Ledlerin ve Güneş Panellerinin Çalışma Mantıkları

Ledler(Light Emmited Diode) ve Güneş panelleri, p-n junksiyonlardan oluşur. Yani ikisi de bildiğimiz diyotlardır.  P-n junksiyonunun yani diyotun ışık çıkarma olayına “elektrolüminans”(Led),  ışığı yutarak elektrik üretmesi olayına da “Fotovoltaik” (Solar Cell)  olay deniyor.

Eğer mikroelektronik malzeme bilgisine biraz yabancı iseniz yazdıklarımdan hiç bir şey anlamayabilirsiniz bu yüzden önce şu yazıyı okumanızı tavsiye ederim;

http://elektronikhobi.net/metaller-ve-yari-iletkenler-mazleme-bilgisi/

Bir diyot yani p-n jonksiyonu herhangi bir ışık kaynağının altında bırakıldığında Quantum Teoremine göre  p-n jonksiyonundaki elektronların valans bandı ve iletim bandı arasındaki yasak enerji bölgesinin enerjisinden daha büyük enerjiye sahip fotonlar p-n jonksiyonu tarafından abzorbe edilirler. Yasak enerji bölgesinin enerjisinden daha küçük enerjiye sahip fotonlar p-n jonksiyonları tarafından abzorbe edilmez ve bu ışınlara p-n jonksiyonu şeffaf gibi davranır yani bu ışığı içinden geçirir.  Eğer fotonun enerjisi yasak enerji bandının enerjisinden daha büyükse arda kalan enerji p-n jonksiyonuna ısı olarak yayılır yani malzemenin sıcaklığını arttırır.

   Fotonlar p-n jonksiyonundaki n tipi yarı iletkene çarparak abzorbe edildiklerinde n tipi yarı iletken üzerindeki daha fazla elektronun iletim bandına sıçramasına ve serbest olmasına sebep olurlar.  Böylece jonksiyondaki elektrik alan barajı delinmeye başlar. Elektrik alan barajının delinmesi iki yarı iletken arasında voltaj farkı oluşturur ve böylece elektrik üretilmiş olur.  

Aklınıza şöyle bir soru gelebilir, güneşten elektrik üretimi metal malzeme ile de yapılabilir mi? Olabilir hiç denemdim. 🙂 Ancak üretilen elektrik çok ama çok az olacaktır.  Çünkü metallerde serbest elektron miktarı zaten fazladır ve metal yüzeye çarpan fotonlar elektronları harekete geçirirler geçirmesine ama hangi yöne?  Malzeme içerisinde yönlendirilmiş bir voltaj farkı yoktur. Bu yüzden elektronlar, fotonları abzorbe ettiklerinde serseri mayın gibi yönlendirilememiş bir şekilde sağa sola hareket edip birbirlerine çarpacaklardır. Bu da malzemenin ısısını arttırmaktan başka bir işi yaramaz.

  P-n jonsiyonların ısısının artması elektrik üretimini düşürür çünkü ısı arttığından elektronların birbirine çarpma oranı da artar bu da ısıyı daha da arttırır. 

Şimdi geçelim Ledlere. Açılımları Light Emmited Diode yani Işık yayan diyotlardır.  Normal devre elemanı olarak kullandığınız diyotlar üzerinden herhangi bir akım geçirildiğinde çok karmaşık frekanslara sahip ışımalar yaparlar.  Mesela GaAs yarı iletken malzemenin yaydığı fotonun dalga boyu 8900 A dır.  Bu ışıma şundan kaynaklanır;  elektronlar n-p jonksiyonlarından geçerlerken sürekli olarak valans band ve iletim bandı arasında sıçramalar olur. Bir elektron alt enerji seviyesine geçerken yasak enerji bandı ile ilişkili olarak belli bir frekansta ışıma yapar.  Yasak enerji bandınının enerji seviyesi yarı iletken içine enjekte edilen katkı atomları ile ve ya yarı iletkenerin kalınlığı ile kontrol edilebilir. Doğal olarak hesaplama yapıldığında diyotun istenilen frekansta ışıma yapması sağlanılabilir. Ledler bu ana tema üzerinden icad olmuştur.   Bir diyotun görülebilir ışık frekansında ışıma yapabilmesi için p-n jonksiyonun kalınlığı, enjekte edilen katkı atom yoğunlukları. aktif bölge olarak adlandırdığımız ve elektrik alan barajının oluştuğu bölgenin uzunluğu kullanılan yarı iletken malzeme göz önünde bulundurulur.