Elektronlar |
1. Bölüm

Yaşamın temelini oluşturan atomik parçalardan elektronların tarihsel serüveni, Thomson’ın elektronu keşfi ve Lorentz’in maddenin elektronik yapısını formüle etmesiyle başlamıştır. Elektronlar yazı serimizin ilk bölümünde tanımından, sıcak elektron kavramından ve iletken-yarı iletken-yalıtkan üçlemesinden bahsedeceğiz.

A- A+

13.01.2015 tarihli yazı 18563 kez okunmuştur.

19. yy başlarında, ‘İletkenden akım geçmesiyle iletkenin ısınması’ olarak tanımlanan Joule Isınması’nın gözlemlenmesiyle bir yerlerde farklı atomik parçacık olduğu tahmin edilmiştir. Thomson bu tahmini geliştirerek elektronu keşfetmiş, Lorentz ise formüle etmiştir.

Sıcak Elektronlar

Bir iletkenin iki ucuna gerilim uygulandığında, kristaldeki serbest elektronların sahip olduğu potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşür. Yani uygulanan gerilim bir hareket oluşturur. Bu kristal örgü içinde hızla hareket eden elektronlar diğer elektronlara çarparak, enerjilerini diğer elektronlara aktarır. Çarpışmayla alınan bu enerji, elektronda titreşime neden olur. Dolayısıyla bu titreşim bir ısınmaya neden olarak çevrede gözlemlenir.

►İlginizi Çekebilir: Renk Nedir?

Uygulanan gerilimin artmasıyla, elektronların aldıkları enerji ve kristal örgüde atomlara aktarılan enerji daha büyük miktarlarda olur. Böylelikle elektronların ortalama enerjisi, kristal örgüdeki termal enerjinin üzerine çıkar. Kristal örgüden daha yüksek sıcaklığa sahip gibi görünen bu elektronlara, sıcak elektron denilir. Yani bu elektronlar, içinde bulundukları madde ile termal dengede olmayan elektronlardır.

İletken - Yarı İletken - Yalıtkan Nedir ?

Elektronlar, atomlarda belirli enerji düzeylerinde bulunurlar. Kristal örgü içinde bir araya geldiklerinde ise belirli enerji bant aralığında bulunurlar. Elektronların bulunuğu bu bant aralıklarının birbiri ile olan ilişkileri ise iletken-yarı iletken-yalıtkan denilen 3 farklı iletkenlik durumunu oluşturur.

(a) İletken (b) Yarı İletken (c) Yalıtkan

İletkenlerde, iletkenlik bandı ile valans bandı iç içe geçmiştir ve her zaman iletkenliğe katkı sağlayan elektronlar mevcuttur. Yarı iletkenler ve yalıtkanlarda ise bu iki bant arasında boşluk bulunur. Bu boşluk, yasak bant aralığı olarak adlandırılır. Yasak bant aralığı ne kadar büyük olursa, elektronların valans bandından kopup iletkenlik bandına geçmesi, yani iletkenliğe geçmesi o kadar zor olur. Bu yüzden yasak bant aralığı küçük olan metaller, yarı iletkendir. Yarı iletkenlerde yasak bant aralığı 1 eV seviyelerindedir ve oda sıcaklığında veya düşük enerjili fotonlarda valans bandından iletkenlik bandına elektron geçişi olur. Yalitkanlarda ise bu yasak bant aralığı 3-4 eV seviyelerindedir. Yani çok yüksek bir gerilim veya çok yüksek enerjili foton ışıması olmadığı sürece bu yasak bandından neredeyse hiç elektron geçmez.

Yarı İletkenlerde Sıcak Elektronlar

Sıcak elektronların incelenmesi, termal denge durumunun gözlemlenmesine dayanır. Bu yöntemde, iletkendeki serbest elektronun uygulanan gerilim veya elektrik alan ile enerjisinin ne kadar değiştiği ve termal dengeden ne kadar saptığı gözlemlenir.

Termal denge anında iletkendeki serbest elektronun enerjisi 0,6 fermi enerjisi seviyesindedir. Buradaki fermi enerjisi maddenin birim hacmindeki elektron yoğunluğuna bağlıdır. Örneğin bu enerji bakırda 7 eV seviyesindeyken, yarı iletkenler meV mertebelerindedir. Yarı iletkenlerde, iletkenlerden daha düşük bir elektron ortalama enerjisi olması, elektron ısınmasını gözlemlemeyi kolaylaştırmaktadır. İletkenlerdeki çok yüksek olan ortalama enerjiyi değiştirebilmek için çok yüksek bri gerilim veya akım gerekmetktedir. Bu yüksek gerilim veya akım ise iletkende erimeye neden olacağı için gözlem yapabilmek çok güçtür.

►İlginizi Çekebilir: Işık Hızı | Evrendeki En Büyük Hız

Sıcak elektronlar konusunun son yıllarda popüler olmasının nedeni ise elektronik aygıtların boyutlarında her geçen gün küçülme yaşanıyor olması. Mikro hatta nano boyutlardaki aygıta uygulanan gerilim veya akım çok yüksek ısınmalara neden olabilmektedir. Elektronik aygıtların çalışma hızını belirleyen en önemli faktçr, elektronun bir uçtan diğer uca ne kadar sürede hareket geldiğidir. Örneğin 'l' uzunluktaki bir n tipi bir yarı iletkende elektronun bir uçtan diğer uca ulaşması için geçen süre "t = l/v" dir. Buradaki elektrik alan ise "F = V/l" ye eşittir. Hareket eden elektronun ortalama hızı "v = u*F" dir. 'u' elektronun mobilitesidir. Yani birim elektrik alanda, elektronun sürüklenme hızıdır. Yani elektronun bir uçtan diğer uca geçiş süresini azaltmanın 2 yolu vardır. Bunlar; aygıt boyutunu kısaltmak ve elektronun ortalama hızını artırmaktır.

Kaynak:

►Wikipedia
►Tübitak Yayınları