Genelbilge.com | nedir, tanımı, anlamı,nasıl yapılır

KATIHAL FİZİĞİ (EVAPORASYON) LABORATUARI
1.1.1. AMAÇ
Vakum sistemlerinin tanınması, çalışma prensiplerinin öğrenilmesi, metal-yarıiletken kontakların incelenmesi, kristal temizleme yönteminin öğrenilmesi, p-tipi Schottky diyot yapımı ve akım-voltaj karakteristiğinin incelenmesi.
1.1.2. VAKUM TEKNİĞİ
Vakum tekniğinin öneminin anlaşılması ve laboratuarlarda kullanılması ilk defa 1905-1913 yıllarındadır. Çalışmalar, yeni pompa ve ölçü aygıtlarının en yüksek vakumun elde edilmesi ve duyarlılıkla ölçülmesi yolunda olmuştur. Vakum, 760mm-Hg (Torr) olarak kabul edilen açık hava basıncını kademeli pompalar ile yenip düşürmek başka bir deyişle söz konusu gaz (yada hava) basıncını yaratan moleküllerin pompalarla emilmesi yada yoğuşması olarak tanımlanabilir.
Basınç aralıkları aşağıdaki gibi tanımlanabilir:
Alçak Vakum……………………….. 760-25 torr
Orta Vakum………………………….. 25-10-3torr
Yüksek Vakum……………………… 10-3-10-6torr
Çok Yüksek Vakum………………. 10-6-10-9torr
Ultra Yüksek Vakum……………… 10-9torr’un altında
Vakum birçok önemli uygulamalar için gereklidir.Yarıiletken tasarımların yapılmasında, x-ışınları tüplerinde, yüksek sıcaklık isteyen fırınlarda, elektron mik-roskoplarında, kütle spektrometrelerinde ve birçok karmaşık sistemde vakum tekniği önemli yere sahiptir.
Vakum yapılan bir hacim içindeki flamana uygulanan küçük akımlarla büyük sıcaklıklara erişilir. Bilindiği gibi bir flaman üzerindeki sıcaklık derecesini azaltan en önemli etken hava kaybı ile ısının kaybıdır. İnce film büyültme deneylerinde hava moleküleri film yüzeyi arasındaki etkileşmeleri minimuma indirmek, havanın oksit tabakasından korumak için yine alçak basınç koşulları aranır.

1.1.3.VAKUM POMPALARI
Kapalı bir sistemi vakum yapabilmek için iki prensip vardır. Bir tanesi mekanik ve buharlı pompalarla gazı kapalı bir hacimden emerek çıkarıp atmaktır. Diğeri ise vakum yapılacak kapalı hacimden gazın atılmadan bu hacim içerisinde tutulmasıdır.
Birinci kısımdaki pompaları iki gruba ayırabiliriz:
i)Atmosferik basınç altında bir hacimden gaz yada hava pompalayan mekanik pompalar
ii)Boşaltılacak hacimde ancak belirli bir vakum sağlandıktan sonra çalışan ve yüksek vakumun elde edilmesinde kullanılan difüzyon pompaları
i)Mekanik Pompalar:
Roots, Mercury ve Moleküler pompalar gibi birçok çeşitleri vardır. Burada sadece yağ yataklı tek kanallı pompalar anlatılacaktır.
Yağ yataklı mekanik pompa, elektrik motorundan hareket alan döner bir silindirin gazı A kesiminden alması ve bunu atmosfer basıncındaki B kesimine atması şeklinde çalışır. Sürtünme ve aşınmalar için ince bir yağ filmi ile minimuma indirilmiştir ve pompanın tüm yerleşme yerleri kaçakları önleyecek şekilde yağlanmıştır.
Çelik silindirden oluşan rotor, silindirik çelik statorun içindeki bir eksen etrafında döner. Boşaltılacak kap A ağzına bağlanmıştır. Motor eksen çevresinde okun gösterdiği yönde döner. C ve D olarak isimlendirilen iki kanat rotor içindeki çap boyunca uzanan yarıklara yerleştirilmiştir. Bu kenarların uçları statorun iç yüzünü tararken, diğer uçları da birer yayla birleştirilmiştir. Rotor ve statorun yüzeyleri çok iyi taşlanmış olmalıdır. Rotor döndükçe kanatlardan birinin (C) havayı iten ucu (L), stator ve hava giriş ağzının birleştiği yerden geçer. Sonra dönüş sürdükçe bu kanadın arkasında kalan hacim (VA) genişler böylece girişteki basınç düşer. Bu arada kanadın önünde kalan hacim (V) diğer kanadın (D) havayı iten ucunu (M) çıkış ağzını geçmesinden sonra azalmaya başlar. Dönüş devam ettikçe (C) kanadının havayı iten (L) ucu çıkış ağzına ulaştığında gaz en düşük hacime sıkıştırılmış olur. Bu küçük hacimde ki basınç çıkış ağzında ki tek yönlü valfı açacak kadar yüksektir. Bu basınca karşı koyan kuvvet atmosfer basıncı, valfın üzerinde kalan yağın doğurduğu basınç ve yayın geri çağırıcı kuvvetidir. Tüm bu kuvvetler sıkıştırılmış hacimde ki basıncın kuvvetinden azdır. Rotorun her bir dönüşünde çıkış ağzındaki valf iki kez açılır.
Şekil 1.1.1. Tek Kanatlı Mekanik Pompa
1.1.4.DÜFİZYON POMPALARI
Normal basınç koşulları içerisinde gaz molekülleri her yönde ortalama V hızıyla hareket ederler. Azot için bu ortalama hız 300C de 500m/s dir.
Bu molekülleri arzu edilen bir yönde itebilmek için bir buhar akışı sağlanabilir. Yani hızlı bir buhar akışı ile hava molekülleri sürüklenebilirler. Bu buharın akışkanı öyle bir sıcaklığa kadar ısıtılmalıdır ki oluşan buhar dar boğazdan geçerek hava moleküllerini tek bir yönde taşıyan bir akım oluştursun. Yapı, ters akıntıyı mümkün olduğu kadar engelleyecek şekilde tasarımlanır. Ayrıca yapının uygun yerlerine yerleştirilen tuzaklarla bu ters akıntıların önlenmesine çalışılır.
İşte buradan hareketle, yüksek vakum elde etmek buhar pompaları geliştirilmiştir. Buhar yayınma (difüzyon) ve buhar fışkırtma (ejektor) pompaları olmak üzere iki çeşit vardır. Sadece buhar difüzyon pompalarının çalışma prensipleri açıklanacaktır.
Şekilde tek kademeli difüzyon pompası görülmektedir. Üst kısım yüksek vakum yapılacak hacme bağlıdır.
Difüzyon pompası yüksek vakuma açılmadan önce başlangıçta mekanik pompa ile 10-2 torr’a kadar pompalanır. Yağın kaynama noktasının düşürülmesi ve sıcak yağın oksitlenmemesi için bu gereklidir.
Isıtıcının yeterli derecede çalışması ile meydana gelen yağ buharı ok yönünde yukarı doğru çıkar, şemsiye şeklindeki yansıtıcıya hızla çarpan yağ buharı geri dönemeyeceğinden, şekilde görülen küçük deliklerden süpersonik (ses üstü) hızlarla çıkar ve aşağıya doğru inerken beraberinde hava moleküllerini de sürükler. Difüzyon çalıştığı sürece çalışan mekanik pompa ile bu hava molekülleri emilip atılırlar. Difüzyon pompasının çeperleri soğuk su taşıyan borularla (soğutucularla) döşenmiştir. Yağ buharı bu soğuk duvarlara temas edince yeniden sıvılaşıp tekrar kaynamak üzere haznelerine inerler.
Yağ moleküllerinin hava molekülleri ile çarpışarak momentum kazandırması ve üzerlerine bir şok dalgası yaratarak onları çıkışa doğru sürüklemesi ile beliren boşluğa yukarıdan (boşaltılan hacimden) yeni hava molekülleri gelir ve pompalama böyle devam eder. 10-5-10-6 torr dolayında vakum böylelikle elde edilmiş olur. Difüzyon pompasının ve boşaltılacak hacimin arasına konulan bir sıvı azot tuzağı ile vakum 10-7-10-8 torr’a indirmek mümkündür.
1.1.5. VAKUM SİSTEMİNİN ÇALIŞMA PRENSİBİ
Şekilde sadece ana hatları çizilmiş bir yüksek vakum sistemi görülmektedir. Çalışma düzeni bu tür pompalara sahip tüm vakum sistemlerinde şöyledir.
İlk önce mekanik pompa ile backing valf (destek boşaltma musluğu) kapatılıp roughing valf (kaba veya ön boşaltma musluğu) açılarak boşaltılacak hacim 10-2 torr’a kadar pompalanır. Pirani ölçü aygıtı ile bu vakum değeri anlaşılır. Böylelikle difüzyon pompasının çalıştığı sürece (kapatıldıktan yarım saat sonra) çalışması zorunlu olan mekanik pompanın verimi anlaşılmış olur. Difüzyon pompasının ısıtıcısı ve soğutma suyu açılarak devreye sokulur bu sırada da roughing valf kapatılarak backing valf açılır. İki valfın bir arada açılmamasına bu safhada son derece dikkat edilmelidir. Difüzyon gerekli vakumu yapabilecek duruma gelinceye kadar açık olan backing valf ile mekanik pompada çalışmaktadır. Difüzyon içerisinde ki ve bağlı borulardaki vakum değeri gene pirani ölçü aygıtı ile ölçülür. Sistem yüksek vakuma açılmadan önce backing valf kapatılıp roughing valf açılarak daha önce boşaltılmış hacimin bir kere daha test edilmesinde fayda vardır. Bu kontrolden sonra gene roughing valf kapatılıp backing valf açılır, arkasından ise yüksek vakum valfı açılarak difüzyon pompasının, boşaltılacak hacmi vakum yapması sağlanır. Difüzyon pompasının yağ buharının sisteme kaçmaması için bu işlem şarttır. Yüksek vakum yapılan hacimdeki vakum, bir yüksek vakum ölçer ile anlaşılır. Difüzyon pompasının üst kısmına koyulan sıvı azot tuzağı ile 10-6torr’un daha da altına inile-bilir.

1.1.6. YARIİLETKEN KRİSTALLER HAKKINDA GENEL BİLGİLER
Bir yarıiletkenin kristal yapısında bulunan yabancı atomlar veya Kristal yapı bozukluğu yasak enerji bölgesinde ara enerji seviyelerinin oluşmasına neden olur. Bundan başka, silisyum yüzeyinde temizleme işlemiyle giderilemeyen yüzey bozuk-lukları da ara enerji durumlarının meydana gelmesini sağlar. Çünkü, yarıiletken örgünün dış ortama açıldığı yüzeyde asimetrik durum vardır. Bu birim alan başına çok sayıda enerji seviyesinin meydana gelmesinin önemli bir kaynağıdır. Bu seviyeler yüzey durumları olarak bilinir. Ara yüzeyde bulunan ve yasak enerji bölgesi dışındaki enerjilere sahip yüzey durumlarına, sabit yüzey durumları ve ihtiva ettikleri yüke de sabit yüzey yükü veya oksit yükü denir (Sze,1981).
Bir yüzey durumu, nötr veya bir elektron vererek pozitif olabiliyorsa donor durumu; nötr veya bir elektron alarak negatif olabiliyorsa akseptör durumu olarak nitelendirilir.
Yüzey durumları üzerinde ilk teorik çalışmalar Tamm, Shockley ve arkadaşları tarafından yapılmıştır. Kristal yüzeyinde bulunan periyodik örgü yapısı boşluğu nedeniyle yasak bölgede yüzey durumlarının varlığını göstermiştir (Crowel,1966). Deneysel olarak, yüzey durumlarının varlığı ilk kez Shockley ve Pearson tarafından yapılan yüzey iletkenlik ölçümleri sonucunda bulunmuştur. Çok yüksek vakum sisteminde temizlenmiş yüzeylerde dahi yapılan ölçümlerde, yüzey durum yoğunluğunun, yüzey atom yoğunluğundan çok daha fazla olduğu gözlenmiştir. Böylece yüzey durumları, hızlı ve yavaş yüzey durumları olmak üzere iki grupta toplanır. Hızlı yüzey durumları, iletkenlik bandıyla veya değerlik bandıyla hızlı bir şekilde yük alış-verişi yaparlar. Hızlı yüzey durumları yalıtkanla yarıiletkenin ara yüzeyi yakınlarında bulunur. Yasak enerji bölgesinin ortasına yakın enerjilere sahiptir. Dolayısıyla hızlı yüzey durumlarına, yüzey yeniden birleşme (veya rekombinasyon merkezleri) denir (Mead,1966).
Diğer taraftan yavaş yüzey durumları, boşluk ve yalıtkan ara yüzeyde bulunur. Yük alış-verişleri hızlı yüzey durumlarının aksine çok daha uzun sürelidir. Oksit tabakasındaki hareketsiz yükleri ihtiva eden bozukluklar ile yeterli sıcaklıklarda ve özellikle yüksek elektrik alanı altında oksit içerisinde göç edebilen hareketli iyonlar tarafından meydana getirilir. Isısal oksidasyon metoduyla hemen hemen giderilebilir. Ayrıca yavaş yüzey durumları MIS sığasını etkilemez.
Yüzey durumlarından, Si – SiO2 ara yüzeyinde pozitif yükler ortaya çıkar. Qss olarak isimlendirilen bu yükler oksit ara yüzeyinde yarıiletken kristal örgünün ani bitiminin bir sonucudur. SiO2 tabakası oluşumunda oksidasyon varsa Si yüzey-den uzaklaşır. Sonuçta, oksijenle etkileşir. Oksidasyon durduğu zaman bazı iyonik Si ara yüzey yakınında kalır.
Uygulamaları, birçok yarıiletken elemanların yapımında kullanılırlar. Bu çeşit yarıiletkenlerde oksit içerisindeki ve yarıiletken ara yüzeyindeki elektronik durumlar sınırlanmıştır. Oksit yapılmadan önce durum yoğunluğu yaklaşık l015cm-2 mertebesindedir. Oksitlenmiş yüzeylerdeki durum yoğunluğu ise 1011 – 1012 cm-2 civarındadır. Durum yoğunluğu uygun tekniklerle azaltılabilir (Grove,1967).
Yüzey durum yoğunluğu hesabı birkaç yöntemle gerçekleştirilebilir.Bunlar diferansiyel, integrasyon ve sıcaklık yöntemleridir. Bu çalışmada, sığa-gerilim ölçmeleri yapılarak diferansiyel yönteme göre farklı yapılar için yüzey durum yoğunluları hesaplanmıştır.
1.1.7. METAL/P-TİPİ YARIİLETKEN ARASINDAKİ KONTAK
Bu kontak tipinde; m <s ise kontak doğrultucu, m > s ise kontak omik kontaktır. Kontak yapılmadan önceki durum Sekil 1 ‘de gösterilmektedir. Yarıiletken Fermi seviyesi m – s miktarı kadar metal Fermi seviyesinin üzerin-dedir. Kontak yapıldıktan sonra yük alış-verişi meydana gelir. Yarıiletken tarafında geride pozitif bir uzay yükü (deşikten dolayı) ve metal tarafında negatif bir uzay yükü bırakarak, elektronlar yarıiletkenden uzaklaşır. Dolayısıyla, yarıiletken Fermi seviyesi m – s kadar alçalır.
Yarıiletken deşikleri metale doğru hızlıca hareket ederler. Çok fazla elektron nedeniyle hemen nötürleşirler. Uygulanan gerilimin zıt polaritede olması, metalin iletken bandında oluşan deşikler hemen yarıiletkene doğru hareket ederler. Böylece omik kontak oluşur.

m <s vakum p-tipi

(a) (b)
Şekil 1.1.4.Metal /p-tipi yarıiletken kontakların Enerji-Band diyagramı;
a)Kontak yapılmadan önceki durum
b)Kontak yapıldıktan sonraki durum
m < s şartında, bütün donorların iyonize olduğunu kabul ederek, kontak yapılmadan önce yarıiletken Fermi seviyesi, metal Fermi seviyesinin s-m kadar altındadır. Kontak yapıldıktan sonra metal ve yarıiletken Fermi seviyeleri eşitlenin-ceye kadar elektronlar metalden yarıiletkene doğru akarlar. Sonuçta, yarıiletkenin yüzey tabakası negatif olarak yüklenir. Bu negatif yüke iyonize olmuş akseptörler se-bep olduğundan dolayı yük d kalınlıklı uzay yükü tabakası boyunca yayılır. Yarıiletkendeki enerji seviyeleri s - m kadar arttığından yarıiletkendeki deşiklerle ilgili yüzey engeli;
s -m =eVd
bağıntısıyla verilir.
Metal yüzeyine göre alınan Vd difüzyon potansiyelinin yarıiletkenin iç kısmındaki değeri negatiftir. Kontağın metal tarafındaki deşiklerle ilgili potansiyel engeli;
(s - m) + (Es - s) = (Es-m)
ile verilir.
Isısal dalgalanma nedeniyle yarıiletkenin bazı deşiklerinin metaldeki potansiyel engelini geçmesi için yeteri kadar enerjiye sahip olması gerekir. Ayrıca, metalde ısısal olarak oluşturulan deşiklerin bazıları da, yarıiletken potansiyel engelini geçmesi için yeteri enerjiye sahip olması gerekecektir. Böylece bu durum, engeli geçen eşit ve zıt yönlü iki I0 akımına sebeb olacaktır.
Şekil 1.1.5. Metal/p-tipi yarıiletken kontakların Enerji-Band diyagramı;
(m - s için)
(a) Sıfır geriliminde iken;
(b) V = +V0 > 0 geriliminde iken (düz beslemede);
(c) V= -V0 < 0 geriliminde iken (ters beslemede);
Yarıiletkene V gerilimi uygulanırsa, metal tarafındaki engel değişmeyecek, fakat yarıiletken tarafındaki potansiyel engel yüksekliği eVd 'den e(Vd - V) değerine düşecektir. Bundan dolayı, deşiklerin metalden yarıiletkene doğru akmasıyla I0 akım değeri V gerilimine bağlı değildir. Fakat, deşiklerin yarıiletkende metale doğru akmasıyla oluşan akım V 'ye sıkıca bağlıdır. V, +V0(V0 > 0) ise engel yüksekliği eVd değerinden e(Vd – V0) değerine düşeceği için akımın değeri artacaktır (Şekil 1.1.5b). Eğer V,-V0(V0 > 0) ise, bu durumda engel yüksekliği eVd değerinden e(Vd+V0) değerine artacağından akım değeri küçülecektir (Şekil 1.1.5c). Böylece, kontak doğrultucu kontak olur.
Sonuç olarak, metal/n-tipi yarıiletken ve metal/p-tipi yarıiletken kontakların özellikleri birbirine çok benzerdir. Farklılıkları, akım taşıyıcıların yüklerindeki işaretlerden kaynaklanır.
1.1.8. KRİSTAL TEMİZLEME YÖNTEMİ
-Triklor etilen (CCl3)
-Aseton (CH3CHCH3)
-İzopropil alkol (CH3CH(OH)CH3)
-20 hacim H2SO4 ve 20 hacim H2O2 karışımı ile,
-20′şer hacim (NH3+ H2O2+ H2O) karışımında 10′ar dakika ultrasonik olarak temizlenir.
Daha sonra kristal,
-15 hacim deiyonize su ve 1 hacim %38-40′lik HF karışımında 2 dakika yıkanır.
-2 hacim HNO3, 1 hacim %38-40′lık HF ve 1 hacim Asetik asit (CH3COOH) karışımında 4 dakika tutularak kristalin yüzeyleri parlatılır .
-15 hacim deiyonize su ve 1 hacim %38-40′lık HF karışımında 2 dakika yıkanır.
Her bir temizlik yönteminden sonra,
-Kristaller resistivitesi 1 MΩ-cm’den daha büyük olan deiyonize su ile birçok kere yıkanıp, kuru azot gazından geçirilerek kurutulur.
-Bütün yöntemlerde kristaller kimyasal yolla tek tek yıkanmıştır.
1.1.9. DENEYİN YAPILIŞI
Bu deneydeki amacımız Schottky diyot yapmaktır. Deneyde Silisyum kristali ve %99,999 saflıkta alüminyum atomunu kullandık. İlk önce silisyum kristalini yukarıda anlatılan temizleme metodunu kullanarak temizledik. Deneyin bu aşamasında temizleme kurallarına son derece dikkat edilmiştir. Çünkü bu aşamada yapılacak hatalar elde edeceğimiz diyotun karakteristiğini doğrudan etkiler. Bu aşamayı deneyin ilk aşaması olarak kabul edersek deneyin ikinci aşamasında vakum sistemini kullandık. Vakum sistemini kullanarak olabildiğince yabancı atomlardan arındırılmış bir ortamda çalışmaya dikkat ettik. Vakum sisteminde de yine daha önce ayrıntıları verilen kurallara uyarak çok yüksek vakumlar elde etmeye çalıştık. Bu deneyde 10-5 torr basınç altında silisyum kristaline alüminyum kontak aldık. Daha sonra bu kontağı tungsten üzerinde ısıtarak alüminyumu çöktürdük. Deneyin bu aşamasında alüminyumun bir kısmının buhar şeklinde silisyum kristalinden uzaklaştığını gözlemlemeye çalıştık. Yine aynı bölgeye çöken alüminyumdaki kaybı gidermek için tekrar kontak aldık. Deneyde yapılan diyotun kesiti aşağıdaki gibidir.
Şekil 1.1.6.Schottky Diyot Kesit Şeması
Deneyin son aşamasında ise Si kristalinin diğer yüzüne kontak alarak diyodu elde ettik. Diyodun I-V karakteristiğini X-Y recorder kullanarak elde ettik. Elde ettiğimiz I-V grafiği bir sonraki sayfadadır.
Elde edilen grafikten de görüldüğü gibi diyod ters yönde beslendiğinde ihmal edilemeyecek büyüklükte bir akımın geçtiği görülüyor. Bu akımın sebepleri şu şekilde açıklanabilir:
-Kristalin temizlik aşamasında kullandığımız kimyasal maddelerin ve deiyonize suyun kalitesi ( özdirenci ρ=1MΩ –cm den büyük deiyonize su kullandık)
-Kristali deiyonize su ile temizlerken yeterince iyi temizleyemememiz vb..
-Kullanılan vakum sisteminde 10-5 torr da bulunan yabancı atomların varlığı
-Kullanılan alüminyumun saflığı (%99,999 Alüminyum kullandık)
-Si kristalinden kaynaklanan yapı bozuklukları