10.Hafta. Optoelektronik HSarı 1

Transkript

1 10.Hafta Otoelektroik 008 HSarı 1

2 Ders İçeriği Otoelektroik Yarıiletke Malzemeler klemlerii Otoelektroik Ugulamaları Güeş Pilleri Işık Dedektörleri Işık Diotları Işık Yaa Otoelektroik Devre lemaları LD Yarıiletke Lazereler Dalga Kılavuzları Otik Fiberler Yarıiletke Dalga Kılavuzları 008 HSarı

3 İletke Yarıiletke Yalıtka Maddeleri elektriksel özellikleri bu maddeleri elektroik bat aısı ile akıda ilgilidir erji T=0 o K T > 0 o K g g İletim Badı Yasak Bat Değerlik Badı Metal Yalıtka Yarıiletke erji batları tamame dolu vea tamame boş ise kristal alıtka gibi davraır çükü elektrik ala uguladığıda bat içide boş erler olmadığı içi elektrolar hareket edemezler ük taşıamazlar! g alıtka >> g arıiletke g Ge=06 ev arıiletke g Si=11 ev arıiletke g C=54 ev alıtka 008 HSarı 3 g GaAs=143 ev arıiletke

4 Yarıiletke lemetler 008 HSarı 4

5 Bat Aralığı Yarıiletkelerdeki taşııcıları eerji k grafiği bize öemli bilgiler verir erji batlarıı şeklie göre arıiletkeleri iki sııfa aırabiliriz ğer iletim badı ile değerlik badı arasıdaki eerji e düşük değere k=0 da sahi ise bu arıiletkelere doğruda aralıklı direk bat aralığıa sahi arıiletkeler deir. Örek: GaAs g g Γ [000] k X [100] Γ [000] L [111] k İdirek Bat aralığı Direk Bat aralığı ğer iletim badı e düşük eerjie k 0 de sahi ise bu arıiletkelere idirek bat aralıklı deir Örek: Si Ge Bir arıiletkei direk vea idirek bad aralığıa sahi olması otik özelliklerii belirler ve Bu otoelektroik ugulamalar içi kullaılı kullaılmaacağı içi e büük kriterlerde biridir 008 HSarı 5

6 Tek Atomlu Yarıiletkeler Otoelektroik Malzemeler III IV V VI VII siliko Si germaum Ge karbo C! II Işık Kaakları I II V V Işık Algılaıcıları I Güeş illeri Dolalı Bat aısı Si Bileşik Yarıiletkeler IIIV İkili Terar => GaAs AlAs IAs IP Üçlü Quaterar => Ga Al 1 As I Al 1 As V I I Işık Kaakları V IIVI Işık Algılaıcıları Güeş illeri İkili Terar => HgTe CdTe I Üçlü Quaterar => Cd Hg 1 Te 008 HSarı Dolasız direk Bat aısı GaAs 6

7 Yarıiletke klemler Yarıieltkelerde ararlama bularda farklı ti katkılamış olalarıı biraraa getirerek eklemler oluşturmak ile gerçekleştirilir İki farklı eklemlerde bahsedebiliriz: i Aı tür eklemler Homojuctio: Aı tür arıiletkede oluşturulmuş ve tii arıiletkei birleştirerek oluşturula eklemler öreği Si:Si Ge:Ge Si Si ii Farklı tür eklemler Heterojuctio: Farklı tür arıiletkeleri birleştirerek oluşturula eklemler öreği Si:Ge GaAs:GaAlAs Si Ge 008 HSarı 7

8 Aı Türde klemler Homojuctio Silikoda aılmış tii ve tii katkılamış arıiletke malzemei düşüelim Malzemeler aı olduğu içi siliko ve tii malzemei bat aralığı da aı olacaktır ti ti lektro Deşik hole Atom qφ qφ =0 Boşluk c f v f qφiş foksiou: Bir elektrou iletim badıda c boşluğa götürmek içi gereke eerji 008 HSarı 8

9 Yarıiletke klemler lektro Deşik hole Atom ti ti c f v f d Buildi Potasiel V b d: delitio bölgesi I V b V A c f v 008 HSarı 9

10 008 HSarı 10 V I V I f c v V b V A V A f c v V b d d Ters besleme İleri besleme

11 g GaAlAs g GaAs g GaAs c g GaAlAs v d m GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs d 008 HSarı 11

12 Yarıiletke klemleri Otoelektroik Ugulamaları 008 HSarı 1

13 Yarıiletke klemleri Otoelektroik Ugulamaları1 Yarıiletke eklemler elektrik eerjisii ışığa etki şekilde çevirecek şekilde tasarlaır I = I e qv / kt th 1 g o =0 I V d: Tüketim bölgesi I ev b c v g o =0 g 1 g g 3 V eklemi hv > g eerjili düzgü bir ışıkla adılatılırsa I o eklemi tüketim bölgeside elektro ve deşik çiftleri oluşur. Devrede oluşacak ola akım I qv / kt = Ith e 1 g o = HP/cm 3 s I o = gag o L L d A L 008 HSarı =Deşik difüzo uzuluğu 13 L =lektro difüzo uzuluğu d I o L L

14 Yarıiletke klemleri Otoelektroik Ugulamaları Yarıiletkeleri otoelektroikte kullaılması farklı katkılama ve eklemler aılarak mümküdür I I. Bölge V>0 I >0 : LD ve Lazerler V V>0 I >0 V V A V<0 I <0 III. Bölge V<0 I <0 : Dedektörler Akım gerilimde bağımsız otik şiddet ile oratılı I V>0 I <0 IV. Bölge V>0 I <0 : Güeş Pilleri A V 008 HSarı A 14

15 Güeş Pilleri1 Ugu bir eklemi IV eğrisii V. bölgeside çalıştırılırsa eklem üzerie gele ışığı oluşturacağı elektrodeşik çifti tolaarak dış devree elektriksel güç sağlaabilir I o >0 I I g V g I o =0 I g V g V Potovoltik PV etki I o >0 lektrodeşik çiftii aratılması ile eklemii uçları arasıda oluşacak ola gerilim kullaıla arıiletke malzemei bat aralığıda daha düşük olur. Öreği Si de bu gerilim < 1 V Akım ise adılatıla üzee bağlıdır. 1 cm 3 lik ala içi ma arasıda değişir Gerilim düşük olduğuda üksek güç elde etmek içi büük üze alaları kullamak gerekmektedir Güeş sektrumudaki bütü dalgabolarıı eklem tarafıda soğrulması arzulaır Siliko ucuz oluşuda dolaı güeş illeride agıca kullaılmaktadır 008 HSarı 15

16 Güeş Pilleri Güeş illerii verimliliği: oluşturula eh saısı / gele foto saısı I o =0 I I o >0 V m V oc V I sc I m I sc V oc = Açık devre gerilimi I sc = Kısa devre akımı V oc eklemii üze alaıa klemleri direcie bağlı Yarıiletke malzemei bat aralığıa ve katkılamaa bağlı V m V m = klem üzeride oluşa maksimum gerilimi I m = Devrede dolaşa maksimum akım I m ImVm 008 HSarı Dolum Faktörü Fill Factor FF = I V 16 sc oc

17 Işık Algılaıcıları Dedektörler1 eklemii IV grafiğii III. bölgeside akım gerilimde bağımsız fakat akım ışık şiddeti ile oratılıdır I α I o I V A g o =0 g 1 g g 3 V V g 3 >g >g 1 Bu bölgede çalışa otik devre elemaı dedektör zamala değişe otik siali elektrik sialie çevirmede kolalıkla kullaılabilir Dedektörlerde kullaıla malzemei bat aralığı algılaacak ışığı eerjiside küçük olmalıdır Dedektörlerde teki zamaı öemlidir. Öreği bir sıra 1 s aralıklarla değişe ışık siallerie duarlı bir dedektörde oluşa elektrik ükleri 1 s de daha kısa zama aralığıda ekleme ulaşmalıdır I o 008 HSarı Dedektör t s 17

18 Işık Algılaıcıları Dedektörler Tüketim bölgesi dışıda aratıla elektrodeşik çiftii difüzo ile tüketim bölgesie ulaşması uzu zama alacağı içi dedektörü teki zamaıı artırır. Bu sebete dolaı tüketim bölgesi geiş tutularak ışığı üksüz ola vea bölgeside ziade tüketim bölgeside elektrodeşik oluşturması sağlaır Tüketim bölgeside aratıla elektro ve deşik çifti bu bölgede var ola elektrik alaı saeside ve bölgelerie iletilerek akıma döüşmeleri sağlaır Tüketim bölgeside elektrodeşik çiftii oluşturulması esasıa daalı ışık algılaıcılarıa Tüketim Bölgesi Işık Algılaıcıları Deletio Laer Photodiode hv 008 HSarı 18

19 Işık Yaa Otoelektroik lemalar Ugu bir eklemi IV eğrisii I. bölgeside çalıştırılırsa eklemi tüketim bölgeside elektro ve deşikler belli bir eşik gerilimi üstüde eklem bölgeside birleşerek dalgabou bat aralığıa eşit ışık aabilir I V>0 I >0 A V V V I Bu amaç içi direk bat aralığıa sahi ve aşırı katkılamış ve tii eklemler kullaılmalıdır 008 HSarı 19

20 Işık Yaa Diotlar LD Aşırı katkılamış ve tii eklemlerde Fermi eerji seviesi bat aralığıda ziade bat içide buluur Tüketim bölgesii geişliği katkılamaı oğuluğua bağlıdır a Arık ve tii arıiletkeler ve eerji sevieleri b Sıfır gerilim altıda eklemi GaAs GaAs GaAs GaAs c F C f v V F c İleri besleme durumu hv = g εvo 1 1 W = q Na Nd 1/ d Oluşacak ola ışığı frekas aralığı V F C c V F v hv = g 008 HSarı 0 C V < hv < F F

21 F C LD Işığı Özelliği şiddet Frekas Bat Aralığı hv = g V F C V < hv < F F v o hv şik değeri altıdaki durum Koheret olmaa ışıma C V Işık: Koheret değildir Tek rekli mookromatik değildir Yölü değildir 008 HSarı 1

22 LazerlerGeel Kavramlar LASR: Light Amlificatio b Stimulated missio of Radiatio Lazerleri özelliği Koheretlik Tek reklilik Yölülük Lazerleri çalışma resibii alamak içi eerjileri ve 1 ola iki eerji seviesii göz öüe alalım Üst seviedeki uarılmış fazlalık elektrolar düşük eerji seviesie düşer. Bu geçiş esasıda iki eerji farkı kadar eerjie sahi fotolar salıır. Üst seviedeki elektroları bu düşüşü rastgele olu bua kediliğide geçiş sotaeous emissio deir. Kediliğide geçiş süresi τ k hv= 1 = 1 1 Kediliğide geçiş C V C V < hv < F F Buu aıda üst seviedeki elektrolar ugu şartlarda kediliğide alt seviee imektese bir uarıcıı varlığıda da alt seviee geçebilirler. Bu durumda kediliğide geçişi karakterize ede arılama süresi τ k zamaıı beklemek zoruda değildir ve uarılmaı etkisi ile çok daha kısa sürede τ u alt seviee geçebilirler. Bu şekilde ola geçişlere uarılmış geçiş stimulated emissio deir hv= 1 Uarılmış geçiş 008 HSarı 1 τ u 10 8 s << τ k

23 LazerlerGeel Kavramlar erjisi bat aralığıa sahi hv= 1 fotolar uarıcı olarak kullaıldığıda hv= 1 ρhv ρhv foto alaıı varlığıda uarılmış geçişi aı sıra soğurma ve kediliğide geçiş oluşur B 1 ρhv=uarılmış geçiş oraı B 1 1 ρhv=soğurma oraı A 1 =Kediliğide geçiş oraı Dege durumuda 1 B 1 A 1 B 1 : istei katsaıları B 1 1 ρhv=a 1 B 1 ρhv Isıl degede durumuda uarılmış geçiş kediliğide geçiş oraı aıda ihmal edilebilir 1 hv ρhv=foto eerji oğuluğu ρhv 1 B 1 ρhv A 1 B 1 1 ρhv 1 Foto alaı durumuda Uarılmış geçiş oraı B 1 ρhv B 1 = = ρhv Kediliğide geçiş oraı A 1 A Uarılmış geçişi soğurmada fazla amak içi > 1 Uarılmış geçiş oraı B 008 HSarı 1 ρhv B 1 = =... 3 Soğurma oraı B 1 1 ρhv B 1 1

24 Otik Rezoas Ouğu Otical Resoat Cavit Uarılmış geçiş oraı B 1 ρhv B 1 = = ρhv Kediliğide geçiş oraı A 1 A 1 Uarılmış geçişleri kediliğide geçişlerde daha fazla amaı olu üksek bir foto alaı ρhv aratmaktır. Buu içi rezoas ouğu resoat cavit kullaılır. Bu rezoas ouğu saeside foto alaı ρhv sürekli artırılır. Bu ouk fotou asıtacak bir aa olabilir. 1 m = L λ o m=1 1 m=3 m= Aa Aa R=1 R=09 L 008 HSarı 4

25 Pomalama Lazeri gerçekleşmesi içi gerekli ola. şart ai > 1 şartı alt seviedeki elektroları üst seviee uararak gerçekleştirilir. Bu işleme dağılım terslemesi oulatio iversio deir. Uarılmış geçişi soğurmada fazla amak içi > 1 Uarılmış geçişi soğurmada fazla amak içi > 1 Uarılmış geçiş oraı B 1 ρhv B 1 = = Soğurma oraı B 1 1 ρhv B 1 1 > 1 koşulu omalama işlemi ile aılır. Lazerlerde bu otik vea elektrik akımı ile aılır. Yarıiletke lazerlerde omalama işlemi aşırı katkılama saeside eklem üzeride akım geçirerek sağlaır Akımı belli bir değeride eşik akım I eşik threshold > 1 şartı sağladığıda lazer özelliği göstere ışık elde edilmiş olur HSarı 5

26 Lazer Işığıı Özelliği F şiddet C hν o = g V F v o hv C V Işık: Koheret Tek rekli mookromatik Yölü 008 HSarı 6

27 Yarıiletke Lazerler Aşırı katkılamış arıiletke eklemi ileri besleme durumuda elektrolarla deşikler aı bölgede birleşmee hazır duruma gelirler Bölece lazeri oluşması içi gereke > 1 şartı sağlamış olur. şiddet Frekas Bat Aralığı şiddet şiddet hv hv hv w o şik değeri altıdaki durum Koheret olmaa ışıma a şik değeri heme altıdaki durum b şik değeri üstüde lazer ışıımı a LD ışımasıa karşı gelmektedir. Tek rekli ışık elde edilmesie rağme frekas bat aralığı oldukça geiştir ve elde edile ışıkta lazerler içi gerekli ola 1. şart sağlamadığı içi koheretlik oktur b Akım eşik değeri heme altıda birçok rezoas ouğua karşı gele dalgabouda ışık elde edilir Bularda birii başat olması içi gereke > 1 şartı heüz sağlamış değildir c Akım eşik değeri üstüde olduğuda rezoas ouğudaki bir frekas diğerlerii bastırarak başat hale gelir. Bu frekasta bad aralığı oldukça küçüktür ve ışık koheretdir 008 HSarı 7 w o c

28 Otik Dalga Kılavuzları Otical Waveguides Dalga kılavuzlarıı foksiou ışığı özelliğii bozmada ve e az kaıla bir oktada başka bir oktaa iletmek Bu asıl foksiolarıı aı sıra otik modülatör vea otik aahtar olarak da kullaılabilir Işık iletimi amacı ile kullaıldığıda a aı oga çi üzerideki ada birbirleride kilometrelerce uzaklıkta bulua otoelektroik devre elemaları arasıda ışığı iletimii sağlar İletke tellerdeki elektrik akımıı tersie dalga kılavuzlarıda ışık farklı kilerde mod ilerler Uzu mesafeler arasıda km ışığı taşımada kullaıla e agı dalga kılavuzları otik fiberlerdir Yarıiletke dalga klavuzları daha çok elektroik ogalar üzerideki < cm iletişimi sağlamada ve elektrootik modülatörlerde kullaılır Tam iç asıma > 1 Dalga kılavuzları kırılma idisi büük ola bir katmaı kırılma idisi daha küçük bir katmala kalaarak oluşturulur HSarı 8

29 Otik Fiberler Uzu mesafeler arasıda ışığı taşımada kullaıla e agı dalga klavuzları otik fiberlerdir Otik fiberler ışığı taşıa üksek kırma idisli iç katmaı core düşük kırma idisli malzeme claddig ile silidirik geometride aılırlar Otik fiberler geellikle silisumda aılır SiO 1 > SiO :Ge SiO Dış katma claddig: silisum SiO İç bölge core: germaum katkılamış silisum SiO :Ge 1 İç katma core Dış katma claddig Işığı şiddetideki azalma soğrulması bütü dalgaboları içi aı değildir Bu sebete dalga klavuzuu hagi dalgabou içi kullaılacağı öemlidir P o P = P o e α P 10 α dbkm 1 Kızılötesi soğurma db=10logp/p o 01 Raleigh saçılması λ µm 10 log P / P o db Kaı attauatio katsaısı α = = HSarı

30 008 HSarı 30 Yarıiletke Dalga Kılavuzları1 t t r c r t r = t i e r t r ω = 0 = r r k r Büük kırılma idisli arıiletke bir malzeme kırılma idisi daha küçük arıiletke malzemeler tarafıda sadviçleirse kırılma idisi büük ola katma ışığı uzu mesafeler bouca dağıtmada iletebilir Böle bir aı eitaksiel büütme ötemleri ile kolalıkla büütülebilir Yarıiletke malzemeler kullaılarak aıla bu dalga klavuzlarıa arıiletke otik dalga kılavuzları deir Kılavuz olarak kullaıla katmaı bat aralığıı iletilecek ışığı eerjiside daha büük olması gerekir 1 = 3 simetrik dalga klavuzu 1 3 simetrik olmaa dalga klavuzu zekseii bouca ilerlee düzlem dalga çözümleri z i e r β = β= İlerleme sabiti [ ] 0 = r k β k=ω/c 1 3 z t i e r t r ω = d

31 008 HSarı 31 Yarıiletke Dalga Klavuzları [ ] 0 = r k β 1. bölge [ ] 0 1 = k β. bölge [ ] 0 = k β 3. bölge [ ] 0 3 = k β k β ifadesii işaretie bağlı olarak çözümler erodik vea üsteldir 1 3 z β k 1 k 3 k T 1 T o Işığı oluştura elektro maetik dalgaı uzasal dağılımı d << β > k 1 β < k β > k 3 Işığı klavuzlaması içi