LED Teknolojisinde Beyaz Işığın Kayıp Parçası: Mavi LED

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ve Shuji Nakamura enerji verimliliği yüksek yeni nesil ışık kaynakları olan mavi LED’lerin keşfiyle 2014 yılında Nobel Fizik Ödülü ile ödüllendirildi. Işık yayan diyot anlamına gelen “Light Emitting Diode” ifadesinin kısaltılmışı olan LED’ler, her geçen gün daha gelişmiş özellikler kazanan ve daha da küçülen akıllı telefon, bilgisayar, televizyon gibi birçok elektronik cihaz için vazgeçilmez bir teknoloji.

Geleneksel aydınlatmalar, örneğin akkor lambalar ışık elde etmek için elektriği önce ısıya daha sonra ışığa dönüştürür. Bu nedenle enerjinin büyük bir kısmı ısı için harcanırken küçük bir bölümü ışık yaymak için kullanılır. LED’ler ise elektriği doğrudan ışığa dönüştürür.

LED’ler yarı iletken malzemelerden oluşan katmanların birleşiminden oluşur. Aslında yapıları sandviçe benzetilebilir.

LED teknolojisinin geliştirilmesi n-tipi ve p- tipi yarı iletken malzemeler sayesinde mümkün oldu. Peki, n-tipi ve p- tipi malzemeler bu teknolojinin geliştirilmesine nasıl imkân sağladı?

Yarı iletken malzemelerin kullanıldığı sistemlerde, örneğin güneş gözelerinde, transistörlerde ve LED’lerde yaygın olarak tercih edilen silisyum oda sıcaklığında katı haldedir ve oluşturduğu kristal yapı içinde, her silisyum atomu etrafındaki dört silisyum atomu ile kovalent bağlar ile bağlıdır. Bunun nedeni silisyumun en dış enerji seviyesinde bağ yapmak için kullanabileceği dört değerlik elektronunun bulunmasıdır.

Atomlar değerlik elektronlarını ortaklaşa kullanarak kovalent bağ oluşturur. Kristal yapı içindeki her silisyum atomu -etrafındaki değerlik elektronları dışındaki elektronlarla birlikte- iyonik merkezleri oluşturur ve bu merkezlerin yükü +4’tür. Her iyonik merkezin çevresinde ise dört tane eksi yüklü değerlik elektronu bulunur. Bu nedenle yarı iletken malzemede yükler dengelidir.

p-tipi yarı iletken malzemelerde kristal yapı içindeki atomlardan biri, üç değerlik elektronuna sahip bir elementle, örneğin bor atomu ile yer değiştirir. Bu durumda iyonik merkezlerden birinin yükü +3 olur. Bu iyonik merkezin çevresinde üç tane değerlik elektronu bulunur. Bu değişiklik kristal yapı içinde elektron kabul edebilecek bir boşluğun ortaya çıkmasına neden olur.

n-tipi yarı iletkenlerde ise kristal yapı içindeki bir atom, beş değerlik elektronuna sahip bir elementle, örneğin arsenik atomu ile yer değiştirir. Bu durumda kristal yapı içinde yükü +5 olan bir iyonik merkez ortaya çıkar. Bu iyonik merkezin çevresinde beş tane değerlik elektronu bulunur. Sonuçta kristal yapı elektriksel olarak yüksüz olsa da, içinde bir elektron fazlalığı oluşur.

p-tipi ve n-tipi yarı iletken malzemeler birleştirildiğinde, iki malzemenin birleştiği p-n eklemi olarak isimlendirilen kısma yakın olan bölgedeki elektronlar ile elektron eksikliği olan boşluklar kendiliğinden bir araya gelir. Bunun sonucunda p-tipi yarı iletken malzemenin p-n eklemine yakın olan kısmında eksi yüklü iyonik merkezler, n-tipi yarı iletkenin p-n eklemine yakın olan kısmında ise artı yüklü iyonik merkezler birikir. Artı yüklü ve eksi yüklü iyonik merkezler elektronların ve boşlukların hareketini engeller. Uygulanan elektrik akımı elektronların ve boşlukların p-tipi ve n-tipi yarı iletken malzeme içinde tekrar hareket etmesini sağlar.

n-tipi yarı iletkenlerdeki elektronlar, p-tipi yarı iletken malzemelerdeki boşluklardan daha yüksek enerji seviyelerinde bulunur. Yüksek enerji seviyesindeki elektronlar daha düşük enerji seviyesindeki boşluklarla birleştiğinde, iki seviye arasındaki enerji farkı ışık olarak yayılır. Bu farkın büyüklüğü ise yayılan ışığın dalga boyunu dolayısıyla rengini belirler.

LED’ler diğer aydınlatmalardan, örneğin akkor ve halojen lambalardan farklı olarak belirli bir dalga boyunda ışık yayar. LED’lerden yayılan ışığın rengi kullanılan yarı iletken malzemelerin bileşimine bağlıdır.

Aslında bu teknolojinin temelleri yüz yıl öncesine dayanıyor. 1907’de Henry Joseph Round elektrik akımı uygulayarak ilk defa bir malzemeden ışık yayılmasını sağladı. Nick Holonyak ise 1962 yılında ilk kez görünür dalga boyunda ışık yayan kırmızı LED’leri geliştirdi. Kısa süre içinde sarı, yeşil, turuncu gibi farklı renklerde ışık yayan LED’ler üretildi. Ancak mavi LED’lerin geliştirilmesi yaklaşık 30 yıl sonra mümkün olabildi.

Mavi ışık yayan LED’ler aynı zamanda beyaz LED’lerin üretilebilmesi için gerekli temel bileşenlerden. Çünkü beyaz ışık yayan LED’ler iki yöntem kullanılarak üretiliyor. Kırmızı, yeşil ve sarı ışığın bir araya getirilmesi bunlardan biri. Diğer yöntemde ise mavi ışık yayan LED’in yüzeyi fosfor ile kaplanıyor. Fosfor kaplama mavi ışığın bir kısmını sarı ışığa dönüştürüyor. Mavi ve sarı ışık bir araya geldiğinde ise beyaz renk oluşuyor. Yani mavi ışık yayan LED’ler beyaz LED’lerin geliştirilmesi için anahtar role sahip.

The Royal Swedish Academy of Sciences

Aynı miktarda enerji harcayan LED’ler akkor lambalara göre yaklaşık 20 kat daha fazla aydınlatma sağlıyor. Dolayısıyla LED teknolojisi, enerji verimliliği düşünüldüğünde, bu yüzyılın önemli gelişmelerinden biri olarak kabul edilebilir. Enerji verimliliği ve aydınlatma gücü yüksek mavi LED’lerin, dolayısıyla beyaz LED’lerin geliştirilmesine imkân sağlayan keşifleriyle Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ve Shuji Nakamura’nın yanı sıra bu teknolojinin hayatımıza girmesinde etkisi olan Henry Joseph Round, Oleg V. Losev, Nick Holonyak gibi bilim insanlarının katkılarını da unutmamak gerekiyor.