Peki, bilgisayar parçalarınız nasıl hayata veda edebilirler? Kullanım şekli diyerek bunu kısaca özetleyebiliriz ancak yarıiletken cihazların kullanım ömrü birkaç etkene bağlıdır. Yarıiletkenlerin ve diğer devrelerin bozulmasına sebep olan birçok neden sayabiliriz fakat yaygın olarak kullanılan bileşenleri etkileyen özellikle üç etken şunlar: elektrik akımı, maddenin saflığı ve sıcaklık. Yarıiletken endüstrisinden üretim sürecinde cihazlar kalite kontrol testlerinden onay alsalar da bütün parçalar aynıdır diyemeyiz. Ara sıra hatalı üretimlerle de karşılaşabiliyoruz ve maalesef bunu anlamalı ve bu gerçekle yaşamayı öğrenmeliyiz. Bu durum her ne kadar bizim denetimimiz dışında gerçekleşse de diğer iki etken tamamen bizim sorumluluğumuza bağlı.
Elektrogöç (Electromigration)
Thomas "Tom" Pabst geçmişteki bir makalesinde bileşenlerin giderek bozulmasına sebep olan süreçlerden bir tanesinin elektrogöç olduğuna dikkat çekmişti. Elektrogöç elektronların momentumu vasıtasıyla metal atomlarının yer değiştirmesidir, yani bulundukları sabit pozisyonu terk etmeleridir. Bunu bir kum fırtınasının geçtiği yerdeki kumların bir yerden başka bir yere taşınması ya da çok yüksek hızla fırlayan bir kurşunun silahın iç çeperini aşındırması olarak hayalinizde canlandırabilirsiniz. Elektrogöç sürecinde ise benzer bir şekilde elektronlar da metal atomlarını başka yerlere taşırlar. Bu iki şekilde bir devrenin bozulmasına sebebiyet verebilir: Atomlar devre yollarını kırarak birbirinden ayrılabilir, ya da başka atomlarla birleşerek kısa devrelere sebebiyet verebilirler. Hangi yolla gerçekleşirse gerçekleşsin bu olayın bileşenlerinize zarar vereceği kesin.
"Ama yarıiletken malzemelerin silikondan yapıldığını düşünüyordum" diyebilirsiniz ve evet öyleler. Yongaların silikondan üretiliyor olmasının nedeni bu malzemenin yeri geldiğinde iletken veya yalıtkan olma gibi ilginç bir fiziksel özelliğe sahip olmasıdır; hammadde işleme sürecinde nasıl işlendiyse ona göre elektrik akımını iletiyor ya da önünü kesiyor. Silikon malzemeye böyle bir özellik kazandırabilmek için hammadde "doping" adı verilen katkı maddeleri (bor, fosfor vb. Elementler katılarak) ile bombardıman edilerek artı ve eksi yüklü alanlar elde edilir ve elektrik akımı bu kutuplaşma sayesinde bir yerden başka bir yere iletilmiş olur. Silikon bir yonga üzerinde elektriksel bir kapı (gate) oluşturmak basitçe bu şekilde açıklanabilir.
İlginç olan şu ki yarıiletken bir malzemeler yeterince yük taşıyıcı miktarı (katkı maddesi oranı) bulunmadıkça elektrogöçten olumsuz etkilenmezler. Bununla beraber, silikon katkısı %1'den bile daha fazla ise yüksek akım çekilmesine sebebiyet verebilirler ve elektrogöç meselesi ortaya çıkabilir. Üstelik yongalar çok hassas metal köprüler içeren katmanları da bünyesinde barındırıyor.
İletken elementlerin bileşenler içinde hareket edebilmesi olasılığından bahsetme gereği duydum, çünkü bunun olma sıklığını etkileyen iki önemli etken mevcut. Böylece bu etkenlerden birisine değinmiş olduk - devreden akıp giden akım miktarı ve ikincisi ise sıcaklıktır.
Sıcaklık
Dr.J.R. Lloyd elektrogöç hakkındaki bir makalesinde "Sıcaklık değiştikçe ne kadar elektrik akımının iletileceği ve bunun ne kadar sağlıklı bir biçimde devam ettirilebileceği yarıiletken malzemede çekirdeklenme (nucleation) veya büyüme (growth) ile alakalı bir bozunum olup olmadığına ve baskın yayınım (diffusion) mekanizmasının bunlardan hangisi olduğuna bağlıdır. Eğer büyüme eğilimli bir yayınım varsa ve yarıiletken malzemenin sıcaklığını yayınım katsayısının iki kat artmasına sebep olacak kadar arttırırsak, akım yoğunluğunu da yarıya düşürmeliyiz. Şimdi bunun tam tersini düşünelim, akım yoğunluğunu iki misli arttırmak istiyorsak, yarıiletkenin sıcaklığını 20 derece daha soğuk tutmak zorundayız. Eğer bozunma çekirdeklenme ile alakalı ise benzer bir sıcaklık değerini temel alırsak akım miktarı yaklaşık %30 oranında azaltılmalıdır." açıklamasında bulunmuştu.
ÇN: Alüminyum katkılı alaşımlar ve tane sınırı yayınımı (grain boundary diffusion resim için tıklayın) - metal atomlarının düzgün bir biçimde gruplaşıp, bu grupların kendilerine has tanecik dizilişleri sebebiyle kendi aralarında birbirleri arasında elle çizilmiş gibi kırınım hatları oluşturduğu yüksek enerjili kararsız bölgelerde gerçekleşen atom çekirdeği göçü, yayınım için 20 derece daha yüksek bir sıcaklık değerinde yayınım katsayısı öncekinin iki misli olur.
Laymen de benzer şekilde makalelerinde bir yarıiletken cihazın normal çalışma sıcaklığında kalmayı sürdürebilmesi için 20 santigrat derecelik kademeler temel alınarak yonga sıcaklığı normal çalışma sıcaklığından kaç kademe yüksek ise akım miktarının da o kadar ikiye bölünmesi (yarıya düşürülmesi) gerektiğini ifade ediyor. Elbette, biz hızaşırtma yaparak bu kurala uymamış oluyoruz: Aynı devreye daha fazla elektrik enerjisi uyguladığımızdan dolayı yonganın içinde dolaşan elektrik akımını arttırmakla kalmıyoruz, sıcaklığı da arttırmış oluyoruz. Bütün elektrik iletim hatları ve devreleri bir iç dirence sahiptir. Fakat ilginç olan şu ki sıcaklık artınca yarıiletken malzeme elektriği daha iyi iletir ve metal atomları daha fazla direnç gösterir. İşte bu sebepten dolayı elektrik akımı silikondan metale geçerken elektrik akımının kuvveti metal malzemenin devre yollarını kırarak veya kısa devre oluşturmasına olanak vererek akımın diğer devre gruplarına erişmesine engel olabilir. Gördüğünüz üzere bu ve diğer bazı etkenlere de bağlı olarak hızaşırtmada yeterli soğutmanın önemi büyüktür.
