Yarıiletken Optoelektronik Devre Elemanları HSarı 1

Transkript

1 Yarıiletken Optoelektronik Devre Elemanları 2008 HSarı 1

2 Optoelektronik Devre Elemanları p-n Eklemlerinin Optoelektronik Uygulamaları Işık Üreteçler» Işık Yayan Diyotlar (LED)» Lazerler Işık Dönüştürücüler» Işık Dedektörleri» Güneş Pilleri Işık İleticiler: Dalga Kılavuzları» Optik Fiberler» Yarıiletken Dalga Kılavuzları Işık Modülatörleri 2008 HSarı 2

3 Yarıiletken Eklemler: I-V Eğrileri n V p I Aydınlatma Yok qv kt I( V ) = I ( e 1) k I k =karanlık akım Dp Dn Ik = qa( pn + np ) L L p n n p I n p V-V o V+V o E F V b I k V E F n p n p V b +V o E F çığ bölgesi V o E F V b =Kırılma gerilimi (breakdown voltage) 2008 HSarı 3

4 Işık Altında p-n Eklemi p-n eklemi hv > E g enerjili düzgün bir ışıkla aydınlatılırsa (g op ) eklemin tüketim bölgesinde elektron ve deşik çiftleri oluşur. I g op n E p A g op =0 V g 1 g2 L p d L n g 3 g op = optik güç (EHP/cm 3 -s) E = yapısal elektrik alan L p = deşik difüzyon uzunluğu L n = elektron difüzyon uzunluğu g 3 > g 2 > g 1 > g op =0 I = I I qv / kt k ( e 1) op g op = 0 I = I e qv / kt k ( 1) I = qag ( d + L + L ) op op n p 2008 HSarı 4

5 Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamaları Yarıiletkenlerin optoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yapılarak mümkündür I I. Bölge (V>0, I >0 ): LED ve Lazerler -V V<0, I <0 V>0, I >0 III. Bölge (V<0, I <0 ): Dedektörler Akım gerilimden bağımsız, optik şiddet ile orantılı -I g op 0 V>0, I <0 +V - n p + V IV. Bölge (V>0, I <0 ): Güneş Pilleri - + n p A A + -V n p HSarı A 5

6 Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamaları Yarıiletkenlerin optoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yapılarak mümkündür Eklemlerde kullanılan malzemenin bant yapısı-direk-indirek (ışık algılayıcı-ışık yayıcı) Malzemenin yasak bant aralığı (yayılan veya algılanan ışığın frekansı) Katkılama oranı (tüketim bölgesinin genişliği-d) Boyut kuantalanması (verimli optoelektronik devre elemanları) I Direk bant aralığı Aşırı katkılama d n p -V Bant aralığı katkılama V<0, I <0 V>0, I >0 Geniş eklem yüzeyi V>0, I <0 +V 2008 HSarı -I 6

7 Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar LED LAZER 2008 HSarı 7

8 Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar Uygun bir p-n eklemi I-V eğrisinin I. bölgesinde çalıştırılırsa eklemin tüketim bölgesinde elektron ve deşikler belli bir eşik gerilimin üstünde eklem bölgesinde birleşerek dalgaboyu bant aralığına eşit ışık yayabilir I -V V>0, I >0 +V - n p + A V -I Elektron ve deşikleri en düşük gerilimle ve en verimli şekilde birleştirecek tasarım Bu amaç için: Direk bant aralığına Aşırı katkılanmış n ve p tipi eklemler kullanılmalıdır 2008 HSarı 8

9 Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar-Genel Özellikler Uygun bir p-n eklemi I-V eğrisinin I. bölgesinde çalıştırılırsa eklemin tüketim bölgesinde elektron ve deşikler belli bir eşik gerilimin üstünde eklem bölgesinde birleşerek dalgaboyu bant aralığına eşit ışık yayabilir I V>0, I >0 -V +V -I - Kuantum Verimlilik - Eşik Akım - Frekans Bantgenişliği 2008 HSarı 9

10 Işık Yayan Diyotlar (LED) Aşırı katkılanmış n + ve p + tipi eklemlerde Fermi enerji seviyesi bant aralığından ziyade bant içinde bulunur Tüketim bölgesinin genişliği katkılanmanın yoğunluğuna bağlıdır. (a) Ayrık n ve p tipi yarıiletkenler ve enerji seviyeleri (b) Sıfır gerilim altında p-n eklemi n + -GaAs p + -GaAs n + -GaAs p + -GaAs E c E F E C E f E v E V E F d (c) İleri besleme durumu n hv = E g 2εVo 1 1 d = ( + ) q Na Nd 1/ 2 (d) Oluşacak olan ışığın frekans aralığı V p E F n E C E c E V E p F E v hv = E g 2008 HSarı 10 E C -E V < hv < E n F -E p F

11 E F n E C LED Işığının Özelliği hν = E g E V E p F E C -E V < hν < E F n -E F p şiddet ν v o Frekans Bant Aralığı hν Eşik değerin altındaki durum (uyumsuz (koherent olmayan) ışıma) E C E V yön Faz yüzeyleri Işık: Uyumlu (koherent) değildir Tek renkli (monokromatik) değildir Yönlü değildir Kutuplu değildir 2008 HSarı 11

12 Lazerler-Genel Kavramlar LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Türkçesi LAZER Lazerler ışığının özelliği Uyumlu (Koherent) Tek renkli (Monokromatik) Yönlü Kutuplu Lazerlerin çalışma prensibini anlamak için enerjileri E 2 ve E 1 olan iki enerji seviyesini göz önüne alalım E 2 E=E 2 -E 1 E 1 hv=e 2 -E HSarı 12

13 Optik Geçişler Kendiliğinden Geçiş (Işıma) (spontaneous emission) A 21 N 2 N 2 A 21 N 1 N 2 > N 1 kendiliğinden geçiş τ k Soğurma (absorption) B 12 N 1 ρ(hv) B 12 N 2 N 1 Uyarılmış Geçiş (Işıma) (stimulated emission) N 2 B 21 N 2 ρ(hv) Uyarılmış geçiş B 21 τ u 10-8 s << τ k N HSarı 13

14 Lazer Ortamı Kazanç ortamı I o N 2 > N 1 I = I e +α o z Kayıplı ortam I o N 2 < N 1 I = I e α o z 2008 HSarı 14

15 Lazerler-Genel Kavramlar ρ(hv) foton alanının varlığında uyarılmış geçişin yanı sıra soğurma ve kendiliğinden geçiş oluşur B 21 N 2 ρ(hv) = Uyarılmış geçiş oranı B 12 N 1 ρ(hv) = Soğurma oranı A 21 N 2 = Kendiliğinden geçiş oranı ρ(hv) N 2 E 2 B 21 N 2 ρ(hv) A 21 N 2 B 12 N 1 ρ(hv) N 1 E 1 Foton alanı durumunda Uyarılmış geçiş oranı B 21 N 2 ρ(hv) B 21 = = ρ(hv) Kendiliğinden geçiş oranı A 21 N 2 A Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için N 2 > N 1 Uyarılmış geçiş oranı B 21 N 2 ρ(hv) B 21 N 2 = =...2 Soğurma oranı B 12 N 1 ρ(hv) B 12 N HSarı 15

16 Lazerler-Genel Kavramlar B 21 N 2 ρ(hv) = Uyarılmış geçiş oranı B 12 N 1 ρ(hv) = Soğurma oranı A 21 N 2 = Kendiliğinden geçiş oranı Denge durumunda B 12 N 1 ρ(hv)=a 21 N 2 + B 21 N 2 ρ(hv) B 12, A 21, B 21 : Einstein katsayıları Isıl dengede durumunda ve siyah cisim ışıma denklemini kullanarak B = B A21 8πhν 8πh = = 3 3 B21 c λ Ödev: Einstein katsayılarının B A B = B 8πhν = 3 c 2008 HSarı olduğunu gösteriniz 16 3

17 Lazerler-Genel Kavramlar 3 A21 8πhν 8πh = = 3 3 B21 c λ Lazer olayı için A 21 /B 21 oranını küçük tutmak gerekir. Bu oran dalgaboyunun küpü ile ters orantılı (frekans ile doğru) olduğu için yüksek frekanslarda (gama-ışınlarında) lazer yapmak teknik olarak daha zordur 2008 HSarı 17

18 Spektral Dağılım (Lineshape) E F n E F p E g E C E V E C -E V < hv < E F n -E F p ν ο ± ν ν = o E h g Ν Kazanç eğrisi ν ο - ν ν ο ν ν ο + ν ν 2008 HSarı 18

19 Kayıplar R 1 R α R = α R + α ln( ) 1 R = 2 2L R R α = α + α L + α 1 2 r s R R 1 2 α r =toplam kayıp katsayısı (birim uzunluk başına) α r =saçılma ve soğurma kayıpları α R =aynalardaki yansımalardan kaynaklanan kayıp Ν Kazanç eğrisi e 2 α r L = 2 sl R1 R2e α kayıp ν 2008 HSarı 19

20 Lazer Şartı Nüfus terslemesi N 2 > N 1 (Pompalama) I = I e +α o Osilasyon olabilmesi için kazancın kayıplardan daha büyük olması gerekmektedir z I I δi 2 L e α o 1 δ 2α L << 1 2αL δ I o N 2 > N 1 I = I e α o z kayıp 2008 HSarı 20 L

21 Optik Rezonans Oyuğu (Optical Resonant Cavity) Bunun için rezonans oyuğu (resonant cavity) kullanılır. Bu rezonans oyuğu sayesinde foton alanı ρ(hv) sürekli artırılır. Bu oyuk fotonu yansıtacak bir ayna olabilir. L m=1 Rezonatör frekansları v c ν = = 2L 2Ln m=3 m=2 ν ν L ν m-1 ν m-1 ν m ν m+1 ν m+2 2L 2Ln m = = λ λ o m=1, 2, 3... λ = rezonatör ortamında dalgaboyu λ o = boşluktaki dalgaboyu 2008 HSarı 21

22 Optik Rezonans Oyuğu (Optical Resonant Cavity) E F n E g E F p E C E V Ν Kazanç eğrisi kayıp ν m=1 m=3 m=2 ν L Kazanç eğrisi kayıp 2008 HSarı ν 22

23 Lazer %100 yansıtıcı ayna % 98 yansıtıcı ayna Kazanç ortamı Lazer ışığı N 2 > N 1 Basitleştirilmiş tipik bir lazer şeması 2008 HSarı 23

24 Pompalama Lazer olayının gerçekleşmesi için gerekli olan 2. şart, yani N 2 > N 1 şartı, alt seviyedeki elektronları üst seviyeye uyararak gerçekleştirilir. Bu işleme nüfus terslenmesi (population inversion) denir. Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için N 2 > N 1 Uyarılmış geçiş oranı B 21 N 2 ρ(hv) B 21 N 2 = = Soğurma oranı B 12 N 1 ρ(hv) B 12 N 1 N 2 > N 1 koşulu pompalanma işlemi ile yapılır. Lazerlerde bu optik veya elektrik akımı ile yapılır. Yarıiletken lazerlerde pompalama işlemi aşırı katkılanma sayesinde eklem üzerinden akım geçirerek sağlanır Akımın belli bir değerinde (eşik akım (I eşik ) (threshold) N 2 > N 1 şartı sağlandığında lazer özelliği gösteren ışık elde edilmiş olur - V + optik güç n + -GaAs p + -GaAs I I E f E c E v I th 2008 HSarı d 24

25 Lazer Işığının Özelliği Işık: Uyumlu (koherent) Tek renkli (monokromatik) Yönlü Kutuplu E n F E C hν o = E g şiddet Lazer E V E p F LED ν Tek renkli v o E C E V yönlü 2008 HSarı 25 Uyumlu (Koherent)

26 Lazer Işığının Özelliği-Modlar - Enlemesine (Transverse) mod - Boylamasına (Longitudinal) mod E( x, y, z; t) = Eo ( x, y ) e i( ωt kz) Enlemesine mod Boylamasına mod TransverseElectroMagnetic wave-tem (l,m,q) Enlemesine mod (indis) Boylamasına Mod (frekans-hz) 2008 HSarı 26

27 Boylamasına Mod - Boylamasına mod (ışığın elektrik alanının zaman içersindeki salınımı) E( x, y, z; t) = E ( x, y) e i ω t kz o ( ) E F n şiddet E C hν o = E g E V E p F v o hv 2008 HSarı 27

28 Enlemesine Mod - Enlemesine mod (ışığın yayılma doğrultusuna dik düzlemdeki elektrik alan dağılımı) E ( x, y, z; t) = E (, ) o x y e i( ωt kz ) TransverseElectroMagnetic (TEM l,m ) Küresel ayna Küresel ayna TEM 0,0 TEM 1,0 TEM 0,1 TEM 1,1 x y z x y TEM 0,0 TEM 1,0 Gaussiyen Dağılım Hermite-Gaussiyen Dağılım (l,m) =>(0,0) (l,m) =>(l,m) 2008 HSarı 28

29 Yarıiletken Lazerler Aşırı katkılanmış n ve p tipi direk bant aralığına sahip yarıiletkenlerle oluşturulan eklemler lazerlerin yapımında kullanılabilirler Yarıiletken lazerler, rezonans oyuğu içine konmuş LED lerden farklı değildir Rezonans oyuğu, yarıiletkenlerin kenarlarından yapılan kesme (cleave) işlemi ile oluşturulur Yarıiletken lazerler diğer lazer türlerinden farklılık gösterirler. Bunların en başlıcası boyutlarının oldukça küçük oluşudur (tipik boyutları 0,1 x 0,1 x 0,3 mm) Yüksek verimlidir Lazer çıkışı eklemlere uygulanan akım ile kolaylıkla kontrol edilebilir Yarıiletken lazerler, optoelektronik tümleşik devreleri ile kolaylıkla bütünleştirilebilir Yarıiletken lazerler fiber optik iletişimde oldukça kullanışlıdır 2008 HSarı 29

30 Yarıiletken Lazerler Kesme doğrultuları (ayna oluşturmak için) p n V p n E c E f E v Ayna R=1 Ayna R=0,9 Ayna R=1 Ayna R=0, HSarı 30

31 Yarıiletken Lazerler Aşırı katkılanmış yarıiletken eklemin ileri besleme durumunda elektronlarla deşikler aynı bölgede birleşmeye hazır duruma gelirler Böylece lazerin oluşması için gereken n 2 > n 1 şartı sağlanmış olur. şiddet Frekans Bant Aralığı şiddet şiddet hv hv hv w o Eşik değerin altındaki durum (Koherent olmayan ışıma) (a) Eşik değerin hemen altındaki durum (b) Eşik değerin üstünde lazer ışınımı (a) LED ışımasına karşı gelmektedir. Tek renkli ışık elde edilmesine rağmen frekans bant aralığı oldukça geniştir ve elde edilen ışıkta lazerler için gerekli olan 1. şart sağlanmadığı için koherentlik yoktur (b) Akım eşik değerin hemen altında birçok rezonans oyuğuna karşı gelen dalgaboyunda ışık elde edilir Bunlardan birinin başat olması için gereken n 2 >n 1 şartı henüz sağlanmış değildir (c) Akım eşik değerin üstünde olduğunda rezonans oyuğundaki bir frekans diğerlerini bastırarak başat hale gelir. Bu frekansta band aralığı oldukça küçüktür ve ışık koherentdir 2008 HSarı 31 w o (c)

32 Düşük Boyutlu Yarıiletken Lazerler Düşük boyutlu yapılar kullanılarak lazerlerin performansı arttırılabilir Işığın frekansı ayarlanabilir Enerji seviyeleri kuantalı olduğu için (bant değil!) frekans bant genişliği daha dardır Elektronlar ve deşikler uzayın belli bir bölgesine hapsedildiği için birleşme verimliliği yüksektir (düşük eşik akım-i eşik ) Optik sınırlamadan dolayı foton alanı ρ(hν) yüksek (yüksek verimlilik) p-algaas GaAs d λ d µm n-algaas n-gaas Alttaş Aktif katman E g (AlGaAs) E g (GaAs) E C 2 E C 1 E V 1 E V 2 E g (AlGaAs) şiddet v o ν hetero ν homo ν d Å 2008 HSarı Aktif katman 32

33 Heteroeklemli Yarıiletken Lazerler Farklı türden yarıiletken malzemeler kullanılarak yarıiletken lazerlerin verimliliği arttırılabilir. Bant aralıkları farklı yarıiletkenlerle oluşturulan eklemlerde elektron ve fotonlar eklem bölgeside tutularak eşik akım değerinin düşürülmesi sağlanır p-algaas p-gaas < 1 µm n-gaas Alttaş V p-algaas p-gaas n-gaas Alttaş < 1 µm n-gaas p-gaas p-algaas n-gaas p-gaas p-algaas E g (AlGaAs) =2 ev E f E f E g (GaAs) =1,4 ev E f Kullanılan geniş bant aralıklı AlGaAs sayesinde Elektronların tümüyle p-gaas de kalması sağlanır E f (a) Sıfır beslenme durumu (b) İleri beslenme durumu 2008 HSarı 33

34 Çift Heteroeklemli Yarıiletken Lazerler Çift Heteroyapılı lazerler (Double Heterostructures): Daha verimli lazer yapılar oluşturulabilir Aktif Katman p-gaas p-algaas p-gaas n-algaas n-gaas Alttaş < 1 µm n-gaas n-algaas p-gaas p-algaas E (AlGaAs) g =2 ev E f E g (AlGaAs) =2 ev E g (GaAs) =1,4 ev 2008 HSarı 34

35 Kuantum Çukurlu Yarıiletken Lazerler Lazerin aktif bölgesinin kalınlığı daha da çok düşürülerek (elektronun de Broglie dalga boyu mertebesinde) verimli ve frekans band aralığı daha küçük lazerler elde edilebilir. Kuantum çukurlı lazerlerde tipik olarak eşik akım değerinde 10 kat azalma sağlanabilir n-gaas n-algaas p-gaas p-algaas Aktif Katman p-gaas p-algaas p-gaas d Å E g (AlGaAs) E g (GaAs) E 2 C E 1 C E g (AlGaAs) n-algaas n-gaas Alttaş E 1 V E 2 V d Å Aktif Katman GaAs 2008 HSarı 35

36 Bant içi Yarıiletken Lazerler Lazerin aktif bölgesinin kalınlığı daha da çok düşürülerek (elektronun de Broglie dalga boyu mertebesinde) verimli ve frekans band aralığı daha küçük lazerler elde edilebilir. Kuantum çukurlı lazerlerde tipik olarak eşik akım değerinde 10 kat azalma sağlanabilir n-gaas n-algaas p-gaas p-algaas Aktif Katman p-gaas p-algaas p-gaas d Å E g (AlGaAs) E g (GaAs) E 2 C E 1 C E g (AlGaAs) n-algaas n-gaas Alttaş E 1 V E 2 V d Å Aktif Katman GaAs 2008 HSarı 36

37 Yüzey Salınımlı Lazerler (VCSEL) Yarıiletken lazer yapılarında ışık, aynanın yan yüzeylerde oluşundan dolayı yan yüzeylerden dışarıya çıkar. Bu tür lazerlere yüzey salınımlı lazerler (edge emitting lasers) denir. Aktif bölgenin yaklaşık µm kalınlıkta olduğu düşünülürse lazer ışığının genişlemesinde asimetrik etkiye sebep olabilmektedir Yüzeyden salınım yapan lazer geometrisi ile lazer dizileri yapmak mümkün değildir Bazı uygulamalarda tek bir lazerden ziyade lazer dizilerine ihtiyaç duyulabilir. Örneğin bir yüzey alanının ışıkla taranması gibi x x n d x d x p y d y y d y d x d y d x =d y 2008 HSarı 37

38 Yüzey Salınımlı Lazerler (VCSEL) Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) Yüzeyden salınım yapan lazer geometrisi ile lazer dizileri(array) yapmak mümkün değildir DBR Ayna (23 çift) Akım sınırlayıcı Aktif bölge DBR Ayna (23 çift) GaAs n-alas n-gaas n-alas GaAs p-algaas GaAs n-alas n-gaas n-alas n+-gaas DBR-AlAs/GaAs GaAs DBR-AlAs/GaAs alttaş Enine Mod 2008 HSarı 38

39 Lazer Yapımında Kullanılan Malzemeleri GaAlAs/GaAs tabanlı yarıiletkenler: Hem direk bant aralığına sahip hem de değişik kompozisyonlarda büyütülmesinde problem olmadığı (örgü sabitleri arasındaki fark çok küçük olduğu için) üretilebilmektedir. InGaAsP/InP tabanlı yarıiletkenler: Değişik dalgaboyunda ışık üretimine elverişli ve sorunsuz büyütülebildiği için λ=1,3-1,55 µm aralığında herhangi bir dalgaboyuna ayarlanabilir GaAs (1-x) P x Bant aralığı x ile doğrusal olarak değişir ve < x=0,45 e kadar direk bant aralığına sahiptir LED ler için kullanılan en uygun GaAs 0,6 P 0,4 Bu aralıkta bant direktir ve 1,9 ev enerji ile kırmızı Bölgeye düşer. Bu LED ler hesap makinelerinde ve diğer ışıklı göstergelerin yapımında kullanılır 2008 HSarı 39

40 Işık Dönüştürücüler Dedektörler Güneş Pilleri 2008 HSarı 40

41 Işık Dönüştürücüler-İçerik Işık Dedektörleri Işık Dedektörleri-Genel Özellikler Fotoiletken Dedektörler Fotodiyot Dedektörler» p-n Fotodiyotlar» p-i-n Fotodiyotlar» Metal-Yarıiletken Fotodiyotlar Çığ Fotodedektörler Bant İçi Soğurmalı Fotodedektörler Güneş Pilleri» Fotovoltaik Etki» Güneş Pil Tasarımı 2008 HSarı 41

42 Işık Algılayıcıları (FotoDedektörler) Isıl (Termal) FotoDedektörler Foton enerjisini ısıya çevirerek ölçülen dedektörler. Bu tür dedektörler, verimsiz, yavaş ve elektronik teknoloji ile tümleşemediklerinden optoelektronikte kullanılmazlar - Termoelektrik dedektörler - Bolometre dedektörler - Pyroelektrik dedektörler Fotoelektrik Dedektörler Fotoelektrik etkiye dayanarak geliştirilen dedektörlerdir. İç fotoelektrik etkiye (metal yerine yarıiletken) ve yarıiletken teknolojisine dayanan bu dedektörler, verimli, hızlı ve tümleştirilebildikleri için fotonikte çok yaygın olarak kullanılır Bu derste sadece Fotoelektrik Dedektörler incelenecektir 2008 HSarı 42

43 Fotodedektörler Uygun şekilde tasarlanan bir p-n ekleminin üzerinden geçen akım, ters gerilim altında eklem üzerine düşen ışık şiddeti ile orantılı olarak modüle edilebilir. I I = I I qv / kt k ( e 1) op V>0, I >0 -V + - n p A -V çığ bölgesi V<0, I <0 -I p-n, p-i-n, metal-yarıiletken dedektörler V>0, I <0 +V g op = 0 g op 0 III. Bölge (V<0, I <0 ) İki farklı I-V bölgesi: - Akımın gerilimden bağımsız, optik şiddet ile orantılı olduğu bölge - Akımın gerilimle üstel olarak arttığı bölge (çığ bölgesi) 2008 HSarı 43

44 Fotodedektörler V op (φ) R V o iç fotoelektrik etki (oluşen e-d çifti içeride kalır) n E p i op (φ) λ Φ (foton/s) E g E C λ φ E V p-n eklemi fotodiyot modunda (yüksek ters gerilim) çalıştırılır E( ev ) = E 1.24 λ ( µm) Ölçülecek (Girdi) Optik akı (φ) (foton/s) i Ölçülen (Çıktı) op ( φ) ( veya V ( φ)) op Duyarlılık Tepki süresi 2008 HSarı Verimlilik Kazanç 44

45 n V o =0 E E p i = i + i = 0 net E c E f E v drift Fotodedektörler dif Tüketim bölgesinde elektron-deşik çiftinin oluşturulması esasına dayalı ışık algılayıcılarına Tüketim Bölgesi Işık Algılayıcıları (Depletion Layer Photodiode) olarak adlandırılır i dif i drift I i net = i ( φ) + i drift dif n L p V o E E d p L n i k E c E f E v φ=0 φ 0 V o V Φ (foton/s) n L p V o E d E p L n E c E f E v i dif i dif i drift i net = + = i 0 idif karanlık = i ( φ) + i 2008 HSarı 45 i net i k drift << i op ( φ) dif

46 İdeal Fotodedektör İdeal dedektör parametreleri nelerdir? P op i ( ) op φ A R V ( ) op φ Kazanç Tepki süresi Duyarlılık(responsivity) P op i op (t) i op λ t (ns) t (ns) P op Optik sinyal Dedektör Dedektör akımı 2008 HSarı 46

47 Işık Algılayıcılar (Dedektörler)-Genel Özellikler Kuantum Verimliliği (Quantum Efficiency) Dedektör Tepkisi (Responsivity) Tepki Süresi (Response Time) Kazanç (Gain) Kazanç-Bantgenişliği Çarpımı (Gain-Bandwidth Product) Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) 2008 HSarı 47

48 Kuantum Verimliliği Kuantum verimliliği (η): Bir fotonun, dedektör akımına katkıda bulunacak elektron ve deşik çifti (e-d çifti) oluşturma olasılığı Birden çok foton olması durumunda foton akısı cinsinden tanımlanırsa η=(elektron-deşik çifti üreten ışık akısı) / (dedektöre gelen toplam ışık akısı) η ı etkileyen faktörler: - yüzey enerji durumları - bant aralığı (dalgaboyu) - serbest taşıyıcı soğurması - fonon saçılması hv - Soğurma katsayısı α (λ) - Aktiv bölgede - Yüzey yansıması soğrulmayanlar 2008 HSarı - Olasılık - Yüzey etkiler 48

49 Kuantum Verimliliği Kuantum Verimliliği hv d η = (1 R)(1 e α ) ξ R=yansıtma katsayısı ξ=akıma katkı sağlayan elektron-deşik çifti oranı α=soğurma katsayısı 0 η 1 I o R (1 R) I o (1-R)I o I o E α d d i op d (1 R)(1 e α ) I o d I = I (1 R)(1 e α ) o d I = I (1 R)(1 e α ) soğurma=1 d x x 2008 HSarı 49 o

50 Duyarlılık (Responsivity) Dedektör devresinde oluşan akım (i op ) ile dedektör üzerine düşen optik güç (P) arasındaki katsayı R i op E hν λ Φ (foton/s) P=hνφ (watt) Foton akısı Φ = Optik güç (Watt) P hν P = hν Φ (foton/s) Fotonların yarattığı elektron-deşik çiftlerinden kaynaklanan dedektör devresinde (dış devre) akım i p ηep = ηeφ = hν İdeal durum η=1 ip = eφ E( ev ) = 1.24 λ ( µm) ηe ip = P = ξ P hν ( Amper) P( Watt) = p 2008 HSarı P = h = Ödev-1: Duyarlılık Dedektör Duyarlılığı ξ η neden dalgaboyu ν ile artar? i ηe λ Dedektör Duyarlılığı ( ξ ) ξ = i p

51 Kazanç Kazanç (G), bir fotonun dedektör devresinde oluşturduğu toplam yük miktarı 1 foton 1 serbest yük değil de Q kadar yük oluşturursa Q = Ge Kazanç G = Q e Q Q > < e e 1 foton 1 e-d çifti 1 foton G e-d çifti Kazanç: G >> 1 (çığ ışıkdedektörler) G 1 (p-n fotodedektörler) Foton akısı Φ = P hν (foton/s) Kazanç cinsinden dış devrede dolanan akım i p ηep = ηeφ = hν ηe ip = ηqφ = G( ηeφ ) = G P hν Dedektör Duyarlılığı 2008 HSarı 51 i p ξ = G P

52 Tepki Süresi Dedektörlerde tepki süresi Geçiş zamanı gecikmesi RC zaman sabiti Geçiş zamanı gecikmesi RC zaman sabiti i op R V R x d E n i(t) R n eklem p R p eklem τ e =(d-x)/v e 0 τ h =x/v h d τ h = v h d τ e = v e x t / RC ( ) = ioe τ t v h << v e x arttırmak tüketim bölgesini Ödev-2: 2008 Ramo HSarı Geçiş zamanı gecikmesi τ = daraltır 52 teoremi nedir? v h i t C eklem R eklem τ RC Katkı atomlarını arttırarak R eklem direnci düşürülebilir ancak katkı atomlarının = RC

53 Tepki Süresi hv difüzyon bölgesi sürüklenme bölgesi hv difüzyon bölgesi hv n E p τ drift << τ dif L p τ h dif=l p /v h d τ drift =d/v L n τ e dif=l n /v e L n = elektron difüzyon uzunluğu L p = deşik difüzyon uzunluğu Dedektörlerde tepki zamanı I op I op Dedektör t (ns) 2008 HSarı t (ns) 53

54 Spektral Duyarlılık λ > E g λ > E g R p E d R p E d n n i op i op Duyarlılık λ > E g R p E d ν n E g Frekans alt limit Frekans üst limit i op HSarı λ ( µ m) λ g ( µ m) = 54 E ( ev ) g

55 Dedektörler-Tasarım n-p eklemli fotodiyot n P Tüketim bölgesi n ve p tarafında λ d 2εVo 1 1 = ( + ) q Na Nd 1/ 2 d n-p + eklemli fotodiyot αd e η = 1 (1 + α L ) p λ n n:10 16 cm -3 d Yüksek elektron devingenliği 2008 HSarı 55 P + p:10 19 cm -3 Tüketim bölgesi çoğunlukla n tarafında Yüksek elektron devingenliği-> yüksek hız µ >> µ e αd e i( φ) = qφ A(1 ) + i (1 + α L ) h p k

56 Dedektörler-Tasarım-2 n P p-n eklemli fotodiyot λ d Kısa tüketim bölgesi, kısa geçiş zamanı, hızlı dedektör. Ancak kısa tüketim bölgesi, soğrulan fotonların alanını küçülttüğünden kuantum verimliliğini azaltır - Tüketim bölgesinin dışında (dif. uzunluğu içinde) oluşan e-d çiftleri (v dif << v drift ) dedektör tepki süresini arttırır Kuantum verimliliğini arttırmak ve dif. kaynaklanan geçikmeleri azaltmak için p-n ara bölgesine katkılanmamış bir katman atarak foton soğurma alanı arttırılabilir p-i-n eklemli fotodiyot n i λ 2008 HSarı 56 d p - Geniş tüketim bölgesi RC değerini azaltır (tepki süresi artar) - p-i-n diyotlar kuantum verimliliği ve tepki süresi için optimize edilebilir

57 Dedektör Parametreleri Arasındaki İlişki Getirisi Götürüsü Geniş Tüketim Bölgesi Aşırı Katkılama Foton soğurması artar - Seri direnci azaltır - Tepki süresini iyileştririr Tepki süresini arttırır Tüketim bölgesini daraltır, azalan hacimden dolayı foton soğurması azalır Tepki süresi Duyarlılık Kazanç Frekans Tepkisi (frekans bantaralığı-bw) G-BW=sabit 2008 HSarı 57

58 Lazerler-Dedektörlere Karşı Lazerler ve dedektörler prensip olarak aynı ilkeye göre çalışır. Lazerlerde en everimli şekilde ışığın oluşturması istenirken dedektörlerde ışığın algılanması en vermli olacak şekilde tasarlanır. Yarıiletken Lazerler Yarıiletken Fotodedektörler Minimum akım i ile maksimum optik güç P op elde edilir Minimum optik güç P op ile maksimum akım i elde edilir 2008 HSarı 58

59 Yarıiletken Dedektör Malzemeler λ g (µm) (In 1-x Ga x )(As 1-y P y ) Bantiçi geçişli dedektörler (Süperörgü Dedektörler) λ ( µ m) = g 1.24 E ( ev ) g InGaP AlGaP AlGaAs InGaAs GaSb GaSbAs Ge Si E g (ev) InSb: 0.18 ev InAs InP GaAs AlAs GaP 2008 HSarı Kızılaltı Görünür Morötesi 59

60 Yarıiletken Dedektör Malzemeler Malzeme Yasak Bant Aralığı (ev) Yasak Bant dalgaboyu λ (µm) Devingenlik (cm 2 /V-s) Dedektör Bölgesi xx InSb 0.18 ev 0.18 ev 10 5 Kızılaltı CdS Görünür Bölge Ge Kızılaltı Si x x GaAs x x Al x Ga 1-x As/GaAs x Kızılaltı In 0.53 Ga 0.47 As/InP x 1.65 Yakın Kızılaltı Hg x Cd 1-x Te/CdTe x Kızılaltı In 1-x Ga x As 1-y P y /InP InAs 2008 HSarı 60

61 Yarıiletken Dedektör Çeşitleri Fotoiletken Dedektörler p-n Fotodiyotlar p-i-n Fotodiyotlar Metal-Yarıiletken Fotodedektörler Çığ Fotodedektörler Dalga kılavuzlu Fotodedektörler Bant İçi Soğurmalı Fotodedektörler 2008 HSarı 61

62 Fotoiletken Dedektörler Uygun bir yarıiletken üzerine düşen foton, iletim bandında bir elektron, değerlik bandında ise bir deşik oluşturur Oluşan elektron-deşik çiftleri taşıyıcı yoğunluğunu, dolayısı ile iletkenliği (σ) arttırır Dış devrede dolaşan akım (veya devreye seri bağlı direnç üzerindeki gerilim) foton akısına bağlı olarak değişir V op (φ) σ(φ) R E i op (φ) λ Φ (foton/s) 2008 HSarı 62

63 Birim hacim başına e-d çifti oluşma oranı (r) n= fazlalık elektron yoğunluğu τ = Fazlalık taşıyıcıların birleşme ömrü (1/s) n/τ = fazlalık elektronların azalma oranı σ = q( nµ + pµ ) Fotoiletken Dedektörler v h << v e Akım e h Kazanç d τ e fototaşıyıcı ömrü 2008 HSarı 63 G τ τ e r φ = η Ad Denge durumunda e-d oluşma ve birleşme oranları eşit olacaktır, elektron yoğunluğu Φ (foton/s) hv R e e i op (φ) E v e v h yarıiletken A d d τ e = v e v = µ E d τ h = v elektron geçiş zamanı: τ e v h = µ E h h elektron geçiş zamanı iletkenlikteki artış σ = e n( µ + µ ) ητ σ = e ( µ e + µ h) φ Ad i ητφ n = Ad d (Kazanç η=1) id = AJ = A( σ E) e ητ id = ( vh + ve ) φ Ad i = eη τ φ e = eη Gφ h

64 Fotoiletken Dedektörler id = eη Gφ Kazanç G = τ τ e yarıiletken yalıtkan Kazanç ( τ < τ e) G 1 ( τ > τ ) G 1 e v e =10 7 cm/s τ e =10-8 s τ=10-13 s Fotoiletken dedektör yapısı Tipik Kazanç G= < 10 6 Spektral Duyarlılık Duyarlılık λ ( µ m) λ ( µ m) = g 1.24 E ( ev ) g E g ν 2008 HSarı 64

65 p-n FotoDedektörler p-n ekleminin I-V grafiğinin III. bölgesinde akım (düşük gerilim değerlerinde) gerilimden bağımsız, fakat akım, ışık şiddeti ile orantılıdır V op (φ) i φ = i e i φ qv / kt ( ) k ( 1) op ( ) I n R E p i op (φ) g op =0 g 1 g 2 g 3 -V V g 3 >g 2 >g 1 λ φ Tüketim bölgesinde elektron-deşik çiftinin oluşturulması esasına dayalı ışık algılayıcılarına Tüketim Bölgesi Işık Algılayıcıları (Depletion Layer Photodiode) Yapı ters beslenerek çalıştırılır: - Yüksek ters gerilim, tüketim bölgesinde güçlü elektrik alan oluşturduğundan taşıyıcı sürüklenme hızı artar (dolayısı ile tepki süresi iyileştirilir). Ayrıca tüketim bölgesinin genişliği artacağından kapasitif etkiler de azalır (dolayısı ile tepki süresi iyileştirilmiş olur) -Ters gerilimle tüketim bölgesi genişlediğinden daha geniş bir alanda fotonlar soğrulur 2008 HSarı Kazanç 1 65

66 p-n FotoDedektörler hv difüzyon bölgesi sürüklenme bölgesi hv difüzyon bölgesi hv n E p τ drift << τ dif L p τ h dif=l p /v h d τ drift =d/v L n τ e dif=l n /v e Tepki süresi: -Tüketim bölgesindeki güçlü yapısal elektrik alandan dolayı bu bölgedeki taşıyıcıların hareketi hızlı olduğundan fotoiletkenlere göre tepki süresi daha iyidir -Tüketim bölgesinin dışında oluşturulan e-d çiftlerinin difüzyon yolu ile hareketi uzun zaman alacağından bu tepki süresini olumsuz etkiler - p-n yapı yerine p-i-n yapıdaki diyotlar kullanılarak tepki süresi daha da iyileştirilebilir 2008 HSarı 66

67 p-i-n Fotodedektörler p-n yapı arasına katkılanmamış bir katman konarak tüketim bölgesinin genişliği kontrollü olarak genişletilir. V op (φ) R λ φ i op (φ) i-bölgesi (saf bölge, intrinsic): katkılanmamış bölge (veya çok az katkılı) n i p E Uygulanan ters gerilim tümüyle i-bölgesinde görülür Fazlalık taşıyıcılarının yarı ömrü yeterince uzun ise oluşan elektron-deşik çifti n- ve p-bölgelerine ulaşarak toplanır p-i-n yapının üstünlükleri: -Tüketim bölgesi çok geniş olduğundan daha fazla foton toplanır -Tüketim bölgesinin kalınlığı kontrol edilebilir -Geniş tüketim bölgesi, küçük C, küçük RC sabiti, yüksek tepki süresi - pikosaniye (ps) tepki süresi 2008 HSarı Kazanç 1 67

68 Schottky Engelli FotoDedektörler Malzeme metal Yarıiletken (n-tipi) Bant Yapısı Φ w Φ S w χ boşluk E C E F E F E V n- veya p-tipi yarıiletken üzerine metal Metal-Yarıiletken (Schottky)Yapı metal yarıiletken Φ w -χ E C E F E V 2008 HSarı 68

69 Schottky Engelli FotoDedektörler Çok ince (optik geçirgen) metal-n-tipi (veya p-tipi) yarıiletken tüketim bölgesi Φ w -χ Üstünlükleri metal yarıiletken E C E F E V Her yarıiletken p veya n-tipi katkılanamadığı için bazı yarıiletkenlerden p-n eklemli dedektör yapmak zordur Tüketim bölgesi hemen yüzeyde başladığı için yüzey birleşmeleri minimumdur (yüksek η) (Bu sebepten yüksek enerjili (UV) fotonların algılanmasında üstünlükleri vardır) Metalden dolayı direnç küçük olduğundan RC zaman sabiti küçük dolayısı ile yüksek tepki süresi ( 100 GHz) Enerji hv Φ w -χ 2008 HSarı 69

70 Dalga Klavuzu Fotodedektörler Normal dedektörde ışık p-n eklemine dik doğrultuda gelir. L R E λ p + n d λ p n d R i op αd e i( φ) = qφ A(1 ) + i (1 + α L ) αd e η = 1 (1 + α L ) p p k i( φ) = qφ A(1 e α L ) Dalgaklavuzu şeklinde yapılan dedektörlerde ışık ekleme paralel gelir αl >>1 yapılabilir η=1 - d ve L birbirinden bağımsız olarak ayarlanabilir Kazanç HSarı 70

71 Çığ Fotodedektörler (Avalance Photodedectors) Düşük seviyedeki ışık sinyallerini algılamak için çığ ışık algılayıcıları (avalanche photodedector) kullanılır Tüketim bölgesi algılayıcılarında kazanç en fazla 1 olurken çığ algılayıcılarda bu sayı çok büyük olabilir g op = 0 g op 0 I -V i k +V Çığ fotodedektör yapısı i k çığ i op V i op çığ n i p i k = Karanlık akım -I i op = Işık olduğu durumdaki akım Ödev-3: Ne zaman Zener ne 2008 zaman HSarı çığ 71 etkisi?

72 Çığ Işıkalgılayıcılar (Avalance Photodedectors) V R n i p e d Ε n E d p impact ionization α h : birim uzunluk başına deşik iyonizasyon olasılığı α e : birim uzunluk başına elektron iyonizasyon olasılığı 1/α e : çarpışmalar arası ortalama uzaklık Çığ fotodedektörler αh κ = α e İle karakterize edilirler κ = 0 Çığ etkisi elektronlarla n i p x κ = Çığ etkisi deşiklerle 2008 HSarı 72

73 Çığ Işıkdedektörleri Çığ etkisinin hem elektronlarla hem de deşiklerle bir arada oluşturulmasıistenmez: - Zaman kaybına - Gürültü artışına - Çığ kırılmasına neden olur Bu etkileri azaltmak için dedektör tasarımı sadece bir taşıyıcıya göre yapılır [κ=0 (elektronlarla) veya κ= (deşiklerle)] Ayrıca fotonların soğrulduğu ve ivmelendirildikleri bölgeler de farklı tutulur. Heteroyapılarla oluştırılmuş çığ ışık dedektörü V R E g E C E V V=0 E C =E g n + p i p + p + Çığ bölgesi Soğurma bölgesi 2008 HSarı V 0 73 n +

74 Çığ Işıkdedektörleri Kazanç i o (d) i o (0) d di( x) = α i( x) dx e i( x) = i e α x e o Tek bir taşıyıcı (örneğin elektron) kazanç (G) G e α e = d Her iki taşıyıcı olduğu durumda kazanç (G) 1 κ κ = 1 G = e (1 κ ) αe d k αh κ = α e 1 κ = 1 G = α d 1 e 2008 HSarı 74

75 Heteroyapılı Fotodedektörler 2008 HSarı 75

76 Heteroyapılı p-n Fotodedektörler Epitaksiyel büyütme ile yüzey durumları azaltılır λ=1.55 mµ Soğurma yok (pencere) Soğrulma bölgesi n + -InP n-inp n - -In 0.53 Ga 0.47 As p + -InP E g =1.35 ev E g =0.75 ev 2008 HSarı 76

77 Heteroyapılı Çığ Fotodedektörler In 0.53 Ga 0.47 As, InP alttaş üzerine sorunsuz olarak büyütülebilir λ=1.55 mµ Soğurma yok (pencere) Çığ bölgesi Soğrulma bölgesi p + -InP n-inp n - -In 0.53 Ga 0.47 As E g =1.35 ev E g =0.75 ev 2008 HSarı 77

78 Bant İçi Soğurmalı (Süper Örgülü) FotoDedektörler Normal dedektörlerde e-d oluşumu iletim ve değerlik bandı arasında olur Yarıiletken süperörgüler (GaAs/GaAlAs) kullanılarak kızılaltı bölgede çok hızlı dedektörler yapılabilir Uygun şekilde oluşturulan kuantum çukurlarında uyarmalar iletim bandında kuantalı enerji seviyeleri arasında da olabilir E C ν = C C ( E2 E1 ) h E 2 E 1 fotoakım Üstünlükleri - Uzun dalga boylarını algılama - Yüksek tepki süresi değerlik bandı anlaşılırlık için gösterilmemiştir! 140 Å 70 Å λ=10.3 µm 70 Å GaAs n:10 18 cm Å Al 0.36 Ga 0.64 As R=2 9V besleme GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs Olumsuzlukları -Karanlık akım büyük (tünelleme ile geçen E 1 ->E 2 elektronlar) 2008 HSarı çift

79 Katmanlı FotoDiyotlar Farklı bant aralığına sahip yarıiletkenler uygun şekilde biraraya getirilerek spektral tepkisi arttırılabilir GaAs n p GaAlAs GaAs InAs E C E C E V Tek katmanlı p-n dedektör E V Çok katmanlı p-n dedektör duyarlılık BW homo BW hetero Üstünlükleri -Geniş frekans bantaralığı (BW) -Yüksek verimlilik Olumsuzlukları - Üretimi pahalı AlGaAs/GaAs/InAs GaAs 2008 HSarı λ 79

80 Güneş Pilleri 2008 HSarı 80

81 Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamaları Işık altında p-n eklemi üzerinde oluşan gerilim ve akım ters yönlü olur, yani eklem emk (elektromotor kuvvet) gibi, başka bir ifade ile pil gibi davranır. g op =0 g op 0 I V>0, I >0 -V V<0, I <0 +V IV. Bölge (V>0, I <0 ): Güneş Pilleri -I V>0, I <0 - + n p A 2008 HSarı 81

82 Güneş Pilleri Uygun bir p-n eklemi I-V eğrisinin V. bölgesinde çalıştırılırsa eklem üzerine gelen ışığın oluşturacağı elektron-deşik çifti toplanarak dış devreye elektriksel güç sağlayabilir. Buna fotovoltaik etki denir I op >0 I I g - V g + n E p i op =0 I g V g V Fotovoltik (PV) etki i op >0 Elektron-deşik çiftinin yaratılması ile p-n ekleminin uçları arasında oluşacak olan gerilim kullanılan yarıiletken malzemenin bant aralığından daha düşük olur (Örneğin Si de bu gerilim < 1 V) Akım ise aydınlatılan yüzeye bağlıdır. 1 cm 3 lik alan için ma arasında değişir Gerilim düşük olduğundan yüksek güç elde etmek için büyük yüzey alanları kullanmak gerekmektedir Güneş spektrumundaki bütün dalgaboylarının eklem tarafından soğrulması arzulanır Silikon, ucuz oluşundan dolayı güneş pillerinde yaygınca kullanılmaktadır 2008 HSarı 82

83 Güneş Pilleri-2 Güneş pillerinin verimliliği: (oluşturulan e-h sayısı) / (gelen foton sayısı) I op =0 I I op >0 V m V oc V I sc - + n p I m I sc V oc = Açık devre gerilimi I sc = Kısa devre akımı V oc - + n p p-n ekleminin yüzey alanına eklemlerin direncine bağlı Yarıiletken malzemenin bant aralığına ve katkılanmaya bağlı V m - V m = Eklem üzerinde oluşan maksimum gerilimi n I m = Devrede dolaşan maksimum akım p I m + ImVm 2008 HSarı Dolum Faktörü (Fill Factor) FF = 83 I V sc oc

84 Güneş Pilleri-Tasarım Güneş Pili Tasarımı a) Gelen güneş ışığının en etkin şekilde elektrik enerjisine (elektron-deşik çiftine) çevirebilme özelliği (hv E g ) b) Optik güçten maksimum derecede faydalanmak için güneş pilinin geniş yüzeye sahip eklem alanı olmalıdır a) hv > E g c) Oluşacak elektron-deşik çiftlerinin eklem bölgesine ulaşması maksimum olacak şekilde ayarlanmalıdır (d <L p ) E g n p b) A c) n p E d < L p 2008 HSarı 84

85 Güneş Pilleri-Tasarım Güneş Pili Tasarımı (Devam) d) Yüzey yansımasını azaltacak ve taşıyıcıların yüzeyde birleşmesini azaltacak yansıtma önleyici kaplama ile kaplanmalıdır e) Oluşan elektron-deşik çiftlerini tekrardan birleşmeden toplayacak uçların (elektrotların) uygun yerleştirilmesi f) p-n bölgelerinde güç kaybının en aza olabilmesi için çok küçük dirence sahip olmalıdır Yansıtma önleyici kaplama n d) e, f) E hv > E g p p Üstten görünüş 2008 HSarı 85 n hv > E g Metal kontak d

86 Güneş Pilleri-Malzemeler Güneş pillerinde bant yapısı doğrudan ve dolaylı bant yapısına sahip malzemeler kullanılabilir Kristal yapıya sahip malzemelerde verim yüksektir ancak maliyet artar Güneş pillerinin yapımında kullanılan en yaygın malzeme Silisyumdur (Si) Güneş pillerinde kullanılan silikon, sıcaklıkla verimliliği düştüğü için bunun yerine yüksek sıcaklıklarda verimliliği daha iyi olan bileşik yarıiletkenler kullanılmaktadır Örneğin GaAs-GaAlAs heteroyapılı güneş pilleri yüksek verimliliğe ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilme özelliğine sahiptir Ancak GaAs-GaAlAs heteroyapıların üretimi pahalıdır 2008 HSarı 86

87 Güneş Pilleri-Malzemeler Güneş pillerinde bant yapısı doğrudan ve dolaylı bant yapısına sahip malzemeler kullanılabilir Kristal yapıya sahip malzemelerde verim yüksektir ancak maliyet artar Güneş pillerinin yapımında kullanılan en yaygın malzeme Silisyumdur (Si) Malzeme Teorik verim (%) Pratik verim (%) Bant aralığı (ev) Silisyum (kristal) Silisyum (poli-kristal) Silisyum (amorf) GaAs CdTe CuInSe 2 -(CIS) (Bakır indiyumdiselenide) Cu 2 O (Bakır-2 oksit) HSarı 87

88 Işık İleticiler: Optik Fiberler Yarıiletken Dalga Kılavuzları 2008 HSarı 88

89 Optik Dalga Kılavuzları-Sunuş Dalga kılavuzlarının fonksiyonu ışığı özelliğini bozmadan ve en az kayıpla bir noktadan başka bir noktaya iletmektir Bu asıl fonksiyonlarının yanı sıra optik modülatör veya optik anahtar olarak da kullanılabilir İletimi amacı ile kullanıldığında ya aynı yonga (çip) üzerindeki ya da birbirlerinden kilometrelerce uzaklıkta bulunan optoelektronik devre elemanları arasında ışığın iletimini sağlar İletken tellerdeki elektrik akımının tersine dalga kılavuzlarında ışık farklı kiplerde (mod) ilerler Yarıiletken dalga kılavuzları daha çok elektronik yongalar üzerindeki ( < cm) iletişimi sağlamada ve elektro-optik modülatörlerde kullanılır Uzun mesafeler arasında (km) ışığı taşımada kullanılan en yaygın dalga kılavuzları optik fiberlerdir n 2 n 2 n 1 n 2 n 2 n 1 > n 2 n 1 n 1 > n 2 n 1 n 1 > n HSarı Yarıiletken Dalga Klavuzları Fiber Optik Dalga Klavuzları 89

90 Optik Dalga Kılavuzları Dalga kılavuzları, kırılma indisi büyük olan bir katmanın kırılma indisi daha küçük bir katman ile kaplanarak oluşturulur n 1 n n 2 > n 1 Tam iç yansıma 3 θ 2 c 3 θ > θ c 1 1 n 1 θ > θ c 3 θ n 2 n 1 θ < θ c 2008 HSarı 1 90

91 Optik Dalga Kılavuzları-Modlar Mod: Kutuplanma doğrultusu ve enlemesine alanı (E, H) dalga kılavuzu ekseni boyunca (z) değişmeyen ışığın uzaysal dağılımı x z x B y n 2 > n 1 n 1 A d k θ z E oy θ y-doğrultusunda kutuplu TEM dalga θ k z n 2 n 1 θ faz faz 2π = 2πq AC AB 2π 2π AC AB 2π = 2πq λ λ 2 π ( AC AB) = 2 π ( q + 1) = 2 π m λ m=(q+1)=1,2, HSarı 91 k C q=0, 1, 2, 3...

92 d θ A B B θ AC AB = 2d sin θ Optik Dalga Kılavuzları-Modlar C 2 π ( AC AB) = 2 π ( q + 1) = 2 π m λ 2π 2d sin θ = m2 π λ λ sin θ m = m 2 d m=(q+1)=1,2,3... Her m, farklı bir geliş açısına (θ m ) karşı gelmektedir. m in karşı geldiği alanın uzaysal dağılımına m. mod denir β = k = k cos θ z d k +x θ k +θ k z =β β=yayılma sabiti km π = m d k x β = k 2 2 m m π 2 d 2008 HSarı 92 k θ 2 2

93 2008 HSarı 93 Dalga Kılavuzları-Modlar-Genel Durum ), ( ) ( ), ( t t r E c r n t r E = t i e r E t r E ω ) ( ), ( = 0 ) ( ) ( ) ( = + r E r n k r E z-eksenini boyunca ilerleyen Uzaysal dağılım z i e y x E r E β = ), ( ) ( β= yayılma sabiti [ ] 0 ), ( ) ( ), ( ), ( = + + y x E r n k y y x E x y x E β k=ω/c n 1 n 2 n 1 z x y t i e r E t r E ω ) ( ), ( = d Düzlem dalga çözümleri Zaman ve uzaysal bileşenler ayrılırsa

94 d << y Yarıiletken Dalga Kılavuzları-2 2 E( x, y) β x 2 E( x, y) k n2 β E( x, y) = 2 x 2 E( x, y) k n3 β E( x, y) = 2 x bölge + [ k n ] E( x, y) = 0 2. bölge [ ] 0 3. bölge [ ] 0 Işığı kılavuzlanması için β > kn 1 β < kn 2 β > kn 3 (k 2 n 2 -β 2 ) ifadesinin işaretine bağlı olarak çözümler periyodik veya üsteldir Işığı oluşturan elektro manyetik dalganın uzaysal dağılımı kn 1 kn 3 kn 2 β n 1 x y z n 2 n HSarı 94 TE 1 x TEM 1,0 y TE o x TEM 0,0 y

95 Optik Dalga Kılavuzları-Modlar x β 1 β 2 β3 km = m d π n 2 n 1 n 2 TEM 1,1 x TEM 0,0 y x TEM 1,0 y y β = k 2 2 m m π 2 d HSarı 95

96 Optik Fiberler Uzun mesafeler arasında ışığı taşımada kullanılan en yaygın dalga klavuzları optik fiberlerdir Optik fiberler ışığı taşıyan yüksek kırılma indisli iç katmanın (core) düşük kırılma indisli malzeme (cladding) ile silindirik geometride yapılırlar Optik fiberler genellikle silisyumdan yapılır SiO 2 n 1 n 2 İç katman (core) koruyucu dış katman (cladding) Dış katman (cladding) n 1 > n 2 n 1 >n 2 SiO 2 :Ge n 1 n 2 İç katman (core) SiO 2 Dış katman Dış katman (cladding): silisyum SiO 2 (cladding) İç bölge (core): germanyum katkılanmış silisyum (SiO 2 :Ge) Işığın şiddetindeki azalma (soğrulması) bütün dalgaboyları için aynı değildir Bu sebepten dalga klavuzunun hangi dalgaboyu için kullanılacağı önemlidir 2008 HSarı 96

97 Optik Fiberler-Kayıplar P o P( x) = P o e αx P db= - 10log(P/P o ) 10 log( P / P = o ) α = x db x Kayıp (attanuation) katsayısı 10 α (dbkm -1 ) Kızılötesi soğurma 0,1 Rayleigh saçılması λ (µm) 0,01 0,8 1,0 1,2 1,4 1, HSarı 1,3 1,55 97

98 Yarıiletken Dalga Kılavuzları-1 Büyük kırılma indisli yarıiletken bir malzeme (n 2 ) kırılma indisi daha küçük yarıiletken malzemeler tarafından sandiviçlenirse kırılma indisi büyük olan katman ışığı uzun mesafeler boyunca dağıtmadan iletebilir Böyle bir yapı epitaksiyel büyütme yöntemleri ile kolaylıkla büyütülebilir Yarıiletken malzemeler kullanılarak yapılan bu dalga kılavuzlarına yarıiletken optik dalga kılavuzları denir Kılavuz olarak kullanılan katmanın bant aralığının iletilecek ışığın enerjisinden daha büyük olması gerekir x y z n 1 d E( r, t) = E( r) e iωt n 2 n 3 n 1 =n 3 simetrik dalga kılavuzu n 1 n 3 simetrik olmayan dalga kılavuzu n ( r) E( r, t) E( r, t) = HSarı c t 98

99 Yarıiletken Dalga Kılavuzları-3 β nın farklı değerleri farklı yayılma modlarına karşı gelmektedir. Dalga kılavuzunda ilerleyecek modların sayısı dalga kılavuzunun kalınlığına (d), dalganın frekansına ve n 1, n 2 ve n 3 değerlerine bağlıdır Bir dalga kılavuzu için verilen üsteki değerler için belli bir frekansın altındaki dalgaları iletmediği bir kesim frekans (cutoff frequency) değeri vardır Dalga kılavuzunda kalınlık (d), dalganın frekansına(ω), n 1, n 2 ve n 3 değerlerini belli bir uygulama için sabitlendiği için bu dalga kılavuzunun iletebildiği modlar bu sabitlere bağlıdır x TEM 1,1 x TEM 0,0 y x y z E( r, t) = E( r) e iωt d n = n 2 n 3 n 1 n 2 n (2m + 1) λo 2 32n d 2 m=2 m=1 m=0 x TEM 1,0 y y x TEM 0,0 y Burada m=0, 1, 2, mod sayısı, λ o ise yayılan ışığın boşluktaki dalgaboyu Örneğin 2008 HSarı GaAs da n 2 =3,6 ve kalınlığı dalgaboyu mertebesinde olduğu durumda 10-2 lik indis 99 farkı TE o modunun yayılmasına yetecektir

100 Optoelektronik Modülatörler Modülasyon-Genel Kavramlar Elektro-Optik Modülatörler Optoelektronik Modülatörler Yarıkararlı Optoelektronik Devre Elemanları 2008 HSarı 100

101 Işığın Modülasyonu 2008 HSarı 101

102 Optoelektronik Modülatörler Temel Modülatör Kavramları LED ışık modülatörler Elektro-optik modülatörler Akusto-Optik modülatörler Raman-Nath Tipi Modülatörler Bragg Tipi Modülatörler Mağneto-Optik Modülatörler 2008 HSarı 102

103 Temel modülasyon kavramları Işık Modülatörleri Modülasyon Derinliği η = Bant Aralığı I o I I o I o =Modülasyon gerilimi uygulanmadan önceki geçirgenlik I=Modülasyon gerilimi uygulandığı durumda geçirgenlik Modülasyon yapılacak sinyalin frekans aralığı Kayıplar L i It = 10log( ) I o Güç Tüketimi Yalıtım 2008 HSarı 103

104 Işık Modülatörleri Işık Modülasyon Türü Faz Modülasyonu Kutuplanma Modülasyonu Şiddet Modülasyonu 2008 HSarı 104

105 Optoelektronik Modülatörler-LED Uygun bir p-n eklemi I-V eğrisinin I. bölgesinde çalıştırılırsa eklemin tüketim bölgesinde elektron ve deşikler belli bir eşik gerilimin üstünde eklem bölgesinde birleşerek dalgaboyu bant aralığına eşit ışık yayabilir I V>0, I >0 I ışık - n p + A -V +V V E C hν=e C -E V -I E V 2008 HSarı 105

106 Optoelektronik Modülatörler (a) Ayrık p ve n tipi yarıiletkenler ve enerji seviyeleri (b) Sıfır gerilim altında p-n eklemi n p n p E c E F E C E f E v E V E F (c) İleri besleme durumu V n p hv = E g E c E v 2008 HSarı 106

107 Diyot (LED) Modülatörler Diyotlar I-V eğrisinin doğrusal olduğu aralıkta ışık modülatörü olarak kullanılabilir Bu aralıkta gerilimin (V) değişimi ile LED ışık şiddeti doğrusal olarak değişebilir I R Bilgi Sinyali V(t) n p I(V) V I op (t) Modüle edilmiş ışık V(t) Bilgi Sinyali 2008 HSarı 107

108 Optoelektronik Modülatörler-LED Modülasyon Türü Genlik Modülasyonu (Işığın frekansı ve kutupluluğu değiştirilmiyor) I opt I - n p + A -V I o V 1 V 2 +V V Modülasyon derinliği -I η LED = I o I I o Bant Aralığı Bilgi sinyalinin değişim sıklığı 2008 HSarı 108

109 Işık Modülatörleri Işık modülatörlerini modülasyon şekline göre, örneğin modülasyon için kullanılan maddelerin kullanılan özelliklerine göre elektro-optik, manyeto-optik, akusto-optik modülatörler olarak sınıflandurabilir Elektro-optik etki Gerilim uygulayarak malzemenin optik parametrelerini değiştireme Akusto-optik etki Ses dalgaları ile malzemenin kırılma indisini değiştirme Bragg Tipi akusto-optik modülatörler Raman Nath tipi modülatörler Manyeto-optik etki Manyetik alan uygulayarak malzemenin optik özelliklerini değiştirme Faraday Dönmesi 2008 HSarı 109

110 Elektro-Optik Etki Elektro-Optik etki: Pockel ve Kerr Etkisi Uygulanan dış elektrik alanın bir fonksiyonu olarak kırılma indisindeki değişme 1 ( ) = re + PE 2 n 2 V Pockel Etkisi Kerr Etkisi Burada r doğrusal elektro-optik sabit (Pockel Sabiti) P karesel elektro-optik sabittir (Kerr Sabiti) Katılarda re ile ilgili kırılma indisindeki (doğrusal) değişim Pockel Etkisi PE 2 ile ilgili değişime (karesel terimden) ise Kerr Etkisi olarak isimlendirilir 2008 HSarı 110

111 Elektro-Optik Etki-Pockel Etkisi 1 ( ) = 2 n = r E n n Eğer KDP ye elektrik alan z-ekseni boyunca uygulanırsa x- ve y- eksenleri 45 o lik dönme ile yeni x ve y eksenleri halini alır ve kırılma indisleri bu yeni yönler için n n ' n r E x 2 3 = o + o 63 z ' y 3 no n = no r63 E 2 z d Doğrusal Kutuplanmış ışık E y φ x' z Gelen ışık Geçen ışık V 0, E HSarı V 111

112 Pockels Elektro-Optik Modülatör-1 Katılardaki elektro-optik etkiyi kullanarak geliştirilen ışık modülatörlerdir (Pockels electrooptik modülatörü ) Pockel etki ile çift kırınım haline getirilen malzemeler kullanılır Uygun kalınlıktaki çiftkırıcı modülatör, birbirine 90 o konumlandırılmış iki doğrusal kutuplayıcı arasına yerleştirilir Bu konfigurasyona sahip modülatörlerde şiddet modülasyonu yapılabilmektedir (modülatörü geçen ışık (I) şiddetinin modülatöre gelen ışık şidetine (I o ) oranı bilgi sinyaline bağlı olarak değişmektedir) d Gelen ışık Doğrusal Kutuplanmış ışık E y φ Dairesel Kutuplanmış ışık Geçen ışık x Dedektör 2008 HSarı 112 V

113 Pockels Elektro-Optik Modülatör-2 E d x z Gelen ışık Doğrusal Kutuplanmış ışık E y φ x Dairesel Kutuplanmış ışık Geçen ışık y I o I Dedektör V ϕ = k( n) d n = 3 rn o E 2 Dedektöre ulaşan ışık şiddeti I = T E E 2π 2π rn I = I = I n d = I E d λ λ o sin ( ϕ) o sin (. ) o sin ( ( o ). ) 3 2 2π rno V 2 π 3 I = Io sin ( ) d = Io sin rnov λ 2 d λ 2008 HSarı 113 y * y

114 Pockels Elektro-Optik Modülatör-3 E Doğrusal Kutuplanmış ışık E y φ x => Dairesel Kutuplanmış ışık Geçen ışık Gelen ışık Dedektör 0 V I I o = 2 π 3 sin ( rnov ) I π V λ = sin 2 ( I 2 V ) V π λ 3 2rn o o π yarım dalga gerilimi V π, Geçen ışığın şiddetinin gelen ışığın şiddetine eşit olduğu (I=I o ) olduğu maksimum geçirme için gerekli gerilimdir. V π, π lik bir faz farkına eşdeğerdir. Bu gerilime aynı zamanda yarım dalga gerilimi de denir HSarı 114

115 Pockels Elektro-Optik Modülatör-4 Tipik bir elektro-optik modülatörde çalışma gerilimi doğrusal bölgede olmalıdır Geçirme (%) 100 Modülasyon derinliği V V π /2 V π 3V π /2 I I o π V = sin 2 ( 2 V Örnek: Yarım Dalga Gerilimi: 1,06 µ m dalga boyunda KDP için yarım dalga gerilimini π ) λ 1,06 x10 6 Vπ = = = 14,5kV rno 2.(10,6).(10 ).(1,51) 2008 HSarı 115

116 Pockels Elektro-Optik Modülatör-4 Geçirme (%) 100 V I I o 2 π V ( t) = sin ( ) 2 V π V π Modüle edilen gerilim V(t) 2008 HSarı 116

117 Akusto-Optik Modülatörler-1 Bir ortamın kırılma indisi akustik (ses) dalgası ile değiştirilerek yapılan etkiye akusto-optik etki denir Kırılma indisi n olan bir ortamdan geçen ses dalgası ortamda mekanik zorlama (gerilme) oluşturur Bu gerilme sonucu ortamın kırılma indisini de n kadar değişir. Bu değişmeyi ses dalgasının şiddeti ve diğer nicelikler cinsinden veren formül l n = n 6 p ρv 2 a 7 A P a n n Burada n, gerilmenin olmadığı durumdaki kırılma indisi, p uygun fotoelastik tensör elemanı, P a watt olarak toplam akustik güç, ρ kütle yoğunluğu, v a ise ses hızı, A dalganın geçtiği bölge için tesir kesit alanı Piezo-elektrik transducer A=l.a 2008 HSarı 117 l a

118 Akusto-Optik Modülatör-2 Elektrooptikte maddenin kırılma indisini ses dalgaları ile değiştirerek yapılan iki tür akusto-optik modülatör vardır. Bunlar Raman-Nath tipi modülatörlerdir (ışık yüzeye paralel) Bragg Tipi akusto-optik modülatörler (ışık yüzeye özel açıda geliyorsa) Böyle bir ortamın kırılma indisi akustik dalganın dalga boyu olan Λ ya eşit ve peryodik olarak değişir 2008 HSarı 118

119 Raman-Nath Türü Akusto-Optik Modülatörler-1 Bu tür modülatörlerde ışık, ses dalga vektörüne dik konumda gönderilir. Ses dalgasından dolayı kırılma indisi Λ peryodu ile değiştirilmiş olan l uzunluğundaki maddeden geçen ışık kırınıma uğrayarak değişik açılarda gelen ışık doğrultusundan sapar. Ortamdan etkilenerek geçen ışığın şiddeti I, akustik dalganın oluşturduğu indis farkı ile orantılıdır Bu, akustik modüle edici dalganın genliği ilişkilidir. Sıfırıncı mertebeden yok edilen ışığın oranı Burada I o akustik dalganın yokluğundaki geçen ışık şiddetini. Böylece akustik dalganın genlik değişimleri optik demetin ışıma şiddeti değişimlerine dönüşür l Λ x z 1. derece 0. derece y Gelen ışık dalgası Piezo-elektrik transducer -1. derece 2008 HSarı 119

120 Raman-Nath Türü Akusto-Optik Modülatörler-2 l x z Λ 1. derece 0. derece y -1. derece Gelen ışık dalgası Piezoelektrik transducer n2πl 2πx ϕ = sin( ) λ Λ o Burada n, ses dalgalarından dolayı kırılma indisindeki değişim, l etkileşme uzunluğu, Λ, ses dalgasının dalgaboyu, x ise ışığın geliş ekseninden olan uzaklıktır. ϕ = M 10 2 P l π x sin( ) 2a Λ 2 7 π 2 a λ M n p ρva Ses dalgaları ile indisi n kadar değiştirilmiş bölgeden geçen ışıgın geliş ekseninden x kadar uzak noktalarda ışık dalgasının maruz kalacağı faz kayması 2008 HSarı 120

121 Raman-Nath Türü Akusto-Optik Modülatörler-3 Birden çok kırınımın olmasını önlemek için etkileşme uzunluğunun (l) küçük olması gerekir l << 2 Λ λ Burada Λ, ses dalgasının dalgaboyu, λ ise ışığın madde içindeki dalgaboyu Kırınım şartı mλ o = Λ sin( θ m ) m = 0, ± 1, ± 2,.. ϕ = M 10 2 P l π x sin( ) 2a Λ 2 7 π 2 a λ Işık şiddetinin oranı I I o ' 2 J m( ϕ ), m > 0 = 2 ' 2 Jo ( ϕ ), m = 0 Burada ' π / n M 2 Pa l ϕ = λ 2a o Modülasyon derinliği η [ I I( m = 0) ] 2 o ' RN = = 1 Jo ( ϕ ) I o 2008 HSarı 121

122 Bragg Türü Akusto-Optik Modülatörler-1 Bragg türü akusto-optik modülatörlerde ışık modülatöre dik değil de belli bir açı ile gelir Ses dalgaları ile kırılma indisi modüle olmuş olan ortam peryodu ses dalgalarının peryodu λ olan peryodik düzlemler olarak algılanabilir Bu ortama giren ışık aynen kristale giren x-ışınları gibi Bragg koşulunu sağlayan durumda yapıcı girişim ile 1. dereceden yansımayı oluşturur Diğer durumlarda ışık yansımadan geliş doğrultusunda kristalden çıkar l λ θ Β Gelen ışık Λ 0. derece Λ 1. derece Bragg Koşulu sinθ Β =λ/2λ Piezo-elektrik transducer Bragg Türü modülatörde, ışığın madde ile ses dalgaları ile etkileşip kırınıma uğraması için etkileşme uzunluğunun büyük olması gerekir 2008 HSarı l >>Λ 2 /λ 122

123 Bragg Türü Akusto-Optik Modülatörler-2 l λ θ Β Gelen ışık dalgası Λ 0. derece 2θ B Λ Bragg Koşulu sinθ Β =λ/2λ Piezo-elektrik transducer 1. derece Geliş açısı Bragg açısına eşit olmalıdır λ = 2Λ sin( θ B ) Bragg tipi akusto-optik modülatörde kırınıma uğrayan ışığın (I) kırınıma uğramadan geçen ışığın (I o ) şiddetine oranı I o I o I = ϕ sin 2 ( ) 2 şeklindedir 7 ( Io I) 2 π 10 M 2P a η = = sin ( ) Io λo 2a Modülasyon derinliği B 2008 HSarı 123

124 Magneto-Optik Etki Katılarda Faraday Dönmesi Bir izotropik dielektrik madde manyetik alana yerleştirildiğinde doğrusal olarak kutuplanmış ışık alan doğrultusunda gönderildiğinde ışığın kutuplanma doğrultusunun değiştiği gözlenir. Burada manyetik alan dielektrik malzemeyi optik olarak aktif duruma getirmiştir. Kutuplanma doğrultusunun dönme açısı manyetik alan (H) ve ortamın uzunluğu ile orantılıdır. θ=vhl Burada V orantı sabitidir. Bu sabite Verdet sabiti denir Bazı maddeler Verdet sabitleri Madde Elmas NaCl Cam V(q(dakika)Oe -1 cm -1 ) 0,012 0,036 0,015-0, HSarı 124

125 Manyeto-Optik Modülatörler-1 Bu tür ışık modülatörleri Faraday manyeto-optik ilkeye göre çalışmaktadırlar Manyeto-optik etkide anlatıldığı üzere manyetik alanın etkisi ile ışığın doğrultusu değiştirilebilir θ=vhl Burada θ: ışığın kutuplanma doğrultusundaki dönme miktarı V:Verdet (manyeto-optik) sabiti, H: manyetik alan, l: ise ışığın ortamda katettiği yoldur y x z x- yönünde doğrusal kutuplanmış ışık E Kutuplanmış ışık H θ φ Geçen ışık Dedektör Gelen ışık Manyeto-optik madde I Manyetik Alan (H) 2008 HSarı 125

126 Manyeto-Optik Modülatörler-2 y x z x- yönünde doğrusal kutuplanmış ışık E Kutuplanmış ışık H θ φ Geçen ışık Dedektör Gelen ışık Manyeto-optik madde I Manyetik Alan (H) I 2θ = VHl Dedektörde algılanan ışık şiddeti θ açısı ile orantılı olacaktır Görüldüğü gibi dedektöre gelen ışığın genliği H alanı ile doğru orantılı olduğu için H alanını dışardan uygulanan akım veya gerilim ile değiştirerek ışığın genligini modüle edebiliriz 2008 HSarı 126

127 Genlik Modülatörü: Dalga Klavuzlu Elektro-Optik Modülatörler Faz modülasyonu genlik modülasyonu ile karşılaştırıldığında algılanması zor olduğundan pratik uygulamaların bir çoğunda dalga kılavuzlu modülatörler genellikle genlik modülatörü şeklinde yapılır Bunun için dalga kılavuzu elektrik alan yok iken sadece en düşük modlu ışık dalgasını iletmesi için tasarlanır n = n + n = 23 comp CCR 1 λ ( o ) 32n d 2 2 Elektrik alan uygulandığında dalga kılavuz katmanı ile alttaş arasında küçük bir indeks farklılığına yol açar x y E z d -V n 2 n 1 Dalga Kılavuzu Ga (1-b) Al b As Alttaş Ga (1-a) Al a As <100> n 3 b < a 2008 HSarı L 127

128 Dalga Klavuzlu Elektro-Optik Modülatörler Birçok elektro-optik modülatörler dalga klavuzu şeklinde oluşturulabilir Dalga klavuzları faz modülatörü veya genlik modülatörüşeklinde tasarlanabilir x y E z d -V n 2 n 1 Dalga Klavuzu Ga (1-b) Al b As Alttaş Ga (1-a) Al a As <100> n 3 b < a Faz Modülatörü: Toplam indeks değişimi m=0 mod için Alttaşın <100> yönelimi için n23 = n2 n3 = ncomp + nccr + neo 1 λ 9 λ ( ) < n + n < ( ) 32n d 32n d β n = = k o 2 o 2 comp CCR 2 2 n = n r EO ( βλo ) 2π HSarı 128 V d L ϕ = β L = EO n comp : Komp. dolayı indeks farklılığı n CCR : Yük fark. dolayı indeks farklılığı n EO : Elektro-optik etkiden dolayı indeks farklılığı π n r λ o VL d

129 Optoelektronik Anahtarlar ve Yarıkararlı Devre Elemanları 2008 HSarı 129

130 SEED Eksiton soğurması ilkesine dayanılarak yapılan optoelektronik modülatöre en iyi örnek SEED (Self Electro-optic Effect Devices) olarak bilinen ve eksiton soğurmasına dayanan modülatörlerdir V=0 V R p Soğurma katsayısı (α) V=10 V V=6 V V i n Kuantum Çukuru 1,42 1,5 Foton enerjisi (ev) SEED çalışma ilkesi: Sıfır alanda eksiton pikine yakın dalga boyunda ışık modülatöre gönderilir Düşük şiddette fotoakım düşük olacak, şiddet artar ise fotoakım da artmaya başlayacak Foto akımın artması ile p-i-n yapı üzerinde gerilim düşmesi olacak Potansiyelin düşmesi eksiton pikinin kaymasına bunun sonucu olarak da daha fazla soğurmaya sebep olacaktır 2008 HSarı 130

131 Kaynaklar: 1) Solid State Electronics Devices, B. G. Streetmann, Prentice Hall, ) The Physics of Semiconductors with applications to Optoelectronic Devices Kevin F. Brennan, Cambridge University Press, ) R. G. Hunsperger, Integrated Optics: Theory and Technology, 3rd Edition, Springer Series in Optical Science, Springer-Verlag, ) Yarıiletken Malzemeler 5) Vakum Tekniği, Ç. Tarımcı, H. Sarı, Seçkin yayınevi HSarı 131