3]

Yarı iletkenlerin iletkenlikleri kristal kafes yapılarına arı olmayan maddeler eklenerek kolaylıkla değiştirilebilir. Yarı iletkene kontrollü olarak arı olmayan madde ilave edilmesi işlemi doping olarak adlandırılır. Saf yarı iletkene eklenecek safsızlık miktarı (dopant) maddenin iletkenliği ile değişir. Katkılı yarı iletkenler “extrinsic” olarak da adlandırılır. Saf bir yarı iletkene saf olmayan maddeler eklenerek malzemenin iletkenliği binlerce veya milyonlarca kat değiştirilebilir.
1 cm³’lük bir metal veya yarı iletken örneği 1022’nin katları seviyesinde atom içerir. Metallerde her atom iletkenlik için en az bir elektron verdiğinden dolayı 1 cm³ metal 1022’nin katlarında serbest elektron içerir. 20 C sıcaklıktaki germanyum ise 4.2 x 1022 atom içerirken 2.5 x 1013 serbest elektrona ve 2.5 x 1013 oyuğa sahiptir. %0.001 arsenik ilavesi germanyuma 1017 serbest elektron kazandırır ve bu da aynı hacimdeki germanyumun elektrik iletkenliğini 10000 katına çıkarır.
Katkı maddesi olarak seçilecek maddeler hem kendi özelliklerine hem de eklenecekleri yarı iletkenin özelliklerine bakılarak belirlenir. Genelde katkılar yaptıkları etkiye göre elektron verici veya alıcı olarak sınıflandırılır. Elektron vericiler ile katkılanmış yarı iletkenler n-tipi olarak adlandırılırken alıcılar ile katkılandırılmış yarı iletkenler p-tipi olarak bilinir. n ve p tipleri maddenin ana yük taşıyıcısının ne olduğunu belirtir. Zıt yüklü taşıyıcı da azınlık olarak isimlendirilir. Isı uyarımı dolayısıyla ortamda bulunmasına rağmen ana yük taşıyıcıya göre oldukça az sayıdadır.
Örneğin, arı silikon komşularıyla kolaylıkla bağ kurabilen 4 değerlik elektronuna sahiptir. Silikonda en yaygın katkı maddeleri grup III ve grup V elementleridir. Bütün grup III elementleri 3 değerlik elektronu taşıdığından silikona elektron alıcı olarak eklenirler. Bir elektron alıcı; kristalde bir silikon atomunun yerini aldığında, kristal boyunca hareket edebilen ve yük taşıyıcı gibi davranabilen bir oyuk oluşturur. Grup V elementleri 5 değerlik elektronu taşırlar ve elektron verici olarak kullanılırlar. Kristalde bir silikon atomunun yerine bir grup V atomu yerleştirildiğinde bu atom silikona bir serbest elektron vermiş olur. Sonuç olarak, bor ilave edilmiş silikon p-tipi yarı iletken olurken fosfor ilave edilmiş silikon n-tipi yarı iletken olur.
Üretim sırasında, istenilen katkı maddesi gaz halde iken yarı iletkenle temas ettirilerek difüze edilebilir. Katkıyı yüksek isabetli bir biçimde yapmak için de iyon yerleştirme tekniği uygulanabilir.

Yarı iletkenler ile ilgili ilk çalışmalar maddelerin elektriksel özellikleri ile ilgili deneyler ile başlar. Yarı iletkenlerin akımı doğrultabilme, negatif sıcaklık-direnç değişim katsayısı ve ışığa duyarlılık gibi özellikleri 19. Yüzyılın başlarında keşfedilmiştir.
1883’te Michael Faraday Gümüş Sülfitin direncinin ısıtıldığında direncinin düştüğünü rapor etmiştir. Bu diğer metalik maddelerin davranışının tam tersi bir durumdur. 1839’da A.E. Becquerel ışığa tutulduğunda bir katı ve sıvı elektrolit arasında voltaj oluştuğunu gözlemlemiştir (foto-elektrik olay). 1873’te Willioughby Smith selenyumdan üretilen dirençlerin üzerlerine ışık düşürüldüğünde dirençlerinin azaldığını keşfetmiştir. 1874’te Karl Ferdinand Braun metal sülfitlerin akım doğrultma ve iletkenlik özelliklerini gözlemlemiştir. Bunlar, M.A. Rosenschold tarafından daha önceden keşfedilmiş ve “Annalen der Physik un Chemie in 1835” [14] kitabında da yazılmıştır. Arthur Schuster, kabloların yüzeyinde yer alan bakır oksit tabakasının doğrultma etkisi gösterdiğini ve bu etkinin kablolar temizlenince kaybolduğunu görmüştür. Adams ve Day 1876’da selenyumda foto elektrik etkiyi gözlemlemiştir. [15]
Tam olarak anlaşılamayan bu olayların bütüncül bir açıklaması 20. Yüzyılın ilk yarısında katı hal fiziğinin gelişmesi ile mümkün olmuştur. 1878’de Edwin Herbert Hall, kendi adıyla da anılan Hall Etkisini, yani hareketli yüklerin manyetik alan uygulandığında saptığını detaylıca açıklamıştır. J.J. Thomson’un 1897’de elektronu keşfetmesi, katılarda elektron temelli iletim teorilerinin ortaya atılmasına ön ayak olmuştur. Karl Baedeker, Hall etkisini ters işaretli olarak gözlemleyerek, Bakır iyoditin artı işaretli yük taşıyıcılarına sahip olduğunu teoriye dökmüştür. Johan Koenigberger 1914’te katı maddeleri metaller, yalıtkanlar ve değişken dirençliler olarak sınıflandırmıştır. Hâlbuki Koenigberger’in öğrencisi olan Josef Weiss yarı iletken terimini 1910 yılında yayımladığı doktora tezinde modern anlamıyla tanımlamıştı. [16] [17]1928’de Felix Bloch elektronların atomik kafes örgülerinde nasıl hareket ettiği ile ilgili bir teori yayımlamıştır. 1930’da B. Gudden yarı iletkenlerdeki iletkenliğin az miktardaki safsızlıktan kaynaklandığını ileri sürmüştür. 1931 yılıyla birlikte, “Elektriksel İletimin Kuşak Teorisi” (“the band theory of conduction”) Alan Herries Wilson tarafından öne sürülmüş ve kuşaklar arasındaki boşluk konsepti geliştirilmiştir. Walter H. Schottky ve Nevill Francis Mott potansiyel bariyerinin ve metal-yarı iletken birleşiminin modelini oluşturmuştur. 1938’de Boris Davydov, p-n bağlantılarını tanımlayan ve azınlık halindeki yük taşıyıcılarının ya da yüzey hallerinin önemini açıklayan Bakır-Oksit akım doğrultucular teorisini bilim dünyasına kazandırmıştır. [18]
Tüm çabalara rağmen bazı durumlarda deneyler, teorik öngörülerden oldukça alakasız sonuçlar veriyordu. Bu garip sonuçların sebebi daha sonra yarı iletkenlerin yapısal olarak aşırı hassas olduğunun ve en küçük bir safsızlıktan dahi büyük ölçüde etkilendiğinin John Bardeen tarafından açıklanması ile anlaşılabilmiştir. [18] 1920’lerde saf olarak adlandırılan ancak eser miktarlarda da olsa saf olmayan içeriğe sahip materyaller değişken deneysel sonuçlar vermiştir. Bu da geliştirilmiş madde arılaştırma tekniklerinin geliştirilmesi için önemli bir kıvılcım olmuştur. Günümüzde modern metotların geldiği nokta ile trilyonda birden fazla safsızlık içermeyen yarı iletkenler üretilebilmektedir.
Önceleri yarı iletken içeren cihazlar deneysel veriler referans alınarak üretilmekteydi. Yarı iletken teorisi geliştirildikten sonra daha kullanışlı ve güvenilir cihazlar üretilmeye başlandı.
1880 yılında Alexander Graham Bell selenyumun ışığa duyarlılık özelliğini sesi bir huzme ile iletebilmek için kullandı. 1883’te Charles Fritts selenyum ve ince bir katman altın ile kaplanmış bir metal plaka kullanarak düşük verimle çalışan bir güneş hücresi üretti. 1930’larda bu güneş hücresi fotografik ışıkölçer olarak ticari anlamda kullanıldı. [18] Nokta temaslı mikrodalga doğrultucuları 1904’te kurşun sülfitten Jagadish Chandra Bose tarafından üretildi. Doğal galen veya başka maddelerden üretilen “Cat-Whisker Detektörleri” radyonun gelişiminde yaygın olarak kullanıldı. Ama yine de, bir takım şeyler hala daha kesin olarak öngörülemiyor ve bir takım ayarlamalar gerektiriyordu. 1906’da H.J.Round, -LED’in de temeline oluşturan- silikon karpit kristallerinden akım geçtiğinde ışık yaydıklarını keşfetti. Oleg Losev de benzer ışık yayımlanmasını 1922’de gözlemledi fakat o tarihte bunun pratik uygulaması söz konusu değildi. Bakır oksit ve selenyum içeren akım doğrultucular 1920’lerde üretildi ve ticari olarak vakum tüpünden üretilen akım doğrultuculara alternatif oldular. [15] [18]
2. Dünya Savaşı’ndan önceki yıllarda, kızıl ötesi tanıma ve haberleşme teknolojileri araştırmaların kurşun sülfit ve kurşun selenit maddeleri üzerinde yoğunlaşmasına sebep oldu. Bu cihazlar gemi ve uçakların yerlerini tespit etmek ve sesli haberleşmek için kullanıldı. Noktasal temaslı kristal detektörler mikrodalga radyo sistemleri için hayati önem taşımaya başladılar. Çünkü mevcut vakum tüplü cihazlar 4000 MHz seviyesinde detektör olarak iş göremiyorlardı. Bu nedenle gelişmiş radar sistemler yüksek hızlı tepkiler veren kristal detektörler kullanılarak üretildi. Önemli bir araştırma ve geliştirme süreci de istikrarlı ve kaliteli detektörler üretmenin önemi sebebiyle savaş sırasında yaşandı. [18]
Detektörler ve akım doğrultucular sinyalin yükseltilmesi amacıyla kullanılamıyordu. Yarı iletkenler hakkındaki teorik bilgi oldukça sınırlı olduğu için katı hal sinyal yükseltici geliştirmek amacıyla yapılan birçok çalışma ve araştırma sonuçsuz kalmıştı. [18] 1922’de Oleg Losev, iki uçlu ve negatif dirençli bir radyo yükselteci üretmeyi başardı (kendisi ne yazık ki 1942’de Leningrad Kuşatması sırasında donarak can vermiş). 1926’de Julius Edgar Lilienfeld, pratik olarak kullanılamasa da, alan etkili transistörü andıran bir cihazın patentini aldı. R. Hilsch ve R. W. Pohl 1938’de vakum tüplerinin kontrol yapısını andıran bir katı hal yükselticisi ürettiler. Her ne kadar bu cihaz güç kazancı sağlıyormuş gibi görünse de bir sınır frekansına sahipti ve pratik uygulaması oldukça sınırlı idi. Fakat yine de mevcut teorinin efektif bir uygulaması olması açısından önemli idi. [18] Bell Laboratuvarlarında 1938 yılında William Shockley ve A. Holden katı hal yükselteçleri üzerinde çalışmaya başladılar. İlk silikon p-n birleşimi 1941 yılında ışığa duyarlılık açısından p ve n bölgeleri arasında keskin farklar olan bir örneğin bulunması ile gözlendi. Örnekten alınan ince bir dilim p-n birleşiminde ışık etkisiyle potansiyel farkı oluşturuyordu.
Fransa’da, savaş sırasında Herbert Matare germanyum bazlı bir maddenin komşu temas noktalarının yükselteç işlevi gördüğünü gözlemledi. Savaşın ardından, Matare’nin araştırma grubu “Transistorn” yükselticilerini Bell Laboratuvarları transistörü duyurduktan hemen sonra ilan etti.


1.Mehta, V. K. (2008-01-01). Principles of Electronics. S. Chand. p. 56. ISBN 9788121924504. Retrieved 6 December 2015.
2.Feynman, Richard (1963). Feynman Lectures on Physics. Basic Books.
3. Shockley, William (1950). Electrons and holes in semiconductors : with applications to transistor electronics. R. E. Krieger Pub. Co. ISBN 0882753827.
4.Global Semiconductor Retrieved 24-05-2016
5.Neamen, Donald. "Semiconductor Physics and Devices" (PDF). Elizabeth A. Jones.
6.By Abdul Al-Azzawi.