LED nedir, nasıl çalışır, nasıl üretilir?

LED, Işık Saçan Diyot (Light Emitting Diode) kelimelerinin İngilizce baş harfleri ile oluşturulmuş bir kısaltmadır.

Çevremizde gördüğümüz hemen hemen her göstergede LED vardır. Televizyonların, radyoların, modemlerin üzerindeki güç ve diğer fonksiyon lambaları, arabalarımızdaki gösterge ışıkları, sayısal saatler, yazar kasalar, yani aklınıza gelen ve gelmeyen hemen her minik ışıklı göstergede LED mevcut.

Sayısal saatler ve diğer göstergelerde çubuk şeklinde LED kullanılıyor. Televizyon ve diğer cihazlarımızın kumandalarının ucunda da kızılötesi ışık veren LED'ler bulunuyor. "LED Televizyon" adı verilen televizyonların da ekranlarının arka aydınlatması LED ile yapılıyor. Aydınlatma için kullanılan yüksek ışık kaynağı LED'ler de son senelerde iyice hayatımıza girdiler.

LED'i icat eden bilimadamları, aslında LED yapmaya çalışmıyorlardı. Yarıiletkenler ile lazer yapmaya çalışırken tesadüfen LED keşfedildi. İcat ettikleri sırada belki de ne kadar devrimsel bir ürün yarattıkları hiç akıllarına gelmemiştir.

Bu teknoloji o kadar geliştirildi ki, artık evimizdeki elektrik ampüllerinin yerine de LED ampül takabiliyoruz.

"Standart" elektrik ampülleri, aslında elektriğe bağlanan bir telden başka bir şey değil. Tel ısındığında ışık saçmaya başlıyor. Telin yanmaması için ampülün içine özel gazlar dolduruluyor. LED'lerin temel farkı burada. LED, ısı enerjisi yolu ile çalışmıyor, içinden elektrik akımı geçen yarıiletkenin ışıldamasını kullanıyor. Ne kadar çok elektron (yani akım) akarsa, o kadar ışık elde ediliyor. Bu kavramın adı Elektrolüminesans. Elektrolüminesans 1907 yılından beri bilinmesine rağmen, uygun materyallerin geliştirilmesi ve LED'lerin ortaya çıkması bayağı vakit aldı.

LED'ler 2. Dünya Savaşından sonra geliştirildi. O zamanlar ışık veren materyaller ve mikrodalga dedektörleri konusuna yoğunlaşılmıştı. Araştırmalar sürerken, ışık algılamak amacı ile üretilen yarıiletkenlerden bazılarının ışık üretebildiği de farkedildi. 1960'larda AT&T laboratuarlarında ilk ürünler ortaya çıktı. Araştırmacılar aslında lazer üretmeye çalışırken, yan ürün olarak LED'i keşfettiler. Daha az enerji harcayan, daha uzun ömürlü, ısı yaymayan ve renkli ışık yayabilen bu minik yarıiletkenler, endüstrinin de dikkatini çekti. (Aydınlatmada kullanılan LED'ler için artık "ısı yaymayan" demek biraz zor. İstenilen ışık miktarı ve dolayısı ile akım artınca LED'ler de ısınmaya başladılar. Yine de normal ampüllere gore ısıları daha az).

İlk yapılan LED'ler bugünküler kadar kullanışlı ya da dayanıklı değildi. -77 derece civarında çalışabiliyorlar ve kısa sürede bozuluyorlardı. Verimleri de çok düşüktü ve çok az ışık verebiliyorlardı. Tüm bu problemlerin sebebi, gerekli materyalleri üretecek teknolojilerin yeterince gelişmemiş olmasıydı. Yeni materyaller üretildikçe, LED'ler de gelişti, daha parlak ve daha çeşitli renklerde yapılmaya başlandı.

Özellikle küçük ışık kaynakları gereken uygulamalarda LED'lerin avantajlarını gören büyük üreticiler de araştırmaya para harcamaya başlayınca, gelişim hızlandı. Enerji verimliliği kavramının giderek daha önemli hale gelmesi, LED'lerin aydınlatmada kullanımını hızla arttırmaya başladı.

Diyotlar (LED de bir diyot türüdür), çok ince yarıiletken plakalardan üretilir. Diyotta bulunan iki yarıiletken parçasının bir kısmında elektron fazlası, diğer parçada ise elektron eksiği vardır. Bu fark, elektronların bir yönden diğerine akmasını sağlar. Bir gerilim kaynağı bağlandığında bu akım sürekli hale gelir. Elektrolüminesans özelliği yüksek olan malzemeler kullanılarak özel tipte ışık saçan diyotlar, yani LED'ler elde edilir.

Yarıiletken materyalleri üretmek için, saf kristalin içine yabancı maddeler eklenerek kristalin saflığı ve dolayısı ile elektrik iletkenliği değiştirilir. LED üretiminde kullanılan bazı maddeler; Galyum Arsenat (GaAs), Galyum Fosfat (GaP), ya da Galyum Arsenat Fosfat'tır (GaAsP). Bu maddeler ve eklenen yabancı maddeler, çeşit oranlarda değiştirilerek değişik renkler elde edilir.

Yarıiletkene eklenen yabancı maddeler genelde çinko ya da azottur ama, silisyum, germanyum ya da tellur da eklenen yabancı maddeler arasındadır. (Bu arada transistörler de  germanyum ya da silisyuma başka yabancı maddeler eklenerek üretilirler).

Elektroniğe ilk başladığım yıllarda (1970'ler) mavi ve beyaz LED üretilemiyordu. Üretilebilenler de çok pahalıydı. Yeni materyallerin keşfi ve daha verimli üretim teknikleri kullanılmasıyla birlikte, bu renklerin de fiyat ve dayanıklılık açısından diğer renklerden bir farkı kalmadı.

LED'i tamamlamak için elektriğin girip çıkacağı bağlantıları da yapmak gerekir. Yani üretilen yarıiletken yongaya teller bağlanmalı ve bu teller de bacaklar ile dışarı çıkarılmalıdır. Çok ince metal teller kızdırılarak yongaya "lehimlenir". Bu ince metal teller de genellikle altın ya da gümüşten imal edilir.

Tüm yapı tamamlanıp, ince tellerin ucu bacaklara lehimlendikten sonra hepsi birden şeffaf plastik bir kılıfta toplanır. Plastik kılıf LED'e verilmek istenen şekle ya da renge göre istenilen formda ya da renkte olabilir.

Günümüzde artık aydınlatma amaçlı olarak da LED'ler gittikçe yaygınlaştılar. "Normal" ampullere gore LED'lerin önemli avantajları var. Çok daha az enerji harcıyorlar, normal ampuller en fazla 5-10 yıl dayanabilirken LED'ler rahatlıkla 100 yıl dayanabiliyor. Uzun ömür, parça değiştirme olanağı olmayan uygulamalarda da (deniz altı uygulamaları, uzay aracı uygulamaları gibi) büyük avantaj getiriyor. Ayrıca otomotiv uygulamaları da gittikçe yaygınlaşıyor.

İngilizce bilenler için burada çok detaylı bilgi mevcut.