Fizik öğrencilerinin hocaya ters köşe yaptırabileceklerine inandıkları klişe sorulardan birisi :'Hocaaağm! Tamam da bu Kuantum Fiziği hayatımızda ne işe yarayacagkkhh!!' Cevap çok basit ve net. 'Elindeki cep telefonu kuantum fiziği sayesinde yapılmıştır.'
Bu keşiften sonra ilk yapılmak istenen şey, bu enerjinin bir yere depolanması ve insanlık tarafından kullanılabilir olmasını sağlamak oldu. Batarya dediğimiz şeyin icadı ile elektrik enerjisinin bir yerde saklanabilir olması bizi biz yapan ana faktörlerden bir tanesiydi. Ama o çatır çutur çarpabilen süper gücü büyük işler haricinde çok da zekice olan daha küçük işlerde de kullanabilmenin bir yolunu bulduk zamanla. O kadar yüksek enerjileri kullanmadan, daha zayıf bir elektrik enerjisiyle icad ettiğimiz küçük küçük aletlere can verebilmeyi ve bunlardan akıl almaz şekillerde faydalanabilmeyi de başardık. Bunun adı elektronik 'ti. Sayısız denemeler ve teorilerden sonra elimizde kalan minnacık şeylere zayıf bir elektrik verince neler yapabildiği bizi bizden alan fantastik bir dünya yarattı. Hatta, üstüne öylesine düştük ki, bugün insanoğlunun içinde bulunduğu çağa adını veren süper işlem gücü olan matematik işlemcileri yani bilgisayarlara kadar vardık nihayetinde.
Bu lezzetli ama bir o kadar da görkemli yolculuğumuza bir telin iki ucuna potansiyel farkı uygulamakla başladık. Yani elimizde pil (batarya) vardı. Sonra bu bataryanın da bir artı bir de eksi ucu vardı. Bir de metal, iletken bir tel vardı. Tuttuk o teli o pilin iki ucu arasına değdirdik. Bir de baktık ki: Işık!!. Gecelerimiz aydınlanıverdi. Evlerimizdeki isli tozlu ateşlerden kurtulduk. Şehirlerimiz ışıl ışıl oldu. Düşünsenize o zamanlar nasıl bir devrim olduğunu böyle birşeyin! Bu bize yetmedi tabi ki. Nasıl yetecekti ki? Belliydi ki bu elektrik denilen şey bir sihirdi ve biz bununla daha neler neler yapacaktık.
Aslında bu ışık, o telin içerisindeki elektronların o tele bir nevi sürtünmesi sonucu çıkan bir başka enerji şekliydi. Sanki bir tahtayı yeterince hızlı ve sert şekilde döndüre döndüre sürtünmeyle yakmak gibi... Elektronlar, bir taraftan bir tarafa yol katederken, içinde bulundukları telin atomlarına ya da birbirlerine delicesine çarpa çarpa yavaşlıyorlardı. Ama onlar yavaşladıkça potansiyel farkından dolayı trilyonlarca yenisi gelip aynı hareketi yapmaya zorlanıyorlardı. İşte bunun adı dirençti!. Elektronlar, içinde bulundukları telin malzemesine ve o malzemenin kalınlığına has bir faktör nedeniyle dirence maruz kalıyorlardı. Direnci en yüksek malzemeler en çok ışımayı ve en etkin parıldamayı yapabiliyorlardı. Ama bunlar için uygulanması gereken potansiyel farkı da bir o denli artırılmalıydı.
Direnç en basit elektronik elemandır. Dirençleri kullanarak basit bir elektronik devre yapabilirsiniz. Ama burada önemli olan mesele malzemenin özelliğidir. Yani malzeme salt metalse, bütün elektronlar, elektriğin iletilmesine katkıda bulunmaya çalışırlar. Yani feci derecede iletkendir. Ama her malzeme bu şekilde değildir. Örneğin bir plastiğin iki ucuna ne kadar yüksek voltaj, yani potansiyel farkı uygularsanız uygulayın o iletimi bir türlü gerçekleştiremiyorsunuz. Plastiğin yapısı bozuluyor, yanıyor ama elektriği bir türlü iletmiyor. İşte plastik, tahta vb. gibi bildiğimiz diğer bu tip malzemeleri de yalıtkanlar olarak biliyoruz. Yarı-metal ya da yarı-yalıtkan diye tabir edebileceğimiz malzeme çeşitleri de var elbet ama bunlar temelde iletken ve yalıtkan malzemelerle ifade edilirler.
Ama biz, insanlar, öyle bir malzeme çeşidi keşfettik ki. Bu malzeme elektronikçiler için bir mucizeydi adeta. İşte bunlara Yarı-iletkenler hayatımıza girdiğimizde kuru kuruya metal dirençlere olan bağlılığımız azaldı ve süper bir hareket alanı elde etmiştik. Evet bundan önce de çok kısa sürelerde enerjiyi depolayan kapasitörler (kondansatörler) ya da elektronların hızını biraz geciktiren ve muhtelif bir çok işe yarayan indüktörler (bobinler) yapmştık ama bu yarı iletkenler bir başkaydı dostum. Bunlar, öyle malzemeler ki belli voltajlar altında istersek yalıtkan, istersek iletken olarak davranıyorlar. Kontrol tamamıyla bizde. Artık devasa devasa alanlar kaplayan lambalar ya da vakum tüpleriyle boğuşmak durumunda değildik. Hatta bir çok alanı kullanan ve iki de bir de açılıp kapanarak çıkışta çok cüzi bir miktarda enerjiyi bize veren elektrik devresi kapıları da yavaş yavaş tarihe karışmaktaydı. Kontaktörler, röleler, anahtarlar....hepsi bu yarı iletkenlerle çağ atlamaya başladılar.
Yarı iletken dediğimiz şeyi diğer yazılarımda da tercih ettiğim şekilde, kimseyi fiziğe ya da matematiğe boğmadan tatlı tatlı (okumalık) anlatmayı planlıyorum. Bir yarı iletken 3 çeşit olabiliyor. Ya elektronları çok olan ki bunlar n-tipi, ya da elektronları az olan ama taşıyıcı olarak bu az elektronların yerine pozitif yüklü taşıyıcıları çok olan ki bunlar p-tipi ya da hem elektron hem de pozitif taşıyıcıları eşit olanlar şeklindedir. Birisinde elektronları harekete geçirip iletime katkı sağlayabilmenin yolu o negatif yüklü elektronları bir tarafından itecek - voltaj, diğer tarafından çekecek bir + voltaj uygulanmasıdır. Ama p-tipi bir yarı iletkene aynı şekilde voltaj uygularsanız bu defa tam tersi gerçekleşecektir.
İşte bu, bu işlerle uğraşanların aklına inanılmaz güzel fikirlerin gelmesini sağlamıştır. 'Peki o zaman' demişler. 'Biz ya bu n-tipi ve p-tipi yarı-iletken malzemeleri bir şekilde birbirlerine birleştirip bu voltajı uygularsak ne olur?'..... Denemişler de. Buna da diyot demişler. Bir tarafında n-tipi yarıiletkenin diğer tarafında da p-tipi yarı iletkenin olduğu ve bir kontak şeklinde birleştiği bu yapılara yukarıda anlattığım gibi bir voltaj verdikleri zaman n-tipindeki iletim taşıyıcısı olan elektronların bir tarafa doğru gittiklerini ama tam kontak noktasına gelince daha da ilerleyemeyip bir engele takıldıklarını görmüşler. Bunun tam tersini de yapabiliyorlarmış. Sanki ellerinde iki-yönlü bir musluk varmış gibi imiş. Bununla voltajın ya da akımın doğrultulabildiği o kadar çok şey yapabilmişler ki, bir buluştan en fazla bu kadar yararlanılabilirmiş.
Diyotlar ile yapılan ve bizim en aşina olduğumuz elektronik eleman LED'lerdir. LED'lerin günümüzden ne kadar yüksek bir enerji verimliliği sağladığını anlatmaya lüzum bile yok. Çünkü elektronik ve fizikten bi-haber bir çoğumuz bunu zaten biliyoruz. LED'lerin yanı sıra ayrıca günümüzde bir de fotovoltaik piller var ki , geleceğimizin enerjisini sağlayan şey. Bu diyotlar akım ve gerilim doğrultabildikleri için bir çok radyo, telsiz, telefon ve televizyon içerisinde, mühendislerin istediği gibi at koşturabildikleri bir yer yaratabilmelerine olanak sağlamıştır.
Ama bu da yetmezdi. İki tane yarı-iletkeni birbiriyle birleştirip böyle birşey elde etmek müthişti. Peki ama ya 3 tanesini ya 4 tanesini yan yana dizselerdi ne olurdu? İşte bu an. Zamanın durduğu andı. Çünkü öylesine inanılmaz bir buluşun arifesiydi ki artık dünya hiç bir zaman eskisi gibi olmayacaktı. Ve denediler. 1947 o yıldı. Germanyum malzemesi ile bu deneyleri yaptılar. Peki amaçları neydi? Yalnızca oyun oynamak ya da sırf meraktan mı yaptılar bunu? Tabiki de hayır. Bilim ve teknoloji öyle bir şey değil elbette. Bir yaraya merhem olmasını umarak yaptılar. O günler telsiz ve televizyonların revaçta olduğu günlerdi. Telsiz deyince aklınıza gelmesi gereken ilk şey; kesinlikle ' sinyal yükseltmek' olmalıdır. Gelen sinyalin çok düşük olduğunu ve bunun anlaşılabilir bir ses, görüntü ya da veriye dönüşebilmesi için kesin surette yükseltilebilmesi gerekmektedir. Sunulan teoriler, yarı iletkenlerin bu şekilde yan yana getirilerek temas ettirilmesiyle böyle bir yaraya merhem olabileceğini öneriyorlardı.
Öyle de oldu. Voltajlar ve akımlar artık yükseltilebiliyor. Ve bir kontağa uygulanan çeşitli voltajlarla çok yönlü bir musluğun su için yapabildiğinin aynısını bu yapı gerçekleştirebiliyordu. Buna Trans-Resistor ya da daha kısa ve net bir ifadeyle Transistör denildi. O zamanlar bu transistörler koca koca vakumlu tüplerin yerini alan mini mini minnacık süper kahramlardı. Bu tip transistörlere eklem transistör (BJT) adı verildi. Bir BJT'nin 3 tane kontağı vardı. Diyotta 2 tane vardır. Transistörün bu 3 kontağından birisi, taşıyıcının kendisine ulaştığı manasına gelen toplayıcı (collector), bir diğeri yayıcı (emitter) ve diğeri de collector ile emitter arasındaki bu geçişi bir trafik polisi edasıyla dur, geç, sen kal, sen az geç şeklinde düzenleyen ve adına da taban 'base' olarak adlandırıldı. P-N-P ya da N-P-N tipi transistörler yapılabilmeye başlandı.
Örneğin N-P-N transistörde P-tipi yarıiletken baz oluyor. Diğer N'ler de kolektor ve emitör. Şimdi Kolektor ve emitör arasına bir voltaj farkı uyguladığımızı düşünün. Buradan bir taraftan diğer tarafa akım iletmek istiyoruz. Ama arada kocaman bir problem var. O da baz. Baz farklı bir tip yarı iletken ve tıpkı diyotta olduğu gibi bu akıma bir potansiyel engeli koyuyor. Dolayısıyla elektronlar oradan geçemiyor. Ne yapmamız lazım? O bazın üzerindeki potansiyeli bir şekilde ya düşürmemiz (ya da duruma göre artırmamız) lazım. Baz ucuna o bazın koyduğu potansiyel engelinin büyüklüğü kadar voltajın ters işaretlisini uyguluyorum ve bir bakıyorum akım karşı tarafa geçmiş. Az bir şey potansiyeli tersine değiştirdiğimde tekrar akım geçemez oluyor. Bu bilgisayarların doğuşunu müjdeleyen gelişme olarak tarihe geçmiştir. Size bahsettiğim bu davranış tipik bir kapı olarak davranmak anlamına geliyor.
Eğer bu transistörleri uygun biçimlerde arka arkaya dizerseniz taa bir ucundan gelmesini ve diğer ucundan çıkmasını istediğiniz akımı kırkbin çeşit farklı çıkışa yönlendirerek bölebilirsiniz. Bu kapı gibi davranan transistörlerin her birinin akım geçirir hali (on-state) 1, akım geçirmeyen hali ise (off-state) 0 olarak algılandığı an, o aklınıza gelen dünyaya artık giriş yaptınız demektir:
100110000111000 0000 1111 00 1 0 1 0 11 1 000
Makina Dili! Artık bu küçük sihirli kutucukları kullanarak muazzam zorluktaki işlemleri makinanıza yaptırabilir hale gelirsiniz. Biz insanlar aynen de böyle yaptık. Biz matematik ve mantık'tan bu 1, 0 , 0'ların ne olduğunu zaten biliyorduk. Bu dili anlıyor, anlatabiliyorduk. 1 ve 1 , 1 veya 0 ya da 1'in değili ve 0 vs. gibi. Bu tipik bir mantık işlemler silsilesiydi. Bu özelliği kullanarak Sayısal Elektroniği oluşturduk. Bilgisayarımız doğmuş bulunmaktadır artık. İstediğimiz komutları bilgisayara işleyip, onun bizim için yaptığı işlemleri tarafımızca kullanılabilir çözümlere dönüştürmekteydik. Hatta artık bu makina dilini biraz daha insani şekle getirip seviye seviye programlama dilleri oluşturarak yazılımlar ürettik.
Bütün bu teknolojiyi bize sunan sihirli bir malzeme vardı. Neydi o biliyor musunuz? Deniz kumu! Evet bildiğiniz kum. Kum doğanın bize istemediğimz kadar çok verdiği bir maddedir. Kendisine nam-ı diğer Silisyum demekteyiz. Silisyum eritilip belli bir işlemden geçirildi ve cam adını verdiğimiz başka bir bilinen malzemeye dönüştü. Durmadık kastık, araştırdık, düşündük, inceledik ve sonunda bu camsı maddeyi de işleyip transistörlerimizi yaptık. Buna Silikon teknolojisi adı verilmektedir. O ünlü Silikon Vadisi lafı da buradan geliyor. Ama bizler bu sihirli transistör dediğimiz elemanı yapmak için yalnızca Germanyum ya da Silikon kullanmıyoruz. Malzeme bilimcileri (
Size şu ana kadar transistör olarak hep silikon ya da germanyum teknolojisi üzerine kurulu olan eklem transistörleri anlattım. Bunlar zayıf voltaj ya da akım kazancı için ya da kapı devreleri olarak kullanılıyor. Ama bir de güç yükselteçleri vardır ki, Fena! İşte bu maksatla Alan Etkili Transistör adını verdiğimiz FET'ler (Field Effect Transistor) icat edilmişlerdir. Bunların da tıpkı eklem transistörler olan BJT'ler gibi 3 adet kontrol ucu yani kontağı vardır. Ama şöyle ki artık isimleri daha farklıdır. Emitter, Collector, Base yerine buradaki kontaklara Drain (Akaç), Source (Kaynak) ve Gate (Kapı) adı verilmektedir. Bunların işleyişleri de çok tuhaf ve eğlencelidir. Bunu anlatabilmek için size biraz tüketim bölgesi adını verdiğimiz fizik olayını anlatmam gerekli.
Boğmayacağım sizi söz:)) Yukarıda anlattım. P-tipi ve N-tipi yarı iletkenleri P'de deşik adını verdiğimiz pozitif boşlukların oluşturduğu taşıyıcılar çok, N'de de negatif olan elektronların. Bunlar bir araya geldiklerinde elektronlar ve + ların olduğu alan da +'lardan elektronlara doğru elektrik alanlar oluşur. Bu elektrik alanlar elektronların (ya da diğer akım ileticilerinin) kayak pistidir. Burada bir çekim alanı altında kendilerine uygulanan kuvvet ile karşı işaretli yük yoğunluğunun çok olduğu yere doğru sürüklenir giderler. Bu alanın daha iki tip yarı iletkeni birbirine birleştirdiğinizde oluşturduğu bir doğal büyüklüğü (mesafe ya da alan cinsinden. Mesela mikrometre kare) vardır. Bir de siz o bölgeye dışarıdan o bölgenin büyüklüğünü artırıcı negatif ya da pozitif bir voltaj uygulayarak müdahale edebilirsiniz. Aynı şekilde azaltıcı yönden de voltaj uygulayabilirsiniz ve uygulaya uygulaya, uygulaya uygulaya bu alanı içinden hiç bir elektronun geçemeyeceği kadar daraltıp sonunda kapatabilirsiniz. Tıpkı da yukarıda anlattığım BJT transistördeki kapatma durumu gibi değil mi?
İşte bu kapatma işlemine boğma ya da pinch-off denilmektedir. Eğer transistörü kapattıysanız, bir taraftan bir tarafa devasa miktarda geçen elektronların geçişini engellemişsiniz demektir. Bu transistörün BJT'ye göre bir diğer avantajı da istediğiniz miktarda akımı, istediğiniz kadar iletebilirsiniz. Sürekli bir lavabo musluğu gibi düşünün. Siz kıstıkça su azalıyor, siz açtıkça artıyor. Bu kadar basit. Diyelim ki bu musluğu açabildiğiniz kadar açtınız. Öyle bir zorladınız ki musluğun mekanizmasını bozup kırarak olan bütün su akışının kontrolsüzce akıp gittiğini hayal edin bir de. İşte alan etkili transistörde de bu musluk görevini Gate yapmaktadır. Gate'e negatif voltaj (duruma göre pozitif de olabilir) uyguladıkça uyguladınız, uyguladıkça uyguladınız. Bir de yetmedi Drain ile Sourca'a da uyguladığınız voltaj farkını artırdıkça artırdınız, artırdıkça artırdınız. Siz böyle yapmakla akım ileticileri, akımı artırmaya öyle bir zorluyorsunuz ki, belli bir süre sonra artırdığınız anormal voltaj farkından ötürü iletim olayına yalnızca akım ileticileri (genellikle elektronlar olur) değil bir de akım ileticisi olmayan malzemenin kristal örgüsü içinde atomların değerlik elektronlarının hemen hemen hepsinin de akımı iletmesine neden olursunuz. Çünkü uyguladığınız potansiyel farkından ötürü artık atomların yörüngelerindeki elektronları bile koparırsınız. İşte bu olaya da kırılma denir. Uygulanan voltaja da Breakdown Voltajı denilmektedir. Bu breakdown voltajı, bir transistörün dayanımının bir ölçütüdür.
İnsanlık Alan Etkili Transistörler ile MOSFET adını verdiğimiz transistörleri icat etmiştir. Mosfetlerle bir çok güç uygulaması gerçekleştirilmektedir. Şu anda Steemit'te bu sayfayı size getiren internetinizin sinyalleri MOSFET'ler olmasaydı hiç bir zaman güçlenip size gelemeyecekti. Ama günümüzde o kadar modern teknolojiler mevcuttur ki transistörlerin çeşitleri say say bitmez, HEMT (High Electron Mobility Transistor), HFET, MESFET, MODFET, vırtfet, zırtfet... hepsi de bize bu bilgisayar çağının nimetlerini sunan başrol oyuncularıdır.
Eğer birisi size bir gün 'Bu guvantum fözüğü de ne işe yarayorr yaww! diye kişnemeye kalkarsa' Hiç bir cevap vermeyin. Manidar bir şekilde yüzüne bakın. Gülümseyin ve aklınıza o küçük, transistör adını verdiğimiz sevimli komponentler gelsin. Onlara ne kadar çok şey borçlu olduğumuzu ve karşınızdaki at kafalıya bunu anlatamayacağınızı hatırlayın :)
#turkcebilim iyidir :)) Bi De Son Görseldeki Transistör, Benim Kendi Ürettiğim Transistör ;)
BİR KAÇ REFERANS:
