IŞIK VEREN DİYOTLAR (LİGHT EMITTING DIODES,LED)

UDK: 631.384

IŞIK VEREN DİYOTLAR (Light Emittıng Dıodes, Led)

Yazan : David L. HEISERMAN

ÖZET : «Bu yeni yarıgeçirgenler P N ponksiyonla rtn&an direk olarak ışık emisyonu yapmak tadırlar. Bunlar uzun ömürleri, sok ve vib rasyona karşı mukavemetleri ile foto elekt rik devrelerde güvenilir birer devre elemanı olarak yer almayla başlamışlardır.»

Çeviren : Erol GÜBAKAR Elek. Müh.

SUMMARY

These neıo semıconductors emıt light di rectly from theır «p n» junctions. They are oeginning to be used in photo electric cir Guits öecause of their long life, resistance to shock and vibration and transistor com patibilıty.

P N jonksiyonlarından ı§ık emisyonu yapabi len diyotlar (LED) gelişmekte olan optoelekt ronik (optoelectronlcs) sahasının en son veri lerindendir. Işık veren dlyot (LED) elektrik enerjisini doğrudan doğruya ışığa çevirebilmek tedir, ve bu özelliği ile elektrik ampullerinden tamamen farklı "bir emisyon mekanizmasına sa hiptir. Elektrik ampullerinde elektrik enerjisi ısı enerjisine çevrilmekte, ve ısınan filaman gö rünen ışık frekans bandı içinde radyasyona bağ lamaktadır. Bugün İçin LED'ler şimdiyedek kü çük elektrik ampullerince yapılagelmekte olan bir çok İşte onların yerini almaktan başka, fo toelektrik ile yakandan İlgisi olmayan devreler de bile gelişmelere yol açmaktadır.

T E O R İ : IED NASIL ÇALIŞIR?, (Şekil : 1) de ışık veren diyotun kuantum enerji diyagramı görülmektedir. Positif yönde, N materyaline takriben 1.4 voltluk bir potansi yel tatbik edilirse, N materyalinin ihtiva ettiği elektronlar P N jonkslyon potansiyelini ağmak

için yeterince enerjilenirler. Yeterince enerjilen mig olan eletkronlar P materyaline gelir gelmez, o anda bulundukları enerji seviyesinden daha düşük bir enerji seviyesini haiz olan iletken ban da kadar düşerler. Bu iki seviye arasındaki ener ji farkı A E ise, neşredilecek olan radyasyonun frekansı;

AE f=• olacaktır. Burada «h» Planck sabıtesidir.

Silikon ve Germenyum diyotlarda da bu ha diseler olmakta ise de, iletken banda düşen elektronların açığa çıkan fazla enerjileri, bu materyallerin özelliklerinden dolayı, ısı enerji sine çevrilir ve harcanırlar. Buna karşılık, ışık veren dıyotlarun materyallerinin (örneğin : Gal yum Arsenid, Ga As) bazı özelliklerinden dola yı, iletken banda geçen elektronların yüzde on kadarının açığa çıkan enerjisi fotonlar halinde neşredilmektedir.

elektron «eriyeıl

H aateryali

Elektrik Mühendisliği 154

poıitif iyor iletken bandı

F nâteiyali

Şekil • 1

Neşredilen ^radyasyonun dalga boyunu aşağı da görüldüğü gibi hesaplıyabillrtz :

eh c : Işık hızı

Burada görüldüğü gibi neşredilen ışığın dal ga boyu, enerji seviyelerinin farkı ile ters oran tılıdır, örneğin : Ga As için bu fark (A E) nor mal oda sıcaklığında 1.37 eV (elektron volt) ola rak bulunur. Bunun karşılığı olan ışığın dalga boyu 9000 A° olur. Bu dalga boyu ışık spektru munda kızıl ötesi (infrared) bölgesine düşer ve bu band,,bir çok kadmiyum sülfitli ışığa hassas dedektörler için uygundur.

«General Electric» şirketince geliştirilen ben zeri bir ışık veren diyotta E <= 2.25 eV olarak alınmıştır, (Gallium phosphide) ve çıkan ışığın dalga boyu 5500 A° dur. Bu dalga boyu görü nen ışık bandı içinde ve yeşil bölgesindedir.

SPEKTRUMDAKİ YERİ ve BAND GENİŞ LİĞİ :

Bir önceki kısımda anlatıldığı kadarı ile, LED'ln verdiği ışının frekansının yalnız A E enerji farkı ile belirlenmiş ve buna göre de ko herent olması gerekir. Hakikatta ise LED'in verdiği ışık, spektrumda LASER'e kıyasla ol dukça geniş bir bandı kaplar (bak, şekil : 2.a.). Bu şekilden de görüleceği , gibi Ga As LED, 9000 A° dalga boyunda maksimum emisyon yapmakta ve yanıtı güç noktaları arasında 300 A° kadar bir band genişliğine sahip olmaktadır.

Yan geçirgenler endüstrisinde bu güne ka dar, çıkan ışık yoğunluğunun ölçülmesi için bir standart kabul edilmiş değildir. Bunun netice si olarak. LED'in çıkış şiddeti de, maksimum çıkışın yüzdeleri olarak ifade edilmektedir.

LED'den geçen akım ve çıkan ışının yoğunluğu (şekil: 2.b.) de görülmektedir. Daha önce teo rik kısımda'da anlajtüdığj^gibi; 'akım arttıkça N materyalinden P materyaline ve dolayısıyla P materyalindeki yüksek enerji seviyesinden, bundan E kadar aşağıda bulunan iletken banda • geçen elektronların miktarı artmakta' ve daha fazla enerji açığa çıkarak ışık emisyonunun art masını sağlamaktadır.

LED'in verdiği ışının şiddeti çalışma ısısına çok bağlıdır. Bu bağıntı (şekil : 2.c.) de görül mektedir. Buna göre çalışma ısısı arttıkça çı kan ıgınjn yoğunluğu gittikçe azalmaktadır. Mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta çalışan LED' in enerji seviyelerini değiştiren elektronların açığa çıkardığı enerjinin hemen hepsi emisyona sebep olmakta, çalışma sıcaklığı arttıkça bu ' enerjinin büyük bir kısmı ısı enerjisine dönüş mekte ve sistemin ısı bakımından dengeli .•du ruma gelmesini sağlamaktadır. Normal oda sı • caklığında çalışan bir LED % 4 6 kadar bir . verime sahiptir.

f

4°

/ A

2O

O 10 20 30 40 50

Doğra Polarma Akımı, itvA

Şekil ; 2 ö

60 /

•JV _ V

40 /

1 20 /

\V

6600 9000

Dalga Boyu. Angstrom

Şekil : Z a

•• .

K

1,0

O.J

ove

0.7

s

İ 50 75

Çalışma Isısı C°

Şekil : 2. c

Elektrik

LED GEOMETRtSt ve AKIM GERtLtM BA

ĞINTISI :

Optoelektronik teknolojisindeki bu yeni araş tırma ve geliştirmeler, elektronik konusunda ol duğu kadar optik konusunda da çalışmaları ge rektirecektir. (Şekil: 3.a.) da LED'in kesit di yagramı görülmektedir. Eğer P N jonksiyonun dan neşredilen ışı enerjisi, yangeçirgenden ha vaya olan yüzeye 16° den daha küçük bir açı ile gelecek olursa geriye yansıyarak N mater yaline düşecek ve sistemin verimi düşecektir. Şekilde görülen yanm küre şekil bu problem İçin optimum bir çözüm yoludur..

LED'ln akım gerilim karakteristiği (Şekil : 4.) de görülmektedir. Şekilde görülmemekle be raber ark gerilimi 2 volt kadardır.

KULLANILIŞ YERLERİ :

LED'in bugün için kullanılış yerleri üç bö lümde incelenebilir: (1) küçük elektrik am pulleri ve gazlı tüpler yerine, (2) modüle edil miş ışık sinyallerinin kısa mesafeler içinde trans misyonu için, (3) elektrlkî olarak izole edilmiş elektronik devrelerin küple edilmelerinde.

ÛmAm n b ö l g e * i

Anot

Şekil • 3. a

LED' bu merceğe benzeyen şekli ile, optik eksenden 45° ye kadar olan konik bir bölgeyi aydınlatabilmekte ve dedeksiyonuna imkân ver mektedir. (Şekil : 3.b.) de LED'in çıkış yoğun luğunun, optik eksene olan açı ile değişimi gö rülmektedir. Daha dar bir koniyi aydınlatan LED de yapılmıştır.

Elektrik ampulleri yerine kullanılmalarında, LED; uzun ömrü, şok ve vibrasyona mukave meti, transistorlu devrelere uygunluğu ile bir çok kompleks kontrol devrelerinde yer almakta dır. Kızılötesi diyot bilhassa kart ve şerit (tape) okunmasında, karekter kodlamalarında faydalı dır.

\ 80

/ 40

/ /

t

90° 45*

Cf

4?

Açısal Pozisyon

Şekil : 3.,b

90*

• £IeJttrlk Mühendisliği 164

4'o

• ' , " !'

Ta 25"

+12 r

O

0.8

Doğru Polaırma, Volt.

Şekil • 4

kristal

•Ucr

Şekil . 5

Işığın yüksek frekansta verimli olarak.mo

düle edilebilmesi uzun zamanlar"Tnühendislerin

ilgisini çekmiştir. 50 MHz'df fMJP, «multiplexed»

olarak resim (video)" ve' ses* (audib) sinyalleri

nin, ışığa hassas bir dedektöre transmisyonunu

mümkün kılmıştır.

L E m n ses frekans bandı için uygun olan

karakteristiğinden faydalanan «Norton Com

pany», amatörler için ekonomik bir filim ses

kayıt sistemi geliştirmiştir. Bu sistemde, ses

şiddeti ile değişen akım LED vasıtası ile ışığa

çevrilmekte ve bu ışık filmin kenarındaki bir

bölgeye kaydedilmektedir. «General Electric»

firmasınca geliştirilen bir diğer A M sistemi

(şekil : 5.) de görülmektedir. Yüksek empedans

lı kristal mikrofon, JDarlington devreli bir yük

selteç ile LED'e küple edilmektedir.

Optik kuplaj sistemi ilk defa «Texas Instru ments» tarafından tatbikat sahhasına konulmuş tur. LED ve foto transistor İle sağlanan bu kup lajda, devre blokları arasındaki empedans değe ri İOiŞ'ohm ve izolasyon 15 KV olarak tespit edilmişfir.^ , ^

Bir foto transistorun, «pulse» operasyon ano dunda bulunan LED'lerle modüle edilmesi optik karıştırıcı (opticajr mixing) kavramını ortaya çıkarmıştır. Bir çok üstünlükleri İle bu sistem «NASA».nın dikkaünj çekmiş ve peyk teleko münükasyonu araştırmaları programı İçine alın mıştır.

LED'in diğer tatbikat yerleri .İle İlgili çalışma lar halen devam etmektedir.

M/7/ef/erarcrs/ 'Toptanhlar Takvimi

22 28 Ekim 1970 — Elektronik Komponent lerl, ölçü Teçhizatı ve Benzeri 'Fabrikasyon U rünlerine ait 4 üncü milletierarası sergisi — Ala • m, Munlch, Batı Almanya'da.

11 15 Mayıs 1970 — Modern elektrik sant nallan konusunda milletlerarası araştırma günü. Liege Kongre Sarayı, Ltege.., Belgiak'da (bilgi İçin: Association des ^ng^nieurs. electriens sortis de l'Institut ele"ctr.otecnnique Montefiqre, 64, Boulevard Emile de^îikveleye, Liege, Belgi que).

20 2i Ekim 1969 — Milletlerarası Atom B5 nerjisi Komisyonu, Nükleer Enerji Maliyetleri ve.Ekonomik Kalîânma Simpozyumu, Î.T.U. Ma den'Fakültesi Anfisi, Maçka, İstanbul.

25 27 Mayıs 1970 — Birleşmiş. Milletler Av rupa Ekonomik Komisyonu, Büyük Elektrik Sis temlerinin İşletme, Plânlamasına ait ekonomik problemlerin çözümünde Yöneylem Araştırma sı me'todlaroin tatbiki Simpozyumu, Vama, Bul garistan.

Elektrik Mühendisliği 154 SO