Modern Fizik · 9. Ünite: Molekül ve Katıhal Fiziği

Yarı İletkenler ve Süperiletkenlik

Transistörler, diyotlar, LED'ler ve güneş pilleri yarıiletkenlerin yasak aralığını ve katkılanabilirliğini kullanır; MR cihazlarının mıknatısları ise direncin tamamen yok olduğu süperiletken fazda çalışır. Bu konuda taşıyıcı yoğunluğunun sıcaklık ve katkıyla nasıl belirlendiğini, p–n ekleminin diyot akımını nasıl ürettiğini, LED dalga boyunun yasak aralıktan nasıl bulunduğunu ve süperiletkenliğin kritik büyüklüklerini (T_c, B_c, BCS aralığı) hesaplayacaksınız.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Katkıyla iletkenlik, soğutmayla sıfır direnç

  2. Saf (intrinsik) yarıiletken ve kütle etkisi

  3. Ekstrinsik yarıiletken: n ve p tipi katkılama

  4. p–n eklemi ve diyot denklemi

  5. LED, fotodiyot ve güneş pili

  6. Süperiletkenlik: T_c, Meissner etkisi ve kritik alan

  7. Çözümlü örnekler

  8. Sık yapılan hatalar ve kavram yanılgıları

Anahtar terimler

İntrinsik taşıyıcı yoğunluğu (n_i)
Saf yarıiletkende elektron ve deşik yoğunluğu: n_i ∝ T^{3/2} e^{−E_g/2kT}.
Kütle etkisi yasası
Termal dengede n·p = n_i²; katkı ne olursa olsun çarpım sabittir.
Donör / akseptör
Donör (P, As) iletim bandına elektron verir, n tipi; akseptör (B, Ga) değerlik bandında deşik üretir, p tipi.
Tükenme bölgesi (depletion region)
p–n eklemi yakınında serbest taşıyıcıların tükendiği, iç elektrik alanın oluştuğu bölge.
Shockley diyot denklemi
I = I₀(e^{eV/kT} − 1); I₀ ∝ n_i² ters doyma akımıdır.
LED dalga boyu
Işımalı birleşmede yayılan foton için λ = hc/E_g.
Meissner etkisi
Süperiletkenin T_c altında manyetik akıyı içinden dışarı atması (B = 0).
Kritik alan (B_c)
Süperiletkenliği yok eden manyetik alan: B_c(T) = B_c0[1 − (T/T_c)²].
Cooper çifti
Fonon aracılığıyla bağlanan, zıt momentum ve spinli iki elektron; BCS aralığı 2Δ ≈ 3.52 k_B T_c.

Örnek soru

Silisyum kristaline fosfor (5 değerlik elektronlu) katkılandığında aşağıdakilerden hangisi doğrudur?

  1. Kristal negatif yüklü olur, çünkü fazladan elektron eklenmiştir
  2. Donör düzeyleri iletim bandının hemen altında oluşur; çoğunluk taşıyıcı elektrondur ve kristal elektriksel olarak nötr kalır
  3. Akseptör düzeyleri değerlik bandının hemen üstünde oluşur ve çoğunluk taşıyıcı deşiktir
  4. Fermi seviyesi değerlik bandına yaklaşır
  5. $n\cdot p$ çarpımı katkı oranıyla birlikte artar

Doğru cevap: B

Çözüm

1. P atomu 5 değerlik elektronundan 4'ünü komşu Si ile bağa verir; 5. elektron gevşek bağlıdır ve donör düzeyinden iletim bandına kolayca çıkar.
2. Çoğunluk taşıyıcı elektrondur: n tipi. P çekirdeği de bir proton fazladır, bu yüzden kristal toplamda nötrdür.
3. Fermi seviyesi iletim bandına yaklaşır; $n\cdot p=n_i^2$ sabit kalır.
Cevap: B. A şıkkı "n tipi = negatif yüklü" yanılgısıdır; C ve D p tipini tarif eder; E kütle etkisi yasasına aykırıdır.

Modern Fizik: tüm konular