Elektronlar |
2. Bölüm

Elektriğin yapı taşı olan elektronlara farklı açılardan baktığımız yazı serimizin bu bölümünde; cihazların, aygıtların çalışmasında kritik rol oynayan ‘elektron ortalama hızı’ konusu üzerinde durarak ohm yasasına biraz kuşku ile bakacağız.

A- A+

24.01.2015 tarihli yazı 9125 kez okunmuştur.

Elektronik aygıtların çalışma hızını belirleyen en önemli faktçr, elektronların aygıtın uçları arasında ne kadar zamanda gittiğidir. Bu nedenle, aygıtlarda elektronların hızları büyük önem taşımaktadır.

N tipi yarı iletkene bir gerilim veya elektrik alan uygulandığında, elektronlar anota (artı uca) doğru hızlanarak hareket ederler. Ancak bu hareket sırasında yollarında bulunan atomlarlaçarpışarak saçılma yaşarlar. Bu çarpışmayla elektronlar geldikleri yönün tersi yöde de saçılabilirler. Yani bir aygıtta yol boyunca elektronlar çeşitli yönler ve hızlarda hareket etmektedir.

►İlginizi Çekebilir: Gizemli Parçacık Nötrino

Bir yarı iletkende, sabit elektrik alan altında elektronların ortalama hızları sabittir. Ortalama hızı artırmanın iki yolu vardır; elektron mobilitesinin yüksek olduğu yarı iletken kullanmak veya uygulanan gerilimi – elektrik alanı artırmaktır. Örneğin; GaAs yarı iletkeninde elektron mobilitesi Si yarı iletkeninkinden çok daha büyüktür. Ancak doğadaki kısıtlı kaynaklar nedeniyle malzeme seçiminde bazı zorunluluklar yaşanıyor. İkinci yol olan gerilim yükseltmesinde ise aygıt üzerinden geçen artıyor. Aygıttaki direnç formülünden;

Buradaki ‘p’ özdirençtir. L, w ve d ise boyutlarla ilgilidir. Özdirenci, elektron yoğunluğu ve mobilite cinsinden ifade etmek istediğimizde;

olarak bulunur. Bu iki denklemi voltaj ile elektrik alan arasındaki bağıntı olan ‘F = V / l’ ile birleştirirsek;

eşitliği elde edilir. Peki bu eşitlik ne anlama geliyor?

Bu eşitlik bizlere n’in sabit kalması şartıyla ortalama hızın, uygulanan elektrik alan ile artmasının akımın voltaj ile artmasına özdeş olduğunu verir.

►İlginizi Çekebilir: Higgs Parçacığı (Tanrının Zerreleri)

Sonuç olarak; elektrik alan ne kadar artırılırsa elektronların ortalama hızları da artacaktır. Ancak bu sonuçta sizce de bir yanlış yok mu? Elektronun bir uçtan diğer uca varış zamanı elektrik alanın artırılmasıyla sıfıra indirilebilir mi?

Aslında bu soru aynı zamanda ohm yasasının doğruluğunu sorgulamaktadır. Yanıt ise en sade haliyle; “ Ohm yasası düşük elektrik alanlar için geçerlidir. Yüksek elektrik alanlar ile elektronlar bozunmaya uğrayarak termal denge bozulur. Sıcak elektronlarda bu yeni enerji formalarını ‘fonon’ denen parçacık olarak kristal örgüye verirler.

Tüm bu bilgiler doğrultusunda asıl doğru sonucumuz ise elektronların belirli sıcaklıklarda, belirli koşullar altında çıkabileceği maksimum ortalama hızları vardır.

Kaynak:

►Wikipedia
►Tübitak Yayınları