYETOSTRİKTİF
Malzemenin, manyetik alanın etkisiyle mekanik özelliklerini veya geometrik şeklini
değiştirme olayına doğrudan manyetomekanik etki, mekanik gerilmelerin etkisi altında malzemenin manyetik özelliklerini değiştirme olayına ise ters manyetomekanik etki
denir. Manyetomekanik etkisini ilk olarak 1894 yılında Joule keşfetmiştir, fakat teorik
olarak izah edememiştir. Manyetik alanın etkisi altında mekanik deformasyon etkisine
Joule etkisi veya manyetostriktif denir.
Manyetik alanın yönüne göre cismin boyutlarının değişimine bağlı manyetostriktif
enine veya boyuna olabilir. Bu iki manyetostriktif türü yanısıra hacimsel magnetostriktif
vardır. Manyetik alanında bulunan ferromanyetik küre, hacminin küçülmesi ve manyetik alanın yönüne doğru yarıçapın büyümesi eğilimini göstemektedir. Вu deformasyona
form-etkisi denir. Manyetostriktifle histerezis eğrisi ortaya çıkar ve koordinat sisteminin
apsisinde manyetik alan (H), ordinatında analiz edilen malzemenin bağıl uzunluk değişimi gösterilirse, devirli mıknatıslanmada manyetostriktif kelebek biçiminde bir eğri
oluşturur ve bu eğriye manyetosriktif histerezis eğrisi denir. Manyetosriktif manyetik
alanın yönüne bağlı olduğu durumda onun histerezis eğrisi manyetik histerezis eğrisiyle aynı şekildedir. Bu durum söz konusu olmadığı için, (III.) bölgede bulunan eğrinin
bölümü (I.) birinci bölgeye eşleşir.
Resim 5.5 Kelebek şeklinde mantetostriktif eğrisi
Manyetostritif ilk önce ultrason elde etmek için kullanılmıştır. Ultrason önceden
piezoelektrik kristalleri (kuars) osilasyonu ile elde edilirdi. Onların dezavantajı büyük
amplitüdlerle osilasyon yetersizliğidir, çünkü kristal dağılabilir. Bunun yanısıra frekan,
kristalin boyutlarına bağlıdır.
124
125
Manyetostriktif en çok yardımıyla, deniz ve okyanuslarda suyun altında bulunan cisimleeri ortaya çıkarmak, derinlikleri ölçmek, balık sürülerini bulmak vb. için sonar yapılmasında uygulanır.
Değişik türden genleşme katsayıları farklı olan eşit iki metal yaprağın kombinasyonuyla yapılan bimetallere benzer şekilde değişik manyetostriktifi olan iki metalin
kombinasyonundan bimetal yapılabilir. Manyetik alanın etkisinde malzemelerin farklı
gerilmelerine neden olur, onunla beraber bimetal’in şekli önemli ölçüde değişir. Manyetostriktif alüminyumu lehimlemekte ve aynı şekilde kayaların kalınlığını ölçmekte ve
duvarlarda kusurları tespit etmekte uygulanır.
5.4. YUMUŞAK MANYETİK MALZEMELER
Yumuşak manyetik malzemeler olarak demir ve onun bazı alaşımları (Fe-Si, Fe-Ni
v b.), bazı feritler (Ni-Zi, Mg-Zn-feritler vb.) ve bazı amorf malzemeler (FexBySi1-x-y alaşımları vb.) yer almaktadır.
Küçük alanlı dikey histerezis eğrisi olduğu için onlar çok çabuk mıknatıslanma ve
mıknatıssızlaşma oluyorlar. Bu malzemelerin küçük koersitif alanı (Hc) ve büyük kalıcı
indüksiyonu (Br), büyük maksimum bağıl geçirgenlik (μrm) ve küçük histerezis kayıpları
vardır. Fuko kayıpların azalması ve malzemelerin öz direnci (p) büyük olması gerektiği için bu nedenden dolayı transformatör ve elektrik makineleri çekirdekleri, manyetik
bellekler ve benzeri üretiminde bu malzemeler kullanılır. Tabela 5.2 de yumuşak manyetik malzemelerin önemli temsilcilerinin alınan parametrelerinin yaklaşık değerleri
verilmiştir.
En iyi manyetik özellikleri mono kristal saf demir vardır, fakat seri teknolojik uygulama için pratik değildir. Polikristal demirin çok daha zayıf özellikleri olduğundan dolayı,
önce silisyum (Fe-Si alaşımı, %0,1÷%5 Si) ve nikel (Fe-Si alaşımı, %80 kadar) alaşımlama
yapılması gerekir.
Demir ve Silisyum alaşımları (Fe-Si) çok ucuz ve iyi özellikleri olan ve bundan dolayı transformatör ve elektrik makineleri saçları yapmak için en çok kullanılan malzemelerdir. Silisyumlu alaşımların demire göre birkaç defa daha az fuko kayıpları vardır.
Demir ve Nikel alaşımların (Fe-Ni veya Ferro Nikel alaşımları) çok büyük μr ve çok
küçük Hc olan malzemelerdir. Bu alaşımların bir özel kalitesi, bilgisayar teknolojisinde,
elektroteknik ve haberleşmede kullanılmasında önemli olan, küçük manyetik alanda
büyük başlangıç manyetik geçirgenliği (μri) olmasıdır.
En tanınmış Fe-Ni alaşımları şu isimlerle karşımıza çıkarlar, permalloy, supermalloy
ve μ-metal. Bu alaşımların en büyük eksikliği mekanik gerilmelere duyarlı oldukları gibi,
fiyatları yüksek (Nikelin pahalı olması) olmasıdır. Dikdörtgen histerisiz döngüsü ve küçük alan bu alaşımların bilgisayar manyetik bellekleri, manyetik güçlendiriciler, darbe
transformatörleri vb. uygulanmasını mümkün kılır.
125
126
Таblo 5.2 Önemli yumuşak manyetik malzemelerin karakteristik parametreleri
ve onların uygulanması
μrm
Bc
(T)
Hc
(A/m)
(m)
Fe - Si
Alaşımı
3.000÷20.000
0,8÷1,2
3÷120
10 ÷10
Fe - Si
Alaşımı
15.000÷1.500.000
0,4÷1
0,2÷30
10 ÷10
Ni-Zn
10÷10.000
0,1÷0,4
16÷1.600
Tkr
(°C)
-7
-6
-
-7
-6
-
6
1÷10
100÷600
Uygulanma
Transformatör
ve dinamo
saçları
Darbe
transformatörleri,
Manyetik
güçlendiriciler
Geniş bant
transformatörler,
güç transformatörleri Q-faktör
yüksek bobinler
(105÷109Hz)
Mn-Zn
feritler
FexBySil-x-y
10.000÷100.000
230.000
0.4
1.2
4÷60
4
-1
10 ÷10
-6
10
100÷200
400
3
6
(10 ÷10 Hz)
bellekler
Güç
transformatörleri
(50Hz÷400Hz),
güç susturucuları,
multivibratörler
Ni-Zn ve Mn-Zn türünden yumuşak feritler demir oksit (Fe2O3- manyetit) ve NiO ve
ZnO, yansıra МnO ve ZnO metal oksitlerin karışımıdır. Seçilen karışımın preslenmesiyle,
ondan sonra uygun ve nispeten yüksek sıcaklıkta sinterleme (küçük parçaları birleştirmek için kullanılan bir yüksek sıcaklık ısıl işlemi) yapılarak, oksit tanelerini kompakt bir
katı kristal – amorf yapıya dönüştürerek üretilirler. Bu malzemelerin, Fe-Si ve Fe-Ni alaşımlarından 106 defa daha büyük öz dirençleri olduğundan dolayı, fuko akımlarından
dolayı çok küçük kayıpları vardır. Nispeten büyük μri varlığından ötürü, elektroteknikte
geniş bantlı transformatörlerin (Ni- Zn için f = 105 den 109 Hz kadar, Mn-Zn feritleri için
103 den 106 Hz kadar) çekirdekleri, mükemmel özellikleri olan bobinler, osilatör ve filtreler ve güç transformatörlerin yapımında uygulanırlar.
Amorf yumuşak manyetik malzemeler demir – bor – silisyum (FexBySi1-x-y) alaşım
türünden olanlar, erimiş kütlelerin genişliği 20 mm ve kalınlığı 20 ile 50 μm aralığında amorf filmler biçiminde hızlı soğutmakla (106°C/s) elde edilirler. Amorf alaşımlar
elde etmek istiyorsak, silisyum oranı %5 silisyum oranı geçmez. Bu alaşımların dağıtım
güç transformatörlerin (50 Hz’ lik) yapımında Fe-Si alaşımları yerine geniş kullanımı ve
önemli ölçüde enerji tasarrufu ile sonuçlanması beklenmektedir. Şimdilik manyeto ölçüm tekniğinde, sensorlar ve dönüştürücüler yapmak için kullanılırlar.
126
127
5.5. BOBİNLER, ТRANSFORMATÖRLER VE RÖLELER
5.5.1. BOBİNLER
Bobinleri nüveli (çekirdekli) ve nüvesiz olarak ayırabiliriz. İletken sargının biçimine
göre bobinler, döngüsü olmayan yoğun, döngülü, tek katmanlı ve çok katmanlı, basılı
ince katmanlı spiraller veya izolasyon tabanlı kalın katmanlı çip-bobinler olarak yapılırlar (resim 5.6).
Resim 5.6 Çeşitli tür hava nüve bobinleri
Nüvesiz bobinler manyetik olmayan ve dielektrik geçirgenliği ile kayıplar açısının
tanjantı minimum olan malzemenin bobin gövdesine sarılmasıyla yapılmaktadır (bobinin yeterince küçük parazit kapasitesi ve yeterince büyük kalite faktörü, yani Q-faktörü
olduğunda). Bobin gövdeleri yapımında en çok kullanılan malzemeler plastik (polistiren, fenoplast vb.) veya seramik (steatit vb.).
Tek katlı bobinler, oda sıcaklığında gerilmiş teli (iplik) veya soğutulduktan sonra
gövdeye sıkıca yapışacak kızgın ısıtılmış teli katlamakla yapılır. Çok katlı bobinler daha
büyük indüktans değerleri elde etmek için kullanılır. Bobin ve transformatörlerin sarılmasında en çok lake bakır teli kullanılır.
İndüktansı büyüterek, bobinlerin boyutlarının küçülmesi mümkündür. Bu, nüvesi
ferromanyetik veya ferrimanyetik yumuşak manyetik malzemelerinden yapılan bobinlerde elde edilir. Yapılarına göre, nüveler açık, yarım kapalı ve kapalı olabilirler.
Açık çekirdeklerin kısa ya da uzun silindirik bobinleri vardır. Çünkü onlarda manyetik
akı (manyetik flux) bir bölümüyle havadan geçtiği için, manyetik kayıplardan kaçınmak
için zırh ile korunması gerekir. Yarı kapalı türünden sarılı nüveli bobinlerde küçük kayıplar elde edilir.
127
128
Torus şeklinde veya zincirler biçiminde kapalı tip nüveler malzemelerin manyetik
özelliklerinin en iyi kullanımını sağlamaktadır. Resim 5.7 birkaç tip ferrit manyetik nüve
gösterilmiştir.
Manyetik nüvelerin sargılarında alternatif akımın frekansları artmasıyla, fuko akımlarından dolayı kayıpların artması sebebiyle nüvenin sınırlı frekansı vardır. Yüksek frekansların en iyi özellikleri yumuşak manyetoferritlerin (800 MHz kadar Ni-Zn ferritlerin ve 1 MHz kadar Mn-Zn ferritleri) vardır, fakat bunların düşük çalışma sıcaklıkları
(100°C kadar), ancak manyetodielektriklerin büyük kayıpları olduğu için çok nadiren
kullanılırlar.
Resim 5.7 Farklı biçim ve büyüklüklerde Ferrit nüveleri
Şebeke frekanslarında (50Hz) bobinlerin nüveleri (susturucular) Fe-Si alaşımlarından
farklı kalınlıkta ve bileşimde profil sacdan yapılmaktadır. Sıcak haddelenmiş Fe-Si saclarda kayıplar Si ile ters orantılıdır. Fe-Si saçların kalınlığı 0.35 i l e 0.5 mm arasındadır.
Son zamanlarda dağıtım transformatörlerinde ve bobinlerinde kalınlığı 20 ve 50 μm
olan amorf filmlerinden (FexBySi1-x-y) yapılan nüveler konuşulmaktadır. Bu nüvelerin kayıpları daha küçük frekanslarda Fe-Si saclarına göre daha azdır ve daha büyük frekanslarda da kullanılabilirler.
Fe-Ni alaşım saçları daha nadiren kullanılırlar (nikelin fiyatı yüksek olduğu için), yani
bu alaşımlar sadece özel cihazlarda, manyetik nüvelerin kayıpları çok küçük olması gerektiğinde kullanılırlar.
Çip-bobinler çok katmanlı şekilde, ferrit nüvenin ve sarımların serigrafi baskı ve ortak sinterlemeyle yapılır. İletken macunu Pd veya Mo tabanlıdır. Çip –bobinler 10nH
ile 2.2 mH indüktans için yapılırlar ve frekans bandı geniş (1MHz - 1 GHz) aralığında
kullanılır.
Çip transformatörler de benzer şekilde üretilirler.
128
129
5.5.2. TRANSFORMATÖRLER
Transformatörlerde, primer ve sekonder sargı arasında indüktif bağın mümkün olduğu kadar güçlü olması gerektiği için sadece manyetik çekirdekler kullanılır. Çalışma
frekansına bağlı olarak, bobinlerde olduğu gibi aynı tür manyetik çekirdekler kullanılır.
Çok yüksek frekanslarda ferrit çekirdekler, şebeke frekanslarında ise Fe-Si alaşımlı
profil sac çekirdekleri kullanılır. Bu sacların kalınlıkları en çok 0.35 ve 0.5 mm arasındadır.
Resim 5.8 Ferrit çekirdekli transformatörlerin değişik türleri gösterilmiştir.
Resim 5.8 Ferrit çekirdekli transformatörlerin değişik türleri
Manyetik çekirdekleri için malzeme seçimi transformatörlerin çalışma frekansına
bağlıdır. Susturucular (yüksek indüktans bobinler) şebeke transformatörleri gibi hesaplanır ve tasarlanırlar, ancak susturucuların uçlarında gerilim küçük olduğu için onların
manyetik indüktansı da küçük (~ 0,5 T) olacağı göz önünde bulundurmak gerekir. Bu
nedenden dolayı kayıplar çoğu zaman göz ardı edilir.
5.5.3. RÖLELER
Röleler, çalışma modunu kontrol etmek, uzaktan kumanda, otomatik koruma, ve
sinyalizasyon amaçlı kontrol sinyalin etkisiyle elektrik devrelerini açıp kapatan bileşenlerdir. Tüm rölelerin ortаk özelliği, elektromıknatısın manyetik kuvveti etkisinden bazı
kontakların veya grup kontakların elekromekanik bağlantılarıdır.
129
130
Röleler genel olarak elektromanyetik röleler ve hermetik kapalı kontaklı röleler (reed
röleler) olarak ayrılırlar.
Elektromanyetik rölelerde elektromıknatıs etkisiyle nispeten ağır olan manyetik çapalar hareket eder. Doğru ve alternatif akımıyla çalışan röleler vardır. Daha düşük kontak direnci ve sağlam temas oluşturmaları olmak üzere rölelerin rölünde kontakların
ayrıca önemi büyüktür. Kontaklar yapımında Аg, Au, Pd, Pt, Ir, W, Mo malzemeleri ve
onların alaşımları kullanılır.
Resim 5.9 birkaç tür elektromanyetik rölelerin diş görünüşü gösterilmiştir.
Resim 5.9 Farklı tip röleler
Küçük bir cam tüp içinde asal gaz konarak minik bir kontakt olan röleler vardır. Ortam asal gaz olduğu için oksitlenme ve korozyondan etkilenmez. Bu rölelerde mekanik
hareket minimum seviyededir (10÷100μ) ve büyük akımlarda kontakların kaynak olmamasını engellemek için, ferromanyetik yayın rodyumla (Rh) kaplı uçlarının hareketli
olması sağlanır. Bu röleler çok hızlı ve uzun kullanım ömürleri vardır (108 cıvarında açma
kapamaya dayanıklıdırlar). Genellikle elektrik devrelerine bağlamak için yaldızlı teller
çıkan delikleri epoksi reçine ile kapatılmış plastik bir muhafaza içine yerleştirilirler.
5.6. KATI MANYETİK MALZEMELER
Katı manyetik malzemeler arasında şu malzemeler sayılırlar: demirin bazı ferromanyetik alaşımları (çelik, Al, Ni, Co vb. alaşımları), bazı ferritler (baryum ve stronsiyum
Ferit), domaini taneciklı olan malzemeler vb.
130
131
Geniş bir alana sahip eğik histerezis eğrisi olduğundan, bunlar büyük koersitif alanı,
küçük artık indükleme ve büyük enerji çarpımı (B·H) ile karakterize edilir. Bu nedenle,
genel olarak kalıcı mıknatıslar yapmak için kullanılırlar, silindirik domainleri olan malzemeler, nükleer radyasyona karşı çok dayanıklı oldukları için manyetik mikro elektronikte kullanılırlar. Tablo 5.3 en önemli katı manyetik malzemelerin söz konusu olan
parametrelerin tahmini değerleri verilmiştir, resim 5.10 de bu malzemelerin mıknatıssızlaşma eğrisi (II. bölge) gösterilmiştir.
Таblo 5.3. Bazı tür katı manyetik malzemelerin önemli özellikleri
Özellikler
Manyetik
Malzemeler
Br (T)
AlNiCo Alaşımı 0,5÷1,4
Hc (A/m)
(BH)max
(kJ/m3)
Tkr (°C)
Uygulama
50.000÷
100.000
10÷60
750÷900
Daimi mıknatıslar
(Ölçüm tekniği,
nispeten pahalı)
Ba- Ferrit
0,1÷0,4
80.000÷
250.000
3÷30
450
Bellekler, daimi
mıknatıslar
(oto endüstrisi,
mikrofonlar, ucuz)
Sr- Ferrit
0,3÷0,4
300.000
25÷30
450
Daha pahalı
SmCO5
1,1
1.000.000
240
725
Minyatür
mıknatıslar
(elektroteknik,
ölçüm tekniği,
otomatik, uçak
endüstrisi, HI-FI)
SmCO17
1,4
500.000
290
920
Çok pahalı,
paslanmaya
duyarlı
300
Daha ucuz, daha
iyi mekanik
özellikleri,
paslanmaya
duyarlı
NdxFeyBl-x-y
1,2
1.000.000
300
En eski katı malzemeler grubunu, içinde önemli ölçüde karbon ihtiva eden ve karbon
çelik de denilen (0,8-1,5%), W, Cr ve Co alaşımlı çelikler oluşturur. Ancak, Al, Ni, Co ya da
C u ile alaşımlı, az karbonu olan (%0,03 den az) çeliklerin büyük enerji çarpımı vardır,
bundan dolayı ticari isimleri: AlNi, AlNiCo, AlNiCoCu, bazen sadece AlNiCo alaşımlarıdır.
131
132
AlNiCo alaşımları yaklaşık %50 demir içeren, diğer katkı maddeleri: Al, Ni, Co, küçük
karbon ilavesiyle olan alaşımlardır. Bu alaşımlar nispeten pahalı fakat manyetik özellikleri çok iyi olan malzemelerdir. Bunlar oldukça sert zımparalamakla işlenmektedirler.
Ölçüm tekniğinde kullanılan sürekli mıknatısların yapımında uygulanırlar.
Resim 5.10 Birkaç katı manyetik malzemenin mıknatıssızlaşma eğrisi
Katı ferritler Ba ve Sr tipi ferritlerin demir oksit (Fe2O3) ve BaO metal oksit veya
SrO karışımıdır. Bunlar yumuşak ferritler gibi yapılır, ancak seçilen karışımlar, güçlü bir
manyetik alanda sinterlemeyle preslenir. Bunların manyetik özellikleri AlNiCo alaşımlarından daha zayıf olmasına rağmen (sadece Hc birkaç kez daha fazladır), daha düşük
fiyatlar nedeniyle daha fazla kullanılır. Mikrofonlar ve oto motor marşlarının statorlarını
yapmak için kullanılır.
Son 10 yıldır nadir elementlerin (Sm, Nd v b .) ile Co ve Fe bileşikleri ve alaşımlarıyla büyük bir grup katı manyetik malzemeler geliştirilmiştir. Bu malzemelerin AlNiCo
alaşımları ve katı ferritler gibi klasik malzemelerin özelliklerini aşan manyetik özellikleri
vardır. Şimdiye kadar en çok uygulanan bileşikler SmCo5 v e Sm2Co17. Bu bileşikler nadir
bulunan element samaryum (Sm) barındırdıkları için çok pahalıdırlar. Son zamanlarda
Sm yerine önemli ölçüde ucuz olan neodimyum (Nd) değiştirilerek NdxFeyB1-x-y alaşımı
yapılmıştır. Neodimyum alaşımların Sm-Co göre avantajı darbelere karşı daha dayanıklı olmaları, eksiklikleri ise kritik sıcaklıkların düşük olmasıdır. Ortak dezavantajları ise
paslanmaya karşı dayanıksız olmalarıdır. Bu nedenden dolayı bu malzemeler boyayla
kaplanmaktadır. Bu malzemeler ucuz olduğundan dolayı, özellikle Nd-Fe-B alaşımları,
elektronikte minyatür ve güçlü mıknatıslar, ölçme tekniği, HI-FI cihazları, otomatik, uçak
ve uzay endüstrisinde vb. alanlarda geniş kapsamlı kullanılması beklenmektedir.
Özellikle manyetik malzemeler için ilginç bir sınıf olan kabarcık domainli malzemelerdir. Bunların kristal yapısı (ortoferritler. Onlar kristal yapılı (ortofferitler, garnet ve
heksaferritler) veya amorf yapılı olabilirler.
132
133
Ticari olarak, yaygın kullanılan bu tip malzemeler, garnetler sınıfına düşen ve genel
formülü (RE)3Fe2(FeO4)3 olan, nadir element rolünde itriyum (Y) olan YIG’ dir. YIG ince
monokristal bir tabaka biçiminde LPE (sıvı faz epitaksi) yöntemiyle Gd3Ga5O12 monokristal mıknatıs olmayan yüzeye sürmekle (aynı tip kristal yapı), silindirik domainlerin
çapı yaklaşık 0,5 μm elde edilir. Heksaferritlerin daha küçük domainleri, yaklaşık 0,3 μm,
katı amorf manyetik filmlerin, en önemlisi (Gd1-xCox)1- yMoy, 0,1 μm den küçük domainleri vardır. Bunlar pahalı monokristal yüzeyler kullanmadıkları için daha ucuzdurlar. Nükleer radyasyona son derece duyarsız olan, kabarcık domainli malzemelerin manyetik
mikroelektronikte uygulanmasını aşağıdaki metinde ele alacağız.
5.7. МАNYETİK MİKROELEKTRONİK
5.7.1. МАNYETİK BELLEKLER
Elektronik ve bilgisayar teknolojisinde manyetik bellekler (sabit diskler, disketler,
manyetik bant birimleri vb.) yapımında manyetik malzemeler kullanılır. Bu amaca en
uygun, küçük alanlı dar histerezis eğrisi olan, demir oksitlere benzer yumuşak manyetik malzemelerdir. Ancak son zamanlarda özel domain yapısından ve girilen verilerin
daha uzun zaman kalıcı olmasından dolayı, bazı katı manyetik malzemeler (Ba-ferritler,
Co-ferritler ve MMD-malzemeler) kullanılmaktadır.
Manyetik disklerde bilgilerin kayıt ve okunması yumuşak manyetik bazında olan FeNi alaşımı (permaloy ve benzeri) ve elektromanyetik indüksiyon prensibine daylı çalışan manyetik kafa ile yapılır.
Маnyetik diskler manyetik olmayan alüminyum disklerin üzerine manyetik tabaka
uygulanarak yapılır. Маnyetik tabaka küçük manyetik parçaların polimer kütlesi içine
daldırılarak hazırlanır. Bu tabaka elektro-manyetik kafanın manyetik alanı değişimiyle, domainlerin hızlı rotasyonu sağlanır. Ses ve video kasetlerin bantları polimer şeritin
manyetik parçacıklarından yapılır.
Yukarıda tarif edilen bellek diskler yavaş çalışırlar (~10 ms), çünkü diskin mekanik
rotasyonuyla erişim sağlanır. Bu diskler çok pahalı yazma - okuma mekanizması gerektirir ve sadece büyük belleklerde ekonomik olabilir. Örnek olarak 2000 yıllarının sonuna
kadar veri saklama aracı olarak öyle denilen 1,44 MB kapasiteli yumuşak diskler kullanılırdı. Bugün bunlar kullanımdan tamamen atılmış ve yaygın olarak EEPROM bellekler
ile değiştirilmiştir. Sabit diskler söz konusu olunca, 20 yıl önce kapasiteleri birkaç MB
geçmediğini vurgulamak gerekir. Buna karşılık, bugünün mevcut sabit diskleri yüz MB
başlayarak 1 TB (terabyte) kadar kapasiteye sahiptirler.
Erişim süresinin azaltılması, manyetik ortamın silindirik domain yapısı olan kabarcık
içeren belleklerle sağlanmıştır. Resim 5.11 sürekli polarize manyetik alana (Hp) göre ters
yönde güçlü manyetik alanın verilmesiyle, plakanın büyük bölümüne göre ters yöne
mıknatıslanmış birkaç silindirik domain gösterilmiştir (taranmış bölüm).
133
134
Manyetik kabarcıkların dağılması ters yönde süreçle mümkündür. Malzeme düzleminde ters yönlü manyetik alan
(~ 100kHz÷1MHz frekans) oluşturarak, manyetik
kabarcıklar, manyetik malzemenin ince tabakasında kontrollü bir şekilde hareket edebilirler. Bu alan durdurulabilir, ondan sonra ters yöne dönerek erişim geleneksel dışsal
manyetik birimlere göre daha kısa zamanda (~5ms) gerçekleşir.
Bellek verilerinin okunması (manyetik taneciğin varlığı 1, yokluğu ise 0) tanecikli bellek yongasının parçası olan manyetik filmin üzerinde bulunan dayanıklı manyetik bantların direncinin değişimiyle elektronik olarak kaydedilir.
Resim 5.11 Tanecikli (silindirik) manyetik domainlerin şematik gösterilişi
5.7.2. MANTIK DEVRELERİ
Kabarcıklı manyetik domainleri olan mantık devreleri (MMD mantık devreleri), kendi manyetik kanallarında hareket eden iki manyetik domainin manyetik etkileşimlerine
dayanır. Etkileşim iki kanalın kesişme noktasında ya da kanalların yaklaştığı yerde gerçekleşir. Burada permalloy V- manyetik kanallı (devrenin ortasında yaklaşan) litografik
manyetik tabakaya kazınmış VE- VEYA türü devreleri açıklanacaktır.
V- manyetik kanallar permalloy’dan (Fe-Ni alaşımı) yapılır, çünkü onun son derece
yüksek maksimum bağıl manyetik geçirgenliği (μrm ~106) ve kabarcık manyetik domainli plakalarda büyük manyetik çekim kuvveti göstermektedirler. Permalloy katmanları
ve MMD tabanları kalınlıkları ~1μm dir.
İki kabarcıklı domainin (döner manyetik alan tarafından permalloy V- manyetik kanalı boyunca sürülen) aynı zamanda X ve Y kanalları boyunca hareket etmeli durumda,
yaklaştıkları noktada birbirini ittikleri için onlar kendi kanallarında kalacak ve Fx ve Fy çıkışlarına devam edecekler. Alt kanalda domain varlığı, üstte boşluk yolculuk etmesi durumda Fx ve Fy çıkışlarında sırasıyla 0 ve 1 görünür. Eğer domain üst kanalda, boşluk alt
kanalda yolculuk ederse, etkileşim noktasında daha yoğun V-tipi permalloy elementleri
tarafından çekildiği için üstteki domain alt kanala geçer.
134
135
Her iki kanalda boşluk yolculuk ettiğinde, boşluklar çıkışlarda da görünecektir. Domainin varlığı mantıksal 1(bir), yokluğu mantıksal 0 (sıfır) olarak alındığında Tablo 5.4
elde edilir. Bu tabloda farklı girişler (X ve Y) için Fx çıkışı VE işlevini Fy çıkışı ise VEYA işlevini yapar.
Таblo 5.4 MMD de VE ve VEYA mantık devrelerini giriş ve çıkış durumları tablosu
X
Y
FX(I)
FY(ILI)
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
Bileşik mantık fonksiyonlarını gerçekleştirmek için üç ya da fazla kanalın etkileşiminden yararlanmak mümkündür.
MMD mantık devrelerin avantajları mantık 1 ve 0 iyice ayrılması, elektriksiz etkileşim
yüzünden düşük israf (elektrik sadece domaini hareket ettirmek için döner manyetik
alan
oluşturmak için harcanır), nükleer radyasyona karşı dirençli, döner manyetik
alanın sonlanmasından sonra verilerin korunması vb. Ayrıca, bunlar MMD devreleriyle
aynı çip üzerine entegre edilebilir ve mikro elektronikte yarıiletken elemanı ile bağlanabilirler.
135
136
TEKRARLAMA SORULARI
5.1. Manyetik malzemelerde manyetik alan neye bağlıdır?
5.2. Manyetik malzemelerin en önemli parametreleri hangileridir?
5.3. Manyetik histerisiz nedir?
5.4. Manyetostriktif nedir ve uygulanması nelerdir?
5.5. Yumuşak manyetik malzemelerin özellikleri nedir?
5.6. Saf monokristal demirin manyetik özelliklerinin geliştirilme yolu nedir?
5.7. Malzemelerin manyetik özelliklerine sıcaklığın etkisi nedir?
5.8. Bobin çeşitleri hangileridir?
5.9. Yüksek frekanslı transformatörlerin çekirdekleri hangi malzemeden yapılır?
5.10. Katı manyetik malzemelerin özellikleri nelerdir?
5.11. Manyetik malzemelerin bilgisayar tekniğinde uygulanması nedir?
136
Ek A.
Devre plakların
hazırlanması
Bu ek çalışmada amatör şartlar altında devre plakların elde edilme yöntemleri
işlenecektir
  Malzeme seçimi
  Güçlü mıknatıslanma mekanizması
 
Bakır yüzeyin temizlenmesi
 
İletim hatlarını oluşturan bakır iletkenlerin kaplanması
 
Gereksiz bakırın yüzeyden temizlenmesi
 
Bakır yüzeyin koruma tabakasının kaldırılması
 
Elemanların yerlerinin hazırlanması
 
Hazır haldeki PCB plakanın korunması ve final işlemleri
DEVRE PLAKLARIN HAZIRLANMASI
139
A.1. GİRİŞ
Baskı devre plakası veya kartı (BDP) (ing. Printed Circuit Board – PCB) dendiğinde birkaç milimetre kalınlığında plastik maddeden yapılmış ince bir plak düşünülmektedir.
Bu plakın bir tarafındaki veya her iki tarafındaki yüzeyi tamamen ince bakır bir tabaka
ile kaplıdır. Bakır tabakası bir veya birden fazla katmandan oluşabilir bu katmanların bir
veya daha fazlası iç katmandır fakat bu tür yapılar sadece özel makineler ile işlenebilmektedirler. Plakın bir tarafına elektronik elemanlar dizilir, bu elemanlar aralarında plakanın diğer tarafında bulunan bakır iletkenlerin lehimlenmesi ile bağlanmaktadırlar. Bu
bağlantılar aracılığı ile daha sonra pratiksel anlamda kullanılması gereken devre şeması
icra edilmiş olunur. Elemanlar arası oluşturulan bağlantıları sağlayan iletkenler, farklı
kalınlık ve şekillerden oluşan ince bakır tabakadan oluşur. (Şekil. А-1)
Şekil. А-1 Baskı tarafı (bakır folyo)ve
elemanlar tarafından işlenmiş devre şeması
görüntüsü
Şekil. А-2 PCB devrenin lehimlenmiş
elemanları ile son şekli
PCB plaklar elle veya makine yardımı ile yapılabilir. Bu ekte bu plakların el yardımı ile
yapıldıklarında uygulanan temel teknikler ve izlenen adımlar açıklanacaktır. Bu plakların el yardımı ile yapımı, daha çok elektroniği hobi olarak kullanan amatörler tarafından
uygulanır, bazen profesyoneller de prototip uygulamalar için bu yöntemi izleyebilir.
Prototipler ilk defa uygulanacakları için onların çalışmasını ve doğruluğunu test etmek
için elle uygulama yöntemi tercih edilmektedir. Makine uygulaması genelde çok sayıda
PCB plakanın üretilmesi veya seri üretimin yapılması gerektiğinde uygulanır.
А.2. ÇALIŞMA MALZEMESİNİN SEÇİMİ
Her şeyden önce oluşturacağımız PCB plak için gerekli olan uygun malzeme seçimini yapmalıyız daha sonra onun yapım aşamasına geçebiliriz. Uygulama için pertinaks
veya vitroplast plaklar seçebiliriz.
139
140
Pertinaks genelde prototip ve hobi uygulamalar için kullanılır, fakat daha kaliteli ve
profesyonel uygulamalar için kesinlikle daha pahalı olan vitroplast plaklar seçilmelidir.
Vitroplast şeffaf görüntü bakımından perinaksa göre farklılık göstermektedir. Pertinaks
kahverengi ve şeffaf değilken, vitroplast plaka bakır tabakasını kaldırdığınızda şeffaf
olduğu fark edilir.
А.3. BASKI PLAKANIN KESİLMESİ
PCB baskı devresini uygulanmasına geçmeden önce, uygulanacak olan elektrik devresinin elektrik şeması ile beraber montaj edilecek olan şemanın da baskısı hazır olması
gerekmektedir. Bu amaçla “EAGLE” ismindeki uygulama programının kullanabiliriz. Bu
uygulama sunduğu mükemmel imkanlarla beraber, basit bir ara yüze sahip ve yaygın
kullanılan her üç işletim sistemi (Linux, Windows ve MacOS) ile de uyumlu çalışmaktadır. Bunun dışında, bu uygulama eğitim ve hobi amaçlı kullanım için ücretsizdir ve
sırada bağlantı adresi verilen WEB sitesinden indirilebilir. http://www.cadsoftusa.com/
download.htm (CadSoft Computer ABD üretici şirketi WEB sitesi adresi)
Pertinaks malzemesinin çok sert olduğunu göz önünde bulundurarak baskı devresi
kesme işlemi sırasında istemediğimiz bir yerden patlamaması için çok dikkatli olmalıyız.
Her şeyden önce alkollü işaretleyici (marker) ile baskı devresine uygun olarak kesilmesi
istenen bölge kare veya dikdörtgen şeklinde işaretlenir, bunun kullanacağımı parçanın
(PCB baskı devesinin) sınırlarını belirlemiş oluruz. İşi sağlam almak adına plakayı kestiğimizde onu bir yere sabitlememiz gerekir, çünkü kesme işlemini yapacağımız sırada
hareket etmesi halinde kullanacağımız bölgeyi keserek plakaya zarar verebiliri. Kesme
yapmak için birkaç farklı yöntem kullanılır, fakat her durumda daha önceden işaretlediğimiz çerçeveye dikkat etmeliyiz.
Demir testeresi kullandığımızda çerçeve çizgilerini takip ederek basit bir şekilde kesme işlemi yaparız. Eğer maket bıçağı kullanacaksak o zaman çizdiğimiz çerçeve üzerinden bıçakla birkaç defa geçtikten sonra dikkatli bir şekilde plakayı kestiğimiz yerlerde
kırarak ayırırız. Kesme işlemi için ayrıca saç makasları ve dairesel testereler kullanabiliriz. Eğer makas kullanacaksak o zaman plaka kıyılarının bükülmemeleri için dikkatli
olmalıyız, dairesel testere kullanırken çok büyük dönme hızları olduğundan kaza ile
yaralanmamız söz konusu olabilmektedir. Her durumda kestiğimiz PCB plakasının kenarlarını törpü veya zımpara kağıdı kullanarak temizlememiz gerekecektir.
А.4. BAKIR YÜZEYİNİN TEMİZLENMESİ
Eğer bakır parmaklar ile tuttuğumuzdan dolayı yağlanmış ise veya oksidasyona uğramış ise o zaman daha sonradan baskısı oluşturulan plakta kalan bakır yüzeyin tertemiz olması gerekir. Oksidasyon temizliği yapmak için ince zımpara kağıdı, bulaşık
temizleme teli veya cif gibi abrasif temizleyiciler kullanılabilir. Yağları temizlemek için
herhangi bir deterjan veya alkol kullanılabilir. Her durumda PCB plaka tertemiz olmak
zorundadır.
140
141
А.5. İLETKEN BAĞLANTILARIN ÖRTÜLMESİ
Bakır yüzeyi ve lehimleme noktaları ile element bacakları arasındaki iletken bağlantıların korozyona karşı korunmaları için onların örtünmesi gerekir. Bu bağlantılar çok
önemlidir, çünkü bu bağlantılar sayesinde elemanlar arası bağlantı oluşturulur ve tasarladığımız devre bu elemanların çalışması ile gerçekleşmiş olur. Pratik uygulamalarda
aşağıda sayacağımız teknikler kullanılmaktadır.
Aşağıda saydığımız tekniklerin hepsinde önce lehim yapacağımız tüm noktalar (lehim yapılacak yer) işaretlememiz gerekecek böylelikle bağlantı hatlarının nasıl ve nereden çekileceği belli olmuş olacak. Bu bağlantı hatları belli olduktan sonra plaka üzerin
çizim yaparız. Bundan sonra ikinci adıma olan delme işlemine geçeriz. Lehim yapılacak
olan noktaları ve orada oluşturulacak bağlantı hatlarını işaretlemek için yani bakırdan
oluşan hatları oluşturmak için plak üzerinde devre şemasında olduğu gibi çizmemiz
gerekir. Bunu yapmak için en kolay yöntem devre şemasını ilk önce bir kağıt üzerine
çıkartırız daha sonra bu kağıt parçasını daha önceden kestiğimiz ve elemanları monte
edeceğimiz PCB plaka üzerine yapıştırırız (PCB plakanın bakır tarafı üzerine). Daha sonra özel baskı devre kalemi (punch) ile lehimlenecek olan noktalar oluşturulur, kağıdı
uzaklaştırırız ve plaka üzerinde gereken çizim yapılır. Bu işlemi yaparken sıradaki aletler
kullanılabilir:
 İşaretleyici (Marker): Bu yöntem, görüntünü fazla bir önemi olmadığı durumlarda en hızlı yöntemlerden biridir, fakat bağlantı hatları ve lehimleme noktaları estetik görünmeyecektir. Eğer bağlantı hatların daha düzgün gözükmelerini istiyorsak cetvel kullanarak daha iyi görünmelerini sağlayabiliriz. Asitlere
dayanıklı olan farklı kalınlıklarda işaretleyici (marker) kullanmamız gerekir. Bu
amaçla genelde alkol işaretleyiciler olarak adlandırılanlar kullanılır. Fakat her
bir işaretleyici kimyasallara karşı aynı dayanıklığı göstermeyebilir, bu yüzden
daha kaliteli firmaların ürettiği (örneğin EDDING) işaretleyicilerin kullanılması
tasfiye edilir.
 Oje: İşaretleyici yerine oje kullanabilirsiniz. Oje aşınmaya karşı daha dayanıklıdır fakat yapılan işlem estetik görünmeyebilir.
 Yapışkan bant: PCB plakların ilk işaretleme tekniklerinden biri üzerine yapışkan bantlar kullanarak bağlantıların oluşturulması idi. Yapışkan bant kullanırken dikkat edilmesi gereken şey, daha sonra içine kimyasalların kaçmaması içi
onun iyice bastırılarak yapışması gerekir. Bu tekniği geniş bağlantı hatların yapımında veya büyük yüzeyler üzerinde işlem yaparken kullanabiliriz.
 Letraset: Letraset özel bir işaretleyicidir (yapışkan) ve özellikle PCB plakların
yapımında kullanılırlar. Farklı şekil, kalınlık ve boyutlarda üretilirler. Yapışkanlar
normal bir şekilde plakanın bakır yüzeyine yapıştırılırlar ev her hangi bir cisimle
üzerlerine baskı uygulanır. Bu teknik için birazcık zaman gerekebilir fakat elde
edilen sonuçlar mükemmele yakındır.
141
142
Aşağıdaki resimlerde gösterilen uygulama teknikleri için, daha sonra oryantasyon
açısından bazı referans (sınır) noktalarını belirtmemiz gerekmektedir. Eğer kullandığımız plaka iki katmanlı PCB ise kesinlikle işleme geçmeden önce referans noktaları oluşturmamız gerekmektedir.
 Folyo veya kağıt: Laser yazıcılarda, en az 600 dpi baskı çözünürlüğünde, ve
özel sıcaklığa dayanıklı folyo üzerine uygulayacağımız devrenin şeması basılabilir (PCB üzerine monte edeceğimiz şekil). İki farklı şeffaf folyonun mevcut olduğunu belirtmeliyiz: Biriler fotokopi makinelerinde kullanılırlar ve daha düşük
sıcaklıklarda çalışırlar, laser yazıcılarda kullanılan şeffaf folyolar daha yüksek sıcaklıklara dayanıklıdırlar. Ayrıca folyo kağıt da kullanılabilir (ing. glossy photo
paper).
Şekil А-3 Basılmış devre şeması
Şekil А-5 Baskı devresi üzerine devre
şemasının sabitlenmiş hali
Şekil. А-4 devre şeması ile folyonun
uygulanması
Şekil А-6 Taşınabilir montaj şemalı PCB
(bağlantılar toner kullanılarak yapılmıştır)
PCB’yı elektrikli ocak üzerinde ısıttıktan sonra üzerine folyoyu yerleştiririz, sabitleriz
ve üzerine kauçuk veya plastikte her hangi bir cisimle (örneğin plastik presleme rulosu)
baskı uygularız. Bu şekilde folyo üzerindeki toneri (boyayı) PCB plakanın bakır yüzeyi
üzerine aktarmış oluruz. Eğer basınç uygulamak için ütü (buharsız ütü) kullanırsak daha
142
143
iyi sonuçlar elde ederiz. Ütü en fazla 5 6 dakika önceden ısıtılmalıdır. Bu teknik mükemmel sonuçlar verir, fakat alışmak için biraz zamana gerek vardır.
Ütüyü uyguladıktan sonra folyonun soğuması için 10 15 dakika bekleyebiliriz, daha
sonra onu PCB plak üzerinden çıkarırız. Bir diğer yöntem ise PCB plakayı folyoyla beraber kaynar su içine sokarız bu şekilde folyo kendisi ayrılacaktır..
Şekil А-8 Plastik presleme rulosu
Şekil А-7 Ütü ile devre şemasının aktarılması
Bu teknikte sıcaklığın belirlenmesi ve folyo ile bakır yüzeye devre şemasının aktarılması birazcık problemlidir. Bunun için iyi tecrübeye sahip olmamız gerekir. Tecrübeyi
kazanmamız için bunu defalarca uygulamamız gerekir.
А.6. AŞINDIRMA (BAKIR ERİTME)
Bağlantı noktalarını, iletim hatlarını oluşturup onları koruma altına aldıktan sonra
plaka üzerindeki fazlalık olan bakırı oradan uzaklaştırmamız gerekir. Bu sürece aşındırma veya bakır eritme süreci denir ve sıradaki iki kimyasaldan biri ile yapılır.
 Birincisi ferohlorid (FeCl3) kimyasalıdır ve bu tür maddeler satılan dükkanlardan
iki halde alınabilirler (sıvı halde ve kristal halde). Eğer sıvı halde satın almışsak
baskılı devre plakasını hemen içine sokabiliriz, eğer kristal halde ise o zaman
kullanım kılavuzuna uygun şekilde hareket etmemiz gerekir. PCB plaka boyutlarına uygun plastik derin bir kab içerisine uygulayacağımız plaka batırılır. Bir
çözeltiyi birkaç sefer kullanabiliriz.
 Diğer kimyasal, (HСl) tuz ruhu, hidrojen peroksit (H2O2) ve su kullanılarak elde
edilir. Bu sıvı zehirlidir ve kolayca buharlaşır bu yüzden kullanılacak olan kabın daha derin olması ve pencerelerin açık olması tavsiye edilir (şekil. А-9). Tuz
ruhunu herhangi bir markette, hidrojen peroksit herhangi bir eczanede veya
güzellik salonunda bulunabilir.
143
144
Şekil А-9 Gereksiz olan bakırın temizlenmesi
Bir litre civarında bakır temizleme çözeltisi sıradaki oranlar dikkate alınarak hazırlanır: 770 ml su, 200 ml 35% tuz ruhu ve 30 ml 30% hidrojen peroksit. 35% tuz ruhu bulmak zor olduğu için, su oranını düşürebilir tuz ruhu oranını artırabiliriz. Ayrıca 18% tuz
ruhu ve 30% hidrojen peroksit hiç su katmadan kullanabiliriz. Hidrojen peroksit oranını
reaksiyona bağlı olarak belirleriz. Temizlenecek PCB baskı devreyi kimyasala batırdığımızdan 10 saniye sonra eğer rengi yeşile dönmemiş ise o zaman biraz daha hidrojen
peroksit ekleriz, eğer reaksiyon fazla ise yani köpüklenme var ise o zaman biraz daha
tuz ruhu ekleriz.
А.7. BAKIR ÜZERİNDEKİ KORUMANIN SÜKÜLMESİ
PCB baskı devre plakası hazır olduktan sonra, yani gereksiz olan tüm bakırın temizlenmesinden sonra kalan iletken hatların (daha önce aşınmaktan korumak amacı ile
üzerini örüttüğümüz) temizlenme süreci uygulanması gerekir. Bunu için ilk önce plakayı soğuk su altında iyice durulamamız gerekir. Daha sonra işaretleyicileri temizlemek
için en iyi yöntem %70 oranında alkol içeren aseton (oje temizleyici) kullanmamız gerekir. Yapışkan bandı, letraset veya toner boyasından temizlemek için, su alkol veya tiner
kullanabiliriz. Daha sonra bulaşıkları temizlediğimiz bulaşık süngeri, temizleme bezleri
kullanabiliriz, fakat kesinlikle zımpara kağıdı kullanmayız, çünkü ince olan bağlantı hatlarına zarar verebiliriz.
144
145
А.8. DELME İŞLEMİ
Plaka üzerinde delikler açmak için en kolay yöntem şekil A 10’dan gösterilen sabitlenmiş matkap kullanmaktır. Kullanılan matkap hobi veya profesyonel olabilir. Açılan
deliklerin çapı genelde 0,7 mm ile 1,2 mm arasında olması gerekir, bazen ise daha geniş çaplı 1,5 mm, 2 mm ve 3 mm çapında delikler gerekebilir. Standart ve özel matkap
uçları vardır. Standart matkap uçları pertinaksın delinmesinde, özel matkap uçları ise
vitroplastın delinmesinde kullanılır. Delik açtığımız zaman dikkatli olmalıyız çünkü kullanılan matkap uçları ince ve sert yapılıdırlar, kolayca kırılabilirler. Plakanın bir yer sabitlenmiş olması daha iyidir.
Şekil А-10 Amatör ve profesyonel matkaplar
А.9. FİNAL İŞLEMLERİ VE KORUMA
Final işlemi olarak plaka üzerinde lehimleme yapmada önce yapılması gereken tüm
işlemleri kapsamaktadır. Bu adımda daha önceki adımlar herhangi bir hata veya ihmal
yapılıp yapılmadığı kontrol edilir, örnek olarak delmeyi unuttuğumuz herhangi bir delik veya plakanın kenarlarının düzgün olup olmadığı kontrol edilir. Şekil А-11’de amatör
bir şekilde pertinaks kullanılarak yapılmış PCB plaka gösterilmiştir.
Yaptığımız kontrol sonucunda fark ettiğimiz herhangi bir hatayı veya eksikliği giderdikten sonra elemanları yerleri belirlenir ve işaretlenir ve son adıma geçebiliriz, bu
adımda PCB plakanın kullanım ömrünü arttırmak amacı bakır folyoyu oksidasyondan
korumalıyız. Amatör uygulamaları için en kolay yöntem alkol ve kolofoniyum kullanabiliriz. Bu yöntemle korumanın dışında kalayın eklenmesi daha kolay hale gelecektir, yani
elemanların lehimlenmesi daha kolay olacaktır.
145
146
Şekil A-12’de gösterilen lehimleme işlemi sürekli koruma elde etmek için daha iyi
bir yöntemdir, tabii daha önce alkol ve kolofoniyum sürmemiz gerekir. Uygun ucu olan
lehim aleti kullanarak daha öne açtığımız delik ev iletkenlerin üzerine ince kalay tabaka
ekleriz ve daha önceden sürdüğümüz sıvının taştığı yerleri temizleriz. Bu son işlemden
sonra artık PCB plaka lehimleme yapmaya hazır hale gelmiştir.
Şekil А-11. PCB plakın son hali
Şekil А-12 Bağlantı hatları kalay tabakası ile
korunması
Örnek alıştırma:
Yandaki resimde bir
gitarın ön yükseltecinin montaj ve devre
şemaları verilmiştir ve
elemanlarının yerleşim
yerleri verilmiştir. Bu
devreyi seçmemizin
sebebi maliyetinin düşük olması ve basit bir
uygulama olmasından
dolayıdır.
Montaj şemasının
gerçek büyüklüğü temin edeceğiniz devre
elemanlarına bakarak
belirlemeniz mümkün
olacaktır.
Ayrıca son olarak belirtmemizde gerekir ki daha küçük boyutlu PCB’lerin seri üretimi
için foto tekniği, daha büyük boyutlu olanlar için ise serigrafi tekniği kullanılır.
146
KULLANILAN KAYNAKLAR
1.
D. R. Askeland, The science and Engineering of Materials, PWS – KENT Publ. Co.,
Boston, 1989, 1996.
2.
Kuzmanic, R. Vlašic, I. Vujovic, Elektrotehnicki materijali, Visoka pomorska škola u Splitu,
Split, 2001.
3.
M. M. Ristic, Osnovi nauke o materijalima, Naucna knjiga – Beograd, 1977.
4.
R. Markovic, Poznavanje elektrotehnickih materijala, Naucna knjiga – Beograd,
1981.
5.
S. Ristic, Pasivne elektronske komponente, Naucna knjiga – Beograd, 1989.
6.
SK Bhattacharya, Electrical and Electronic Engineering Materials, Khanna Publishers, New Delhi, 2000
7.
V. Knapp, P. Colic, Uvod u elektricna i magnetska svojstva materijala, Školska knjiga, Zagreb, 1990.
8.
Проспекти на компаниите: Hitachi, Siemens, NEC, TDK, Sony и други.
9.
http://www.uofaweb.ualberta.ca/cme/pdfs/
10. http://www.mikroe.com/eng/categories/view/4/publications/
11. http://www.electronics-tutorials.ws/
12. http://www.radioshack.com/home/index.jsp

4_Elektrotehnicki materijali i elementi_tr.indd

Transkript

Benzer belgeler

Çıplak Bakır ve Alüminyum Karşılaştırma Tablosu

kırtasiye malzemeleri ve diğer araç gereçler

kırtasiye malzemeleri ve diğer araç gereçler

İletken Malzemeler İletken Malzemeler

Pdf İndir - Mat Kağıt

a Ders Kitapları

KUTUP IŞINIMI AURORA