, elektriksel alanın uygulanması sonucu materyaldeki elektrik iletkenliğinin değişimidir. Bir metalde elektriksel alanın uygulandığı bölgenin elektron yoğunluğu o kadar yüksektir ki, elektrik alan metalin içine çok kısa bir mesafede yayılabilir. Ancak bir yarı-iletkende, elektriksel alanın uygulandığı bölgenin elektron yoğunluğu düşük olduğu için elektriksel alan metalin içine uzun bir mesafe yayılabilir. Bu yayılma yarı-iletkenin yüzeyine yakın olan kısımlarının iletkenliğini değiştirir ve buna Alan Etkisi denir. Alan etkisi, Schottky Diyotu ve Alan Etkisi Transistörünün, MOSFET, JFET ve MESFET’in, temelinde yatar.

Yüzey iletkenliğinin değişme sebebi uygulanan alanın elektronların yüzeyden hatırı sayılır mesafede derinliğe uygun enerji seviyesini değiştirmesi ve sırayla yüzey bölgesindeki enerji seviyelerinin doluluk oranlarını değiştirmesidir. Böyle etkilere uygulanan sıradan işlem, bant bükme enerjilerin metalin içinde yayıldıkları uzunluğa bağlı fonksiyonun pozisyonunun gösterildiği bant bükme şemasına dayanmaktadır.

Örnek bant bükme şeması şekilde gösterilmiştir. Uygun olması açısından, temel yük `q` faktörünün kullanılmasından kaçınılarak enerji eV cinsinden ifade edilmiştir. Şekilde soldaki katman yalıtkan, sağdaki katman iletken olmak üzere çift katmanlı bir yapı gösterilmiştir. Bu tür yapılara örnek olarak MOS kondansatörünü verebiliriz. MOS kondansatörü metalden kapaklarla temaslı iki uçlu yapıdan, bir gövde temaslı yarı-iletken gövdeden (Si) ve aradan geçen bir yalıtkan katmandan (SiO2) oluşur. Soldaki panel iletken bandın en düşük enerji seviyesini ve değerlik bandın en yüksek enerji seviyesini gösterir. Bu seviyeler pozitif voltajın uygulanması sonucu bükülür. Gösterilen elektron enerjilerinin yani yüzeye yayılan veya sızan pozitif voltajın iletme sınırını düşürdüğü kabul görülmüştür. Kesikli çizgi doluluk oranı durumunu şu şekilde ifade eder; Fermi seviyesinin altında bölgeler dolmaya daha fazla meyillidir, iletken bant Fermi seviyesine yaklaşmaya başlar ve belirtilen daha fazla elektronlar yalıtkanın yanındaki iletken bandın içinde bulunur.

Figürdeki örnek alt katman maddesindeki en yüksek değere sahip bant köşesinde, sıralı olarak uygulanan kuvvetten uzakta olan Fermi seviyesini gösterir. Yarı-iletken içerisinde kirlilik üreterek düzenlenen kullanım süresi düzeyi bu pozisyon içindir. Bunun olması takdirinde, kirliliğe, elektronları negatif yüklü değerliliğe sahip bantlardan kabul eden, ve hareketsiz iyonları yarı-iletken madde içerisine yerleştiren denilmektedir. Koparılan elektronlar değerli bant seviyelerinden, değerli bant seviyelerinde boşluk bırakarak çekilir. Yük alansız ortamdan, negatif iyon kabul edici iyon pozitif eksikliği barındıran malzemeler yarattığından dolayı negatif olarak baskın gelir. Bu özelliğe sahip malzemelerde elektronlar bulunmadığından pozitif yükmüş gibi davranır. Alan sunulmadığı zaman, negatif iyon kabul edici iyonlar tam olarak pozitif boşlukları dengelediğinden dolayı tarafsızlık oluşur.

Bant bükücünün yanındaki tanımlanmıştır. Örneğin metal geçidi elektrodunu kullanarak yapılan yalıtkanın sol tarafına pozitif yük yerleştirilebilir. Yalıtkan içerisinde yük olmadığından dolayı elektrik alan sabittir ve bu durum malzeme içindeki gerilimin doğrusal olarak değişmesine neden olur. Sonuç olarak, yalıtkan şartları ve değerliliğe sahip bantlar figürdeki büyük enerji boşluğundaki yalıtkanlarla ayırılmış düz çizgilerdir.

Küçük gerilimdeki yarı-iletkenler panonun üzerinde gösterilirken, yalıtkanın enerjisini azalttığı bandın köşesinin sol tarafına pozitif yük yerleştirilmiştir. Sonuç itibarıyla, bu ifadeler tamamen ele geçirme olarak tanımlandığından alt katman kullanım süresinin kendini alan daha ileriye nüfuz edemediğinden dolayı yeniden oluşturduğu için tüketme derinliği denilmektedir. Yüzey alanı yakınlarındaki değerliliğe sahip bant seviyeleri, düşük seviyeli olduklarından dolayı tamamen kullanılmıştır. Yalnızca elektriksel olarak boşlukları olmayan yalıtkan haline gelen hareketsiz negatif iyon kabul edici iyonlar yüzey alanı yakınlarında varlığını sürdürebilmektedir. Dahası, alan nüfuzu negatif iyon kabul edici iyon yükleri yalıtkan yüzeyine yerleştirilmiş pozitif yüklerle denge durumuna maruz bırakıldığı zaman durdurulur. Tüketim katmanı geçitteki negatif iyon kabul edici yükleri pozitif yüklerle dengede olacak kadar dengeyi ayarlamaktadır.

Bant köşelerinin taşınması ayrıca azaltılmıştır. Düzeylerdeki elektron kullanmanın artışı düşük voltajda olursa, artışı belirli olmaz. Fakat, yüksek uygulanan voltajda üst panelde olduğu gibi, bant köşelerinin taşınması enverziyon tabakası denilen dar yüzey tabakası düzeyindeki önemli popülasyonlara neden olmak için azaltılmıştır. Çünkü elektronlar başlangıçta yarı-iletkene yerleşen boşluk için kutuplaşma sırasında zıttır. Bu enverziyon tabakasındaki elektron yükünün başlangıcı eşik gerilimi uygulandığı zaman çok önemli bir hale gelmiştir ve bu gerilim bir kez uygulandığında eşik gerilimini geçen yük, iyon kabul edicisi yükü tüketim katmanının genişletilmesiyle arttırmaktansa enverziyon tabakasını elektron ekleyerek arttırarak, neredeyse her yerde tarafsız durumda olacaktır. Yarı-iletken içerisine nüfuz eden daha fazla alan bu noktada durdurulmuştur çünkü elektron öz kütlesi üslü bir biçimde, eşik geriliminin uzağındaki bant bükücü ile, etkili olarak tüketim katmanı derinliğini ve eşik gerilimindeki değerini yakalayacaktır.




Brownian ratchet

Termal ve istatistiksel fizik felsefesinde, Brownian ratchet ya da Feynman-Smoluchowski ratchet 1912 tarihinde Polonyalı fizikçi Marian Smoluchowski tarafından analiz edilen ve 11 Mayıs 1962 tarihinde, Kaliforniya teknoloji enstitüsünde, Nobel Ödülü kazanmış Amerikan fizikçi Richard Feynman tarafından bilinir hale getirilen görünür devridaim makinedir. Bu basit makine küçük kısa kürekler ve mandallı çark içerir. Maxwell’in cini olarak görülse de, termal denge sistemindeki gelişigüzel dalgalanmadan işten kazanç sağlayabilmek için kullanılır. Termodinamiğin ikinci yasası ihlali, termal denge sistemindeki gelişigüzel dalgalanmayı kapsar. Detaylar Feynman ve diğerleri tarafından analiz edilmiş ve neden bunu yapamadığını göstermişlerdir.

Makine mandallı çark olarak da bilinen tek yönde serbestçe dönebilen dişli içerir. Fakat, dönüşü ters yöndeki kilit mandalı tarafından önlenmiştir. Dişli, dingille ilk derecede su moleküllerine batırılabilen mandallı çarka bağlıdır. Bu moleküller ısı tarafından belirlenen kinetik enerjiyle oluşan ısı banyosu içerir. Makine, kısa küreği çevirebilen tek molekül çarpışmasındaki impuls kadar küçük olarak düşünülebilir. Bazı çarpışmalar çubuğu döndürmeye yatkın olmasına rağmen, kilit mandalı kısa küreğin tek yönde dönmesine müsaade eder. Bunun gibi bazı çarpışmaların etkileri mandallı çarkın aynı yönde devamlı olarak dönmesi için yeterlidir. Ratchet’in hareketi başka sistemlerde iş yapmak için kullanılabilir. Örneğin, yer çekimine karşı m ağırlıklı yükü kaldırmak. Isı banyosundan gelen enerji ısı meyiline bakılmaksızın, iş yapmak için gereklidir. Bunun gibi makinelerin başarılı şekilde iş yapabilmesi için, makinelerin, ‘Devir yapan herhangi bir makinenin, su deposundan ısı alması ve bir miktar iş yapması imkansızdır.’ belirten termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etmesi gerekir.

Brownian rachet’in ilk izlenimi Brownian hareketinden iş açısından yarar sağlamak olmasına rağmen, Feynman eğer bütün makine aynı dereceye sahipse, mandallı çarkın devamlı olarak aynı yönde dönemeyeceğini fakat gelişigüzel ileri geri hareket edeceğini ve bu hareketten herhangi bir iş yapamayacağını kanıtlar. Bunun nedeni, kilit mandalı kısa kürekle aynı ısıya sahip olduğundan dolayı Brownian hareketine maruz kalarak, yukarı aşağı zıplayacaktır. Mandallı dişli çark, kilit mandalının üzerinden aşağı doğru serbestçe kayabildiğinden dolayı makine aralıklı olarak başarısız olacaktır. Başka bir neden ise, kilit mandalı dişlinin eğimli yüzeyindeyken, kilit mandalını döndürebilen yay dişlinin eğimli yüzeyinde duran ve mandallı çarkla ters yönde dönmeye meyilli olan kilit mandalına tek yönlü kuvvet uygular. Feynman eğer son dereceye sahip mandallı çark ve kilit mandalı ilk dereceye sahip kısa küreğe eşitse, başarısızlık oranı mandallı çarkın ileriye doğru başarısızlık oranına uzun ve yeterli periyotlardan sonra net hareket olmaması için eşit olmalıdır cümlesini kanıtlar. Bu basit kanıt, dişlinin şekline bağlı net hareketin ortaya çıkmadığı, Magnasco tarafından verilir.

Bunun yanı sıra, son sıcaklık ilk sıcaklıktan küçükse, mandallı çark gerçekten ileriye doğru hareket edecektir ve işten yarar sağlayacaktır. Bu örnekte veya düşüncede, enerji iki termal haznenin derece farkından alınır ve dışarı çıkan atık ısı, kilit mandalı tarafından düşük hazneye doğru boşaltılır. Başka bir deyişle, makine fonksiyonları termodinamiğin ikinci yasasına uyan minyatür bir ısı motorudur. Diğer taraftan, eğer ilk sıcaklık son sıcaklıktan büyükse, makine döndüğü yönün aksi yönünde dönmeye başlayacaktır.

Feynman ratchet modeli aynı konsepte sahip Brownian motors’a neden olmuştur. Isısal gürültü yerine kimyasal potansiyelden ve başka mikroskobik dengede olmayan kaynaklardan yararlı iş alabilen çok küçük makineler, termodinamiğin yasalarına uyar. Diyotlar kısa kürek ve kilit mandalının elektriksel analoglarıdır ve aynı nedenden dolayı diyotlar, aynı devredeki Johnson gürültüsünü damıtarak yararlı enerji üretemezler.

Dişli mandalı ve kısa kürek ilk kez ikinci yasaya uymayan makine olarak Gabriel Lipmann tarafından 1900 yılında tartışıldı. 1912 yılında, Polonyalı fizikçi Marian Smoluchowski makinenin neden geçersiz olduğu hakkındaki ilk doğru ve etkili açıklamayı yaptı; kilit mandalının termal hareketi mandallı çark dişlisine geriye doğru kaymasına izin verir. Feynman 1962 tarihinde, Maxwell-Boltzman dağıtımını kullanarak makinenin ilk etkili analizini yaptı. Maxwell-Boltzman dağıtımı kısa küreğin ilk derecesi, mandallı çarkın son derecesinden büyük olursa, makine ısı motoru olarak görev yapar. Fakat, kısa küreğin i