Ocak alevinde yarı iletken: bakır oksitten el yapımı ışık algılayıcı

Burası sadece bir mutfak numarası değil. Elektroniğin ilk ticari yarı iletken aygıtlarından biri, 1920'lerde tam olarak bu şekilde yapılıyordu: bir bakır levha, yüksek sıcaklıkta oksitlendirilir ve ortaya çıkan ince kırmızı katman akımı tek yönde geçirirdi. Yani ocakta olan şey, transistorun icadından yirmi yıl önce sanayinin yaptığı şeyin kabasıdır.

Alevde tam olarak ne oluyor: iki ayrı oksit, iki ayrı malzeme

Bakır havada ısıtıldığında tek bir madde vermez. Önce bakır(I) oksit (kimyada Cu2O; doğada kuprit mineralidir) oluşur: kırmızımsı, yarı saydam bir katman. Isı ve süre arttıkça bunun üstünde bakır(II) oksit (CuO) birikir: siyah, pul pul dökülen, çoğunlukla işe yaramayan kabuk. Deneyi yapan için asıl uğraş, kırmızı katmanı korurken siyah kabuktan kurtulmaktır.

İki oksidin elektriksel kimliği de ayrıdır. Norveç ve Romanya'dan bir ekibin 2019'da Materials dergisinde yayımladığı derlemeye göre Cu2O, doğrudan bant aralığı yaklaşık 2,1 elektronvolt olan p-tipi bir yarı iletkendir. Siyah CuO ise çok daha dar bir aralığa sahiptir: KAIST'ten Hyeon-Joo Song ve arkadaşlarının 2019'da Scientific Reports'ta yayımladığı çalışmada bu değer 1,2 elektronvolt olarak veriliyor. Hackaday'in derlemesinde bu iki sayı birbirine karışmış durumda; el yapımı algılayıcının kırmızı katmanı 2,1 eV'lik Cu2O, 1,2 eV ise siyah CuO'nun değeridir.

Bant aralığı: elektronun atlayamadığı basamak

Bir katıda elektronlar istedikleri enerjiye sahip olamaz; izinli enerji kuşakları ve aralarında yasak boşluklar vardır. Bant aralığı, elektronun "bağlı ve hareketsiz" durumdan "serbest dolaşan" duruma geçmek için aşması gereken basamağın yüksekliğidir. Merdiven gibi düşünün: iki basamak arası boşlukta duramazsınız, ya alttasınız ya üstte. Metallerde bu basamak yoktur, elektronlar zaten serbest dolaşır; yalıtkanlarda basamak öyle yüksektir ki hiçbir elektron çıkamaz. Yarı iletken ikisinin arasındadır: basamak var ama aşılabilir.

Enerjinin ölçüsü olan elektronvolt, tek bir elektronun 1 voltluk gerilim farkını geçerken edindiği enerjidir. Işık parçacıkları da (fotonlar) enerjilerini dalga boylarından alır; mor ışığın fotonu kırmızınınkinden enerjiktir. Bu yüzden bant aralığı bir malzemenin hangi renklere tepki vereceğini belirler. 2,1 eV'lik Cu2O yeşilden mora doğru olan ışığa duyarlıdır ve kırmızı görünür — soğurmadığı rengi bize geri yansıttığı için.

Işık nasıl akıma dönüşüyor

Yeterli enerjiyi taşıyan bir foton malzemeye çarptığında elektronu basamağın üstüne çıkarır. Geride bıraktığı yer de boş kalmaz: komşu elektronlar sırayla o boşluğa kayar, böylece boşluğun kendisi ters yönde ilerler ve pozitif bir yük taşıyormuş gibi davranır. Fizikçiler buna boşluk (delik) der; otoparkta boş kalan tek yerin, arabalar kaydıkça sıranın öbür ucuna doğru "yürümesi" gibidir. Yük taşıma işini ağırlıklı olarak bu boşluklar yapıyorsa malzemeye p-tipi, serbest elektronlar yapıyorsa n-tipi denir. Cu2O doğal haliyle p-tipidir.

Ama tek başına elektron-boşluk çifti üretmek yetmez; ikisi hemen buluşup sönebilir. Akım elde etmek için onları birbirinden ayıracak bir iç elektrik alanı gerekir. Bu alan, farklı malzemelerin birleştiği yüzeyde kendiliğinden doğar: bakır metali ile oksit katmanının sınırında ya da oksit ile elektrolitin (tuzlu suyun) temasında. Işığın ürettiği yükler bu sınırda zıt yönlere sürüklenir, devre kapalıysa dışarıdan akım akar. Pil yoktur; enerji tamamen ışıktan gelir. Buna fotovoltaik etki denir ve güneş paneliyle bu el yapımı algılayıcının çalışma ilkesi aynıdır.

1874: kirli bakır tellerden çıkan keşif

Bakır oksidin yarı iletken olduğu, kimse yarı iletken kuramını bilmeden anlaşıldı. Varşova Teknik Üniversitesi'nden Lidia Łukasiak ve Andrzej Jakubowski'nin Journal of Telecommunications and Information Technology dergisinde yayımlanan yarı iletken tarihi derlemesine göre Arthur Schuster, 1874'te vidalarla birbirine tutturulmuş bakır tellerden kurulu bir devrede doğrultma davranışı gözledi: akım bir yöne kolay, öbür yöne zor geçiyordu. Tuhaf olan, etkinin ancak devre bir süre kullanılmadan bekledikten sonra ortaya çıkmasıydı. Schuster tellerin uçlarını temizlediğinde — yani bakır oksidi kazıyıp attığında — doğrultma da kayboldu. Yeni bir yarı iletkeni böyle buldu: kirlenmeyi temizleyerek.

Aynı yıl Karl Ferdinand Braun metal sülfitlerde benzer bir doğrultma gözlemişti; o keşif ilerde radyo alıcılarının kristal dedektörlerine giden yolu açtı. Işık tarafında ise Alexandre Edmond Becquerel'in 1839'da elektrolit içindeki bir elektrotta ışıkla akım elde etmesi ilk halkadır. Yani ocakta yapılan tuzlu su hücresi, aslında fotovoltaik etkinin ilk gösterildiği düzenin torunu.

Demiryolu şirketinin doğrultucusu

Bu gözlemleri sanayi ürününe çeviren isim Lars O. Grondahl oldu. ABD Patent ve Marka Ofisi kayıtlarındaki 1.640.335 numaralı "Unidirectional current-carrying device" patenti 7 Ocak 1925'te başvuruldu, 23 Ağustos 1927'de verildi ve hakları Pennsylvania'daki demiryolu sinyal şirketi Union Switch and Signal'a devredildi. Patent metni üretim koşulunu da anlatır: bakır, oksijenli bir ortamda, "1000 santigrat derece civarında ve bakırın erime noktasının altında" bir sıcaklıkta doğrudan oksitlendirilir; amaç, gözeneksiz ve yeterince türdeş bir katman elde etmektir. Mutfak ocağıyla laboratuvar fırını arasındaki fark tam da buradadır: alevle sıcaklığı da, süreyi de tutturamazsınız.

Łukasiak ve Jakubowski'nin derlemesi, selenyum doğrultucusunun 1925'te E. Presser, bakır oksit doğrultucusunun 1926'da Grondahl tarafından geliştirildiğini kaydeder. Bu aygıtların ikisi de lamba tabanlı doğrultuculardan ucuz ve dayanıklıydı: kırılacak bir flaman yoktu. Grondahl işin ikinci yüzünü de gördü. 1933'te Reviews of Modern Physics dergisinde çıkan uzun makalesinin başlığı doğrudan şöyleydi: "The Copper-Cuprous-Oxide Rectifier and Photoelectric Cell" — bakır/bakır oksit doğrultucusu ve fotoelektrik hücresi. Aynı yapı hem akımı tek yöne geçiriyor hem de ışık ölçüyordu. Bugün fotoğraf makinelerinin ışıkölçerlerinden endüstriyel algılayıcılara uzanan hat oradan başlar.

Kuram ise aygıtın arkasından geldi. Aynı derlemeye göre Walter Schottky metal ile yarı iletkenin birleştiği yerdeki engeli 1929'da deneyle gösterdi; Boris Davydov 1938'de bakır oksit doğrultucusunun kuramını, oksidin içinde oluşan bir p-n birleşimini de hesaba katarak kurdu. Yani mühendisler aygıtı, fizikçiler onun neden çalıştığını anlamadan on yıllar önce satıyordu.

Yarı iletkenin kısa takvimi

Takvimdeki tarih ve isimler Łukasiak ile Jakubowski'nin derlemesinden; Fritts'in hücresinin verimi de aynı kaynakta %1'in altında veriliyor.

Eski malzeme neden geri döndü

Germanyum ve silikon 1950'lerde sahneyi devraldıktan sonra bakır oksit sanayiden çekildi. Ama laboratuvara dönüşünün somut nedenleri var. Nordseth ve arkadaşlarının Materials'daki derlemesine göre Cu2O'nun bant aralığı güneş ışığı için elverişli aralığa düşüyor ve tek güneş aydınlatması altında kuramsal dönüşüm verimi sınırı %20'ye yakın hesaplanıyor. Malzeme bol, ucuz ve zehirli ağır metal içermiyor.

Algılayıcı tarafında da iş bitmiş değil. Song ve arkadaşlarının Scientific Reports'taki çalışmasında, CuO katmanındaki tanelerin boyutu ve birbirine bağlanma biçimi bir kurama oturtulup buna göre düzenlendiğinde, aygıtın duyarlılığı 15,3 amper/watt, algılama gücü ise 1,08 çarpı 10 üzeri 11 Jones düzeyine çıkıyor; bunlar iyileştirilmemiş örneğe göre sırasıyla 18 ve 50 kat daha yüksek değerler. Aradaki farkın kaynağı egzotik bir element değil, katmanın mikro yapısı. Ocak alevinde bu yapıyı denetlemenin yolu yoktur — el yapımı algılayıcıyla laboratuvar aygıtı arasındaki uçurum tam olarak buradadır.

Sırada ne var

Videodaki deney, bir okul laboratuvarının bile erişebileceği en eski yarı iletken aygıtı yeniden üretiyor; ama kızdırılmış metal ve tuzlu su ciddi yanık riski taşır, burada anlatılan bir yapım tarifi değil bir aygıtın hikâyesidir. Deneyin kendi sayısal ayrıntıları da kamuya açık değil: Hackaday'in derlemesinde ne oksitleme sıcaklığı ne de ölçülen akım ve gerilim veriliyor, dolayısıyla bu yazıda da yer almıyor.

Asıl açık soru malzemenin kendisinde. Cu2O için hesaplanan %20'lik kuramsal sınır ile laboratuvarlarda gerçekten ölçülen verim arasında hâlâ büyük bir boşluk var; Nordseth ve arkadaşları da yaptıkları işi bu boşluğu kapatma çabası olarak tanımlıyor. Yüz yıl önce demiryolu sinyallerini besleyen malzemenin ikinci hayatı, o boşluğun ne kadarının kapanacağına bağlı.

Fotoğraf: Wikipedia Loves Art participant "Assignment_Houston_One", CC BY-SA 2.5, Wikimedia Commons