IŞIK KAYNAĞI OLARAK KULLANILAN YARI İLETKEN DİYOTLAR

Işık Kaynağı Olarak Kullanılan Yarı İletken Diyotlar

Çeviren : Bülent DÎKMAN

H. Ü.

ÖZET

Çok değişik kullanılış yen olan yarı iletken di l/otlardan ışık kaynağı olarak da faydalanılır. GaP lâmbaları ite normal bir odayı aydınlatacak 10 40 Ft lambert'lik bir ıştk düşeyi elde edilebilir. GaAS lâmbaları ise, ses ve video işaretlerini modüle edil miş ışık huzmelerine çevirmede, örneğin bir televiz yon link sisteminin yapılmasında kullanılabilir. Band genişliği 1 GHz'in üstünde olabilir.

SUİİMABY

Semiconductor dtodes are used for several pur poses. Besides the other applications they are also used as light sources. When a normal size room is illuminated by a Ga P (GalHum Phosphide) diode, a light of intensity of 10 40 ft lambert is obtained. With Ga As (Gallium Arsenide) diodes video and sound signals can be transformed into modulated light rays. An application of the above is seen in the television link systems. Band width may be above 1 GHz.

Işık, yarı İletken maddelerde p n bltişiminden yüklü taşıyıcıların geçmeleri (injection) ve tek rar birletmelerinden (reoombination) meydana gelebilir. Şekil l'deki gibi basit bir bitiğim ele alalım. Bitişimin n bölgesi serbest elektron faz lalığı ihtiva eder, p bölgesinde ise pozitif yüklü delikler fazlalığı vardır. Polanlmamış durumda (a) geçiş yüzeyi, bitigimdeki yüklü taşıyıcıların, bir taraftan diğer tarafa geçişini sağlar. Bitişi min n tarafında kaybolan elektron bir [pozitif yük bırakır. Benzer şekilde p tarafta kaybolan bir delik negatif yük bırakır. Bu yüklerin ayrıl ması ve ters taraflara geçmeleri sonunda bir elektrik alanı meydana gelir. Böylece bir elek trik! denge durumu hasıl olur.

donor Ijon

Şekil 1. Şematik gösteriliş : (a) Polanlmanuş, (b) Şekildeki yönde polardmiş.

4 _bol3«, h bitişim K^'t'k açı n . bölgesi

c x X

ŞekU a. Nokta kaynak! p n bitişimi: ABC, ADE çıkan ışınlar, AFOH yansıyan iguu

Bitişim ileri yönde polarıldığı zaman, ilk ön ce boşluktaki yükler sıfıra İner, sonra gerilim yükselir ve iki yönde yük transferi başlar. Elek tron İle delik birleştiği zaman yük kaybolur ve bu yüke eşit miktarda enerji çıkar. Bu enerji, bitiştaıdeki boşluk materyalinin «dlrekt> veya «endlrekU oluşuna bağlı olarak, jşık veya ıgık artı ısı şeklinde görülür. Direkt boşluk mater yalinin elektrik enerjisini ısıya çevirmede veri mi daha yüksektir.

Işık enerjisinin frekansı yaiı iletkenin boşluk bandına bağlı olarak şu bağıntı ile verilir.

E Burada,E h U

h.U boşluk bandı enerjisi plank sabitesi (6,6x10 34 joule sec) radyasyon frekansıdır.

Denklemden görülür ki radyasyon frekansı yarı İletkenin boşluk bandı enerjisi ile ters oran tılıdır, pörültebilen ışığın dalga boyu yaklaşık olarak 3600 ile 7600 A. arasındadır. Buradan da yarı iletkenin boşluk bandının 1,7 ile 3,4 eV ara sında olması gereği çıkar.

Tablo l'de bazı önemli ışık yayan maddeler gösterilmiştir. Bunlardan çinko selenid İle çinko sülfit dışındakiler ile kolayca bir p n bitişimi elde edilebilir.

Yakın bir gelecekte, kırmızı altına yakın ışık veren gallium arsenid (GaAS) diyodu İçin yoğun bir çalışma yapılacaktır. Görülebilen ışık yayan gallium phosphlde (GaP) şimdi, araştır macılar için çok enteresan bir konudur. Bu se

Şekil 3. Yanm küre Ga As lâmbasının

«».«.lişnn « t a .

Tablo 1: Bazı önemli »Şık yayan maddeler :

(Eleman.

Indium Arsenide Siliöon Indium Phosphide Galiiıun Arsenide Gallium Phosphid» Zınc Selenid* Silicon Carbide Zınc Sülphide

Boşluk Bandı ( eV)

0,36

1,1

Îİ3

İti

2,2 2,<

3,1

Direk veya Endirek

Yayın dal^a boyu

0 34.000 Kırmızı altı i

1 11.270 Kırmızı alti

9.500 Kırmızı altı

9.000 Kırmızı altı,

5.650 Yeşil)

4.800 Mavi)

4.000 Mavi)

3.400 Ultravıolet)

beple bu iki diyot hakkında daha derin bir in celeme yapacağız.

Gallium arsenit lâmbaları :

GaAs ticarette, dilim şeklinde yüksek ev saflı tek kristal halindedir, p n bitişimi normal olarak, İyi parlatılmış serbest duran dilim şek linde 1017 donor c/c ihtiva eden 0,020 inç kalın lığındaki kristale, kirletilmiş p tipi çinkonun difuzyonu ile elde edilir. Işık yayılmasını incele mek İçin bu parçadan tavla zarı gibi bir parça keselim. Şekil 2'de görülür ki bu parçadan ışığın, dışarı çıkabilmesi için kritik yansıma açısından küçük açıyla gelmesi lâzımdır. GaAs için kritik yansıma açısı 17° dlr. Bu husus lâmbanın veri mine tesir eder. Cihazın kuantum verimi (dışa rı çıkan ışık enerjisi: içerdeki elektrik enerjisi şeklinde tarif edilir.) •% 0,1 civarındadır. Eğer yayılma yüzeyini yansıma yapmıyan SiO2 veya SİO ile kaplarsak verim % 0,2 ye kadar yüksele bilir.

Şekil 3 ve 4"de ışık miktarını yükseltmek için iki metot gösterilmektedir. Şekil 3'deki yarım küre şeklindeki cihaz, ışığın normal olarak dı şarı alınması için hazırlanmıştır. Cihaz yansı

ma yapmıyan bir madde ile kaplanırsa kuantum verimi normal oda sıcaklığında % 15 olur.

Şekil 4'de görülen diğer yapı düzleştirllmiş yüzeye diğer elemanın hâk edilmesi İle elde edi lir. Işık, parçanın üzerine kaplanmış, altın yap rağından yansır. Bu yapının verimi azdır (% 0,5), fakat maliyeti diğerine nazaran düşüktür.

Tipik bir Ga As difuzyon bitişlmlnde İleri di yot karakteristiği, 1,2 V'da İleri kesim gerilimi

Carn izalatÖr

Şekil 4. Mesa Ga As igık kaynağı. 45

gösterir. Bu noktadaki ışık yayma, içinde geçen akımla doğru orantılıdır. Akım, bitişimden çı kan ısıya bağlıdır. Bu sebepten bitişimin hemen yakınına soğutma başlıkları konur. Güçlü lâm balarda verim, bu soğutma başlıkları nazarı iti

bare alınmak suretiyle hesaplanjr. Genel olarak verim, bitişimi aşırı ısıtmayan çalışma duru mundaki akımda, maksimuma erişir. Ferranti, GaAs lâmbasının karakteristikleri Tablo 2 ve 3 de gösterilmiştir.

Karakteristik

Min.

Tipik Max. Şartlar

Devamlı ileri akın İleri gerilim Kesim gerilimi (Ters) 4 V

Seri direnç Işık yükselme zamanı Işık düşme zamanı Muhit sıcaklığı

Çalışma sıcaklığı

100 mA 1,2 V 10 V

100 p F

1 ohm , 5 nsa 5 nea

Jf = 100 BÂ «Ir = 10 mA (Vr= IV (t İMHz

a) 25 C° deki karakteristikler

XS30P

, XS31P

, XS32P

XS30L

XS31L

XS32L

t>) fvW cinsinden dışarı verilen enerji

Tablo 2. GaAs lâmbalarının karakteristikleri:

JCarakteristik ' Min.

Devamlı ileri akım

İleri gerilim

Ters gerilim

4V

Seri direnç' Işık yükselme zamanı Işık düşme zamanı

Tipik

Max.

Şartlar

1A 1,7 V 10 V

50 pl2

0.6 ohm 5nseç 5nseç

If İA ir 5mA (V 0 V (f 1 MHz

a) 25 C°deki karakteristik

XS40P

XS41P

XS42P

XS40L

0,5

X?41L

1,0

XS42L

b) mW cinsinden dışarı verilen enerji

Tablo 3. GaAs lâmbalarmm karakteristikleri :

GaAs stabil ve uzun ömürlü bir lâmbadır. Bir çok yerlerde tungsten filamanlı 'lâmbaların yer l'erini alabilir. Mesela bant ve kart okumada 6 W tungsten filamanlı lâmba yerine 4 mW gü cünde GaAs konabilir.

GaAs lâmbası ile ani ışık darbeleri yaparak, silikon ışık detektör pillerinde elektrik! darbe ler eld.e edilebilir. Buradaki verim •% 70 civa rındadır. Işık darbesinin yükselme ve düşme za manı 5 ns civarında olduğundan GaAs lâmbala rı, ses ve video işaretlerini, modüle edilmiş ışık huzmelerine çevirmede kullanılır. Bu modulasyo nun limiti, foto detektörlerin limltasyon hızla rının halen hesaplanmamasından dolayı tespit edilememiştir. Fakat bant genişliği rahatça 1 GHz olabilir.

GaAs kullanılarak yapılan bir televizyon link sistemini lnceliyeldm. 625 satır 50 Hz ve' 8 band genişliğindeki bir televizyon için Şekil 5'deki sistem kullanılabilir. Bu cihazdaki en mühim zorluklar, gürültü/işaret oranı ve optik eleman lardır.

Gallium fosfid lâmbaları : Ferrenti Ltd. tarafından imal edilen bu kris tal lâmba yeşil (5650 Â) veya kırmızı (7000 A) ışın bölgesinde çalışır. Şekil 6'da iki renkli ışın yayınının basit bir resmi görülmektedir. Kırmıza

İL.E.TK.EN R>AMD|

VALANö

6. îkl renkli ışın yavnunm basit resmi. 5CM MİDT

OPTİKL .SİSTEMİ

Şekil 5. Kırmıza alta ıştınlarla yapılan televizyon link sistemi.

Sistem :

(a) Vidikon kamera ve kamera kontrol üni tesi.

(ıb) 21 inoh monitör (monitör A).

(c) Modulatör A video modulasyonlu akimi GaAs diyoduna verir.

(d) GaAs ve optik sistem bu moduleli akı mı kırmızı altı ışınlarına çevirir.

(e) Radyasyonları almak için benzer bir op tik sistem.

(f) Foto çoğaltıcı kırmızı altı ışınlan elek trlki işarete çevirir.

(g) Amplifikatör ve monitör B.

işuı kristale çinko ve oksijen verilmesi ile elde edilir. Bu durumda valans bandında 0,4 eV el de edilir. Bu da kırınızı ışına tekabül eder. (7000

O

A).

Şekil 7'de GaP lâmbasında yeşil ve ktrmızj ışınların radyasyon eğrileri görülmektedir, p n bitişimi, kırmızı ve yeşil radyasyon ya pacak kristallere nokta şeklinde bir parça ka layın 600 C'de yapıştırılması ile elde edilir. Bu esnada, çinko zerkedilmiş altın tel de 0,02 inç karelik bir satha omik teması sağlamak için yapıştırılır. Lâmbanın basit bir yapılışı Şekil 8' de gösterilmiştir.

Lâmbanın ileri polarmada çektiği maksimum akım 20 m A ve üzerindeki gerilim düşümü 2

P lashk. kap

Şekil 7. Yeşil ve kırmızı OaP ve GaAs lâmbalannm spektnuna.

Vdur. Bu şartlarda kırmızı lâmba, maksimum çıkış olarak 25 inıW (555 mlkro lümen), yeşil lâmba 12 mIW (7200 mikro lümen) verir.

Darbeli çalışmadan güç dispasyonu 50 m!Wi

geçmeyecek şekilde yüksek akım geçirilebilir.

Mesela 1,3 A'lik akım 1 ns'lik 'bir zaman için

geçebilir. Işık çıkışı altımla lineer çalışır. Dar ^

benin yükseliş zamanı 25' us, iniş zamanı 250

ns'dir.

«v.

Bitişimi ters yönde, kesim bölgesinde pola

racak olursak yükseliş ve iniş zamanları 1 ns

olan zayıf bir turuncurışık çıkar. Bu ışık foto

çoğaltıcının ve tetikteme devrelerinin kalibrasyo

nunda kullanılır.

f

temas

Şekil 8. GaP lambasının yapılışı.

Küçük boyda bir lâmba 8x8 dizisiyle 0,25 inç kareye sığar, 10* diyot ta 3,2 inç kareye perleştlrilebilir. Bu lâmbalar ışiğ; yükselten ref lektörler ile normal bir odayı aydınlatacak ka dar 10 40 Ft lambertlik bir seviye temin edebi lir. •• Ayrıca düşük hassasiyetli filmleri işaretle mek içinde kullanılabilir.

GaP lâmbaları yakın bir gelecekte normal ışık kaynağı olarak kullanılabilecektir.

ı.