Yarı İletkenler ve İnce Film Teknolojisi Ne İşe Yarar?

Maddelerin fiziksel (katı/sıvı/gaz) hallerinin yanında birde elektriksel ve termal özellikleri vardır. Maddeler elektriksel olarak yalıtkan, iletken ve yarı iletken özelliklere sahiptirler. Maddeler ayrıca ısıyı ileten, az ileten ve iletmeyen özelliklere de sahiptirler.

Yalıtkanlar

Yalıtkan Madde: Üzerinden elektriksel bakımdan akımın (I) geçmediği tüm maddelere yalıtkan madde diyoruz.

Yalıtkanların, atom/elektron bağlamında valans bandı ile iletim bandı arasında boşluk vardır ve bu boşluk oldukça fazladır. Bu maddelerde elektronlar valans bandından iletim bandına geçemezler.

Yalıtkan maddelere; tahta, cam, taş, toprak, plastik gibi cisimleri örnek verebiliriz.
Yalıtkan maddeler, elektriği ileten maddeleri izole etmede iyi birer koruyucudurlar.

Bunların başında da plastikler gelir.
Yalıtkan maddeler aynı zamanda ısıyı da iletmedikleri veya az ilettikleri için ısı yalıtımında da kullanırlar (yün, pamuk, izocam) gibi.

İletkenler

İletken Madde: Elektriksel olarak akımı (I) iyi iletirler.
İletken maddeler akımın yanında ısıyı da iyi iletirler.
İletken maddelerde atom/elektron bağlamında valans ile iletim bandı arasında boşluk bulunmaz.

Valans ve iletim bandı arasında boşluğun bulunmaması elektronların madde ve bileşiklerde serbestçe ve oldukça hızlı hareket etmesini sağlar.

Sırasıyla gümüş, altın ve bakır gibi metaller çok iyi birer iletkendirler

Yarı İletkenler

Yarı İletken Madde: Valans ile iletim bandı arasında boşluk vardır. Ancak bu boşluk yalıtkanlara nazaran daha azdır.

Yarı iletkenlerdeki valans ile iletim bandı arasındaki boşluk mesafesi elektron hareketliliğini kısıtlar.
Yarı iletkenler normal oda sıcaklığında veya dış etkenlerden uzak olduğu zaman yalıtkanlar gibi davranırlar.
Ancak bazı durumlarda (ısı, ışık ve manyetik alan) etkisi ile elektronlar yasak bandı, yani boşluğu atlayarak iletim bandına geçebilirler.

Bu maddeler ışık, ısı ve manyetik alana maruz kaldıkları süre içinde iletkenler gibi davranarak elektriği iletmeye devam ederler.

Yarı iletkenler kristal yapıdadır.
Yani atomları belirli bir sistemle sıralanmıştır.
Bu yapı tekli kristal (mono kristal) ya da çoklu kristal (polikristal) olabilmektedir.
Yandaki şekilde bir yarı iletkenin tipik kristal yapısı verilmiştir.

N Tipi ve P Tipi Yarıiletkenler ve Elektron Hareketliliği

Yarı iletken maddeler; elektrik, elektronik, fotovoltaik, fotokatalitik ve ince film teknolojisinde oldukça önemli bir yere sahiptirler.

Bazı maddeler kendiliğinden (asal) yarı iletken özelliğe sahiptirler.

Bunlar katkılandırılarak iletkenlikleri artırılabilir.
Germanyum, Silisyum ve Selenyum asal yarı iletkenlere örnek verilebilir.

Oksit halde bulunan bazı bileşikler de yine yarı iletken özelliğe sahiptir.
Titanyum Dioksit (TiO2), Kalay Oksit (SnO2),Çinko Oksit (ZnO), Bakır Oksit (CuO/CuO2) yarı iletken oksit bileşiklere iyi birer örnektir.

N TİPİ YARI İLETKEN

Silisyum atomunun son halkasında 4 elektron bulunur. Silisyum elementini n- tipi yarı iletken yapmak için peryodik cetvelde 5. grup elementlerinden olup, son yörüngesinde 5 elektron bulunan fosfor elementinden 1/1000 oranında katkılandırılır. Böylece son yörüngesinde 5 elektron bulunan fosfor 5. elektronunu silisyuma verir ve böylece silisyum elementi n-tipi yarı iletkene dönüşü

P TİPİ YARI İLETKEN

Yine silisyum elementine periyodik cetvelin 3. grubu metallerinden aliminyum (Al) , İndiyum (İn), veya Baryum (Ba) elementlerinden biri ile belli oranda katkılandırma yapılırsa; sonradan katılan elementlerin son halkalarında 3 elektron olduğu için katkılandırılmış silisyum kristalinde bu sefer 1 elektron eksikliği doğar.

Bu elektron yokluğuna boşluk denir. Kristal yapı içinde bir deşik/hol oluşur. Buna elektron holü denir. Bu işlem sonucu silisyumun pozitif yük taşıdığı varsayılarak p-tipi elektrot oluşturulmuş olur.Bu oluşturulan p ve n tipi yarı iletken silisyum maddesinden ayrı ayrı p ve n tipi elektrotlar oluşturulur. Oluşturulan iki ayrı elektrot birleştirilir ve eklemler meydana getirilir. p ve n tipi eklemler birleştirildiğinde her iki eklem arasında karşılıklı elektron akışı sonucu nötr bir bölge oluşur.

p -Tipi elektrotlarda elektron boşluğu sayısı fazla iken atomlar negatif yüklüdürler.

n -Tipi elektrotlarda ise elektron sayısı fazla olup, atomlar pozitif yüklüdürler.

FOTOVOLTAİK SİSTEM

p ve n tipi yarı iletken üzerine düşen fotonun şayet enerji seviyesi yasak band aralığı seviyesine denk veya daha yüksek ise valans bandındaki elektron fotonun etkisiyle titreşime uğrar ve yerinden ayrılır.

Titreşime uğrayan elektron valans bandından kopar ve yasak bant boşluğunu atlayarak (luminans) iletkenlik bandına geçer. Geride ise bir boşluk bırakır.

Yukarıda bahsettiğimiz p ve n tipi yarı iletkenlerde iki aşamalı bir durum meydana gelir.

Birinci aşamada elektronun yerinden ayrımasıyla (luminans) elektron/boşluk, ikilisi yani eksiton meydana gelirken.

İkinci aşamada ise bir elektrik alanı nedeniyle bu ikili birbirinden ayrılır (Şekil 8). Boşluğundan ayrılan elektron, dış devreden ve bir direnç üzerinden anottan katot bölgesine geçer.

Anottan ayrılan elektron anodun yükseltgenmesine katoda geçtiğinde ise katodun ise indirgenmesine neden olur. Aynı elektron tekrar katottan ayrılarak az önce oluşturduğu boşluğuna geri döner ve yerleşir. İşte bu hareketlilik elektrksel olarak bir potansiyel farkın oluşmasına yol açar.

Eklemler üzerine ışık yani foton düştüğü sürece, bu işlem devam eder. Bu aynı zamanda bir akımın da ters yönde yani katottan anota doğru hareketini meydana getirir. İşte biz bu hareket sistemine fotovoltaik sistem diyoruz.

Burada kuantum verimliliği esasına dayanan enerji eldesi söz konusu olduğundan E=h.ν Plank formülü uygulanır.

Fotovoltaik sistemde verim aşağıdaki parametrelere bağlıdır;

İNCE FİLM TEKNOLOJİSİ

İnce filmler; gerek metal ve gerek ametal gurubundan olup, ergime ısısı yüksek (1500/2000 C) olan maddeler üzerine oluşturulan ve birkaç mikron ila 2/3 nanometre inceliğe sahip kaplamalara ince film diyoruz. İnce film teknolojisi oldukça yeni bir teknolojidir.

1950 li yıllarından itibaren üzerinde yoğun bir şekilde çalışılmaya başlanmış ve günümüzde ise elektrik ve elektronikte oldukça geniş bir kullanım alnına sahip hale gelmiştir. İnce filmler opak/şeffaf ve kristal örgü biçiminde olabilmektedir.

İnce filmler aynı zamanda darbelere karşı da mukavemete sahip, 5/h ila 6/h kalem sertlikte olabilmektedirler.

Günümüzde LCD / LED TV ekranları, cep telefonu ekranları, bazı transistörler, arabaların ön camları, led ampüller ve organik güneş pilleri gibi ürünler bu teknolojiden faydalanılarak üretilmişlerdir.

İnce filmler birçok farklı metal kompleksi oksit kimyasallar ile üretilebilir. Bunlardan birkaçını sıralarsak ;

1- Saf kalay Oksit ince filmler (SnO2)
2- Indium Katkılı Kay Oksit ince Filmler (İTO)
3- Antimaon Katkılı ince Filmler (ATO)
4- Flor Katkılı ince Filmler (FTO)
5- Çinko Oksit ince Filmler (ZnO)
6- Titanyum Dioksit ince Filmler (TiO2)

NANO Boyutta İnce Film Üretim Teknikleri

Bir kaç çeşit ince film üretim teknikleri vardır. Bunlar :

1- Sol-Jel yöntemi.
2- Püskürtme (spray) yöntemi.
3- Buhar Biriktirme yöntemi.
4- Magnetron ile elektron sıçratma yöntemi.

5- Elektroliz yöntemi. gibi.

Yukarıda bahsi geçen yöntemler içerisinde en ekonomik ve elde edilen filmin kalitesi bakımından en iyi yöntem sol-jel daldırma yöntemidir.

Biz de bu bölümde bu teknik üzerinde duracağız

İnce film teknolojisinde uygulanan sol-jel prosedürü aşağıda ayrıntılı bir şekilde verilmiştir.

Sol-Jel DaldırmaYöntemi

Daldırma yönteminde kullanılacak malzemelerin mol, gr., ml.ve ph bazındaki oranlarının iyi ayarlanması, kontrolünün de iyi yapılması gerekir.

Sol-jel oluşturulurken viskozitenin de büyük bir önemi vardır. Bu yöntemin uygulaması sonucu elde edilecek filmin kalitesi, yukarıda sözünü ettiğimiz parametrelerin en doğru bir biçimde uygulanması ile mümkün olur.

Film Oluşturulacak Yüzeylerin Fiziksel ve Kimyasal Temizliği

Sol-jel tekniği uygulanacak yüzey veya malzemenin (cam veya kuvarts tabaka) temizliği.

MALZEME VE MATERYAL

1-Cam Tabaka (pencere camı olabilir)

2- Cam kesici elmas.

3- 100 gr. Sodyum Hidroksit (NaOH)

4- Kağıt Havlu.

5- Bulaşık Deterjanı ve Eldiveni.

6- Etil Alkol (1 lt.)

7- Saf Su. (1-2 litre)

8- Sıcak Hava Tabancası.

PROSEDÜR

1- İsteğe bağlı, 10X5 cm. ebatlarında 1 ila 3 mm. arası kalınlıkta birkaç adet cam tabak kesilir.

2- Kesilen camlar önce, bulaşık deterjanlı sıcak su ile yıkanır, kagıt havlu ile kurutulur.

3- Kurutulan cam tabakalar saf su ile tekrar yıkanır ve durulanır.

4- Durulanan camlar Sodyum Hidroksitli (NaOH) suda bir saat bekletilir.

5- Sodyum Hidroksit çözeltili sudan çıkartılan camlar tekrar saf su ile iyice yıkanır.

6- Saf suyla yıkanan camlar durulanıp hava ile kurutulduktan sonra alkol içinde 1 saat beklemeye bırakılır.

7- Saf suyla yıkanan camlar durulanıp hava ile kurutulduktan sonra alkol içinde 1 saat beklemeye bırakılır.

Bu işlemler sonucu temizleme işlemi bitmiş olur. Temizlenen camlara çıplak elle dokunulmaz. Temiz ve kapaklı bir kap içerisinde daldırma yöntemi uygulanana kadar muhafaza edilir..

Sol-Jel Hazırlama

Antimon Katkılı Kalay Oksit (ATO) İnce Film yapımında Kullanılan Kimyasal ve bileşikler:

1) 10 gr. Kalay Klorür (SnCl4)

2) 20 ml. saf su,

3) 100 ml Etil veya Metil Alkol,

4) 15 ml, Hidroklorik Asit HCl .

5) 0,20 gr, Antimon Trioksit (SbO3)

6) 5 ml. Amonyak

Prosedür

Yukarıdaki kimyasallar kullanılarak 3,5 ile 4,3 pH değere sahip 150 ml. çözelti oluşturulur. Çözelti (sol-jel) beher balon ile 70 C su içine konur ve çözelti ısıtılır. Isınan çözelti manyetik karıştırıcı ile 30 dakika karıştırılır. Aşağıdaki mekanizma ve ölçümler altında deney gerçekleştirilir.

Daha önce kesilen ve temizlenen cam/kuvartz tabakalar; beher içindeki sol-jel sıvısına dikey olarak 20 cm/sn. hızla bekletme yapmadan daldırılır ve aynı hızla çekilir.

Bekletme yapmadan daldırılıp çıkartılan cam tabakalar süzülmesi için birkaç dakika beklenir.
Süzülen camlar oda sıcaklığında kapalı bir kap içerisinde ön kuruma için bir/iki saat muhafaza edilir.

Kuruyan cam tabakalara yine çıplak elle dokunmadan önce 100 C de tekrar kurutulur, ardından fırına konarak 400 ila 450 C de tavlanır. (sinterleme).

Bu deneyde meydana gelen reaksiyon aşağıdaki gibi gerçekleşmektedir.

SnCl + O SnO + 2C l + SbO

Yapılan işlem sonucu; cam yada kuvartz yüzey üzerinde takriben 5 ila 500 nm kalınlığında bir film oluşur. Ayrıca bu film 80 ila 10 ohm arası dirence sahip olurken yine takriben % 85 ila %95 optik geçirgenliğe sahip olabilmektedir.

Elde ettiğimiz bu camlarla (ATO Film) ile p ve n tipi elektrotlar oluşturarak Boya Esaslı Organik Güneş Pili (OGP) ve akıllı pencere camı (elektrokromik) gibi farklı cihazlar üretilebilir.