YARIİLETKEN LAZERLERDE YÜKLÜ TAŞIYICILARIN ENERJİ DURUMLARININ İNCELENMESİ



Benzer belgeler
FİZ217 TİTREŞİMLER VE DALGALAR DERSİNİN 2. ARA SINAV SORU CEVAPLARI

Elektromanyetik Dalga Teorisi

Optik Özellikler. Elektromanyetik radyasyon

Elektromanyetik Dalga Teorisi Ders-3

- 1 - ŞUBAT KAMPI SINAVI-2000-I. Grup. 1. İçi dolu homojen R yarıçaplı bir top yatay bir eksen etrafında 0 açısal hızı R

Doç. Dr. Sabri KAYA Erciyes Üni. Müh. Fak. Elektrik-Elektronik Müh. Bölümü. Ders içeriği

Elektromanyetik Dalga Teorisi

Elektromanyetik Işıma Electromagnetic Radiation (EMR)

Mustafa TEMİZ ve Mehmet ÜNAL* Pamukkle Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 20020, Denizli

2. Işık Dalgalarında Kutuplanma:

Elektrik ve Magnetizma

Yarıiletken devre elemanlarında en çok kullanılan maddeler;

Optoelektronik Tümleşik Devreler HSarı 1

BÖLÜM 2. FOTOVOLTAİK GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİ (PV)

Gamma Bozunumu

Harici Fotoelektrik etki ve Planck sabiti deney seti

Waveguide to coax adapter. Rectangular waveguide. Waveguide bends

ELEKTRONİK DEVRE TASARIM LABORATUARI-I MOSFET YARI İLETKEN DEVRE ELEMANININ DAVRANIŞININ İNCELENMESİ

DİKDÖRTGEN KESİTLİ YARIİLETKEN KUANTUM ÇUKURLU LAZERLERDE NORMALİZE YAYILMA SABİTİNİN HESAPLANMASI

ELEKTROMANYETİK DALGALAR

Potansiyel Engeli: Tünelleme

ELEKTROMANYETİK DALGA TEORİSİ DERS - 5

Doç. Dr. Sabri KAYA Erciyes Üni. Müh. Fak. Elektrik-Elektronik Müh. Bölümü. Ders içeriği

12. SINIF KONU ANLATIMLI

Bu bölümde Coulomb yasasının bir sonucu olarak ortaya çıkan Gauss yasasının kullanılmasıyla simetrili yük dağılımlarının elektrik alanlarının çok

Ahenk (Koherans, uyum)

SPEKTROSKOPİK ELİPSOMETRE

DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 4. BÖLÜM

İstatistiksel Mekanik I

Yarıiletken Optoelektronik Devre Elemanları HSarı 1

Fotovoltaik Teknoloji

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

Tek Boyutlu Potansiyeller: Potansiyel eşiği

Şekil-1. Doğru ve Alternatif Akım dalga şekilleri

Şekil 5-1 Frekans modülasyonunun gösterimi

Manyetik Alanlar. Benzer bir durum hareketli yükler içinde geçerli olup bu yüklerin etrafını elektrik alana ek olarak bir manyetik alan sarmaktadır.

Işığın Modülasyonu HSarı 1

RİJİT CİSİMLERİN DÜZLEMSEL KİNEMATİĞİ

AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ. Anten Parametrelerinin Temelleri. Samet YALÇIN

DENEY 3 : TRANSİSTÖR KARAKTERİSTİKLERİ. Amaç : Bipolar Transistörlerin çalışmasını teorik ve pratik olarak öğrenmek.

Parametrik doğru denklemleri 1

tayf kara cisim ışınımına

04 Kasım 2010 TÜBİTAK ikince kademe seviyesinde Deneme Sınavı (Prof.Dr.Ventsislav Dimitrov)

A A A A A A A A A A A

ZEMİN SUYU Zeminde Su Akımı ve Akım Ağları. Y.Doç.Dr. Saadet A. Berilgen

8.04 Kuantum Fiziği Ders XII

Fotonik Kristallerin Fiziği ve Uygulamaları

Işıma Şiddeti (Radiation Intensity)

ALETLİ ANALİZ YÖNTEMLERİ

1. Yarı İletken Diyotlar Konunun Özeti

12. SINIF KONU ANLATIMLI

Modern Fiziğin Teknolojideki Uygulamaları

Diverjans teoremi ise bir F vektörüne ait hacim ve yüzey İntegralleri arasındaki ilişkiyi ortaya koyar ve. biçiminde ifade edilir.

Malzemeler elektrik yükünü iletebilme yeteneklerine göre 3 e ayrılırlar. İletkenler Yarı-iletkenler Yalıtkanlar

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

FİZ4001 KATIHAL FİZİĞİ-I

Alternatif Akım; Zaman içerisinde yönü ve şiddeti belli bir düzen içerisinde değişen akıma alternatif akım denir.

MIT 8.02, Bahar 2002 Ödev # 11 Çözümler

Mühendislik Mekaniği Dinamik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Akışkan Kinematiği 1

ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR

DENEY 3. IŞIĞIN POLARİZASYONU. Amaç: - Analizörün pozisyonunun bir fonksiyonu olarak düzlem polarize ışığın yoğunluğunu ölçmek.

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

RADYASYON ÖLÇÜM YÖNTEMLERİ DERS. Prof. Dr. Haluk YÜCEL RADYASYON DEDEKSİYON VERİMİ, ÖLÜ ZAMAN, PULS YIĞILMASI ÖZELLİKLERİ

H a t ı r l a t m a : Şimdiye dek bilmeniz gerekenler: 1. Maxwell denklemleri, elektromanyetik dalgalar ve ışık

UBT Foton Algılayıcıları Ara Sınav Cevap Anahtarı Tarih: 22 Nisan 2015 Süre: 90 dk. İsim:

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

MIT Açık Ders Malzemesi İstatistiksel Mekanik II: Alanların İstatistiksel Fiziği 2008 Bahar

BÖLÜM 4: MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İMPULS ve MOMENTUM

Bir antenin birim katı açıdan yaydığı güçtür. U=Işıma şiddeti [W/sr] P or =Işıma yoğunluğu [ W/m 2 ]

İnce Antenler. Hertz Dipolü

Delta Tipi Engel Potansiyeli Olan Kane Tipi Yarıiletkenlerde Elektronların Etkin g-çarpanı

Dizi Antenler. Özdeş anten elemanlarından oluşan bir dizi antenin ışıma diyagramını belirleyen faktörler şunlardır.

Ünite. Dalgalar. 1. Ses Dalgaları 2. Yay Dalgaları 3. Su Dalgaları

MOSFET. MOSFET 'lerin Yapısı

A. Seçilmiş bağıntılar Zamana bağlı Schrödinger denklemi: Zamandan bağımsız Schrödinger denklemi: Hamilton işlemcisinin konum temsili

PV PANELLERİN YAPISI VE PANELLERDEN ELEKTRİK ÜRETİMİNE SICAKLIĞIN ETKİSİ

Ders 11: Sismik Fazlar ve Hareket Zamanları

1. Giriş 2. Yayınma Mekanizmaları 3. Kararlı Karasız Yayınma 4. Yayınmayı etkileyen faktörler 5. Yarı iletkenlerde yayınma 6. Diğer yayınma yolları

KİNETİK GAZ KURAMI. Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE Kimya Bölümü Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi 1

Stokastik Süreçler. Bir stokastik süreç ya da rastgele süreç şöyle tanımlanabilir.

KİM-117 TEMEL KİMYA Prof. Dr. Zeliha HAYVALI Ankara Üniversitesi Kimya Bölümü

1.ÜNİTE MODERN ATOM TEORİSİ -2.BÖLÜM- ATOMUN KUANTUM MODELİ

İletken Düzlemler Üstüne Yerleştirilmiş Antenler

Bölüm 1: Lagrange Kuramı... 1

KUTUPLANMA (Polarizasyon) Düzlem elektromanyetik dalgaların kutuplanması

2- Bileşim 3- Güneş İç Yapısı a) Çekirdek

GÜNEŞ PİLLERİ VE ÖZELLİKLERİ Batur BEKİROĞLU Dr. Vatan TUĞAL Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Göztepe, İstanbul

TRANSİSTÖRLÜ YÜKSELTEÇLERDE GERİBESLEME

ELEKTROMANYETIK ALAN TEORISI

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Bu durumu, konum bazında bileşenlerini, yani dalga fonksiyonunu, vererek tanımlıyoruz : ) 1. (ikx x2. (d)

8.04 Kuantum Fiziği Ders IV. Kırınım olayı olarak Heisenberg belirsizlik ilkesi. ise, parçacığın dalga fonksiyonu,

Statik güç eviricilerinin temel görevi, bir DA güç kaynağı kullanarak çıkışta AA dalga şekli üretmektir.

Lineer Bağımlılık ve Lineer Bağımsızlık

GİRİŞ BÖLÜM: SES İLE İLGİLİ BÜYÜKLÜKLER...3

ELASTİK DALGA YAYINIMI

TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi. chem.libretexts.org

Noktasal Cismin Dengesi

5. Elektriksel Büyüklüklerin Ölçülebilen Değerleri

Transkript:

PAMUKKALE ÜNİ VERSİ TESİ MÜHENDİ SLİ K FAKÜLTESİ YIL PAMUKKALE UNIVERSITY ENGINEERING COLLEGE CİLT MÜHENDİ SLİ K B İ L İ MLERİ DERGİ S İ SAYI JOURNAL OF ENGINEERING SCIENCES SAYFA : 00 : 8 : : 155-160 YARIİLETKEN LAZERLERDE YÜKLÜ TAŞIYICILARIN ENERJİ DURUMLARININ İNCELENMESİ Mustafa TEMİZ Pamukkale Üniversitesi, Müendislik Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Müendisliği Bölümü, Denizli Geliş Tarii : 1.05.001 ÖZET Elektronlar, yarıiletken lazerlerin aktif bölgelerinde elektromanyetik dalga ile etkileşerek enerji seviyelerini değiştirirler. Elektronlar, elektromanyetik alandan aldıkları enerjiyi optik enerjiye dönüştürürler. Bu dönüşüm esnasında elektronların enerji durumları değişir. Yarıiletken lazerlerde enerji durumlarının değişimi, eşik akımını etkilemesi sebebiyle, yarıiletken enerji bant müendisliğinde önemli bir yer tutar. Bu çalışmada eterojonksiyon yarıiletken lazerlerde elektronların enerji davranışı ve onların öz enerjileri dolayısıyla atomik enerji seviyeleri incelenmektedir. Anatar Kelimeler : Elektron enerji seviyeleri, Elektronun öz değerleri, Yarıiletken lazer THE STUDY OF ENERGY STATES OF CHARGED CARRIERS ON THE SEMICONDUCTOR LASERS ABSTRACT In te active regions of te semiconductor lasers electrons interact wit te electromagnetic fields and excange teir energy states and so te atomic energy levels and meanwile teir excess energy is transferred to optical energy. During tis excange te energy states of electrons cange. Because te cange of te electron energy states affects te tresold current, tis energy cange is important in te semiconductor laser band engineering. In tis work te beaviour of te energy of te electrons and teir eigenstates on te eterojunction semiconductor lasers and so te atomic energy levels are investigated. Key Words : Energy levels of electron, Stimulated emission, Semiconductor laser 1. GİRİŞ Yarıiletken lazerlerde p-tipi ve n-tipi Al x Ga 1-x As kristalinde x in çeşitli oranlarda seçimi yapılarak alüminyum konsantrasyonunun değiştirilmesiyle yapılan yarıiletken tabakaların ve aktif bölgenin kırılma indisi ve kazanç sabiti lazer boyutlarının bir fonksiyonu olarak ayarlanır (Temiz ve Samedov, 1999). Bu sayede yarıiletken lazer iletişiminde elektromanyetik dalgalar özel tabakalar arasında apsedilip kılavuzlanarak taşınırlar. Enjekte edilen elektronlar (akım) lazerin aktif bölgesinde elektromanyetik alanla etkileşir. Elektronların elektromanyetik alandan aldıkları enerjinin optik enerjiye dönüştürülmesinde bir kazanç sağlanır (Şekil 1). Şekil (b) de izafî dielektrik sabitinin x yönündeki değişmeyle L x ayarlanabilir uyum sabitinin, elipsoid şeklinde bir fonksiyonu olduğu; (c) de kazanç sabitinin y yönündeki değişmeyle L y parametresinin, elipsoid şeklinde bir fonksiyonu olduğu; (d) de ise aktif bölgedeki kırılma indisinin x değişkenine göre, aynen izafî dielektrik sabitinde olduğu gibi değişimi görülmektedir. 179

Elektromanyetik alan aktif bölgede sinizoidal olarak değişir. Bu çalışmada elektron ve atomik enerji seviyelerinin davranışı incelenmektedir.. YARIİLETKEN LAZER BOŞLUĞUNDA REZONANS OLAYI Bir çok eterojonksiyon yarıiletken lazerlerinde jonksiyon düzlemine dik doğrultuda uzay parametrelerine göre değişen bir kırılma indisi meydana getirilerek z istikametinde yayılan elektromanyetik dalganın apsedilmesi sağlanır. Öyleki, eterojonksiyon yarıiletken lazerlerin aktif bölgeleri, geleneksel bir rezonatör gibi davranır. Aktif bölgede yüklü elektronlarla elektromanyetik alan arasında enerji alış-verişi meydana gelir. Rezonans durumunda max. güç transferi ortaya çıkar. Optik frekanslarda elektromanyetik dalganın rezonansı, diğer rezonans sistemlerinden farklı değildir. Şekil de bir optik boşluk (optik rezonatör) görülmektedir. Dışarıdan E i elektrik alanı ile beslenen bir boşlukta, elektromanyetik alan boşluk içinde E o genliği ile sağ tarafa doğru ilerlemekte ve M aynasında ρ yansıma katsayısı ile geriye doğru M 1 aynasına ve M 1 aynasından ρ 1 yansıma sabiti ile tekrar sağa M aynasına doğru gitmektedir. İlerleyen dalganın bu tekrarlı geliş-gidişleri esnasında dalga vektörü değeri kω/c, genliği ρ 1 ρ... ve fazı exp[- jkd] ile değişen elektromanyetik alanın şiddeti belli bir seviyeye kadar artar ve bir müddet sonra daa az yansıtıcı. aynadan dışarı çıkar. Şekilde dışarı çıkan elektromanyetik alan bileşenleri tr alt indisi ile karakterize edilmiştir. Optik boşluk içinde aynalar arasında ileri-geri gelip giden bu dalgaların fazör diyagramı Şekil 3 de görülmektedir. Şekil 1. Yarıiletken lazer Tabakaları ve aktif bölge, (a) Lazer tabakaları, (b) Tabakalara göre izafî dielektrik Sabitinin (Kırılma indisinin) sürekli değişimi, (c) Kazancın değişimi (Verdeyen, 1989; Temiz ve Samedov, 1999), (d) Aktif bölge ve kırılma indisinin değişimi Şekil. Optik boşluk Müendislik Bilimleri Dergisi 00 8 () 179-187 180 Journal of Engineering Sciences 00 8 () 179-187

şeklindeki rezonans şartı elde edilir (Özek, 1997; Verdeyen, 1989). Elektronlar için enerji seviyeleri özel birer önem taşır. Elektrik yüklü olan elektronlar elektromanyetik alanın uyarması ile bir üst enerji seviyesine kadar uyarılmışlarsa, bunlar daa alt enerji seviyelerine bir enerji geçişi yaptıklarında üzerlerinde bulunan bu fazla enerjiyi bir ışık enerjisi (foton) olarak yayımlayabilirler. Bunun oluşması için uygun şartlar aranır. Şekil 3. Şekil de optik boşluktaki elektrik alanının fazör diyagramı Optik boşluk içinde sağ (E T + ) ve sol (E T - ) tarafa doğru yayılan elektrik alanları, + E o E T e j θ 1 ρρ 1 e j θ ρ E T E o 1 1 e j θ ρρ ile verilir. Burada, (1) θ kd q π φ () ile verilir. q, pozitif tam sayıları gösterir ve oldukça büyük değerler alır. Rezanans durumunda vektörlerin aynı doğrultu ve yönde üst üste binmesi için φ 0 olmalıdır. Bu durumda sağ (ve sol) tarafa doğru yayılan elektromanyetik alanın elektrik ve manyetik alan bileşenleri tamamen max. olur. Bu rezonans durumunu karakterize eden ifade, () den, θ kd qπ π kd d πq λ (3) olur. Burada v dalganın lazer ortamındaki yayılma ızı, d aynalar arasındaki mesafe, λ ise, dalganın lazer ortamındaki dalga boyudur. Buradan, d q λ (4) 3. KUANTUM BOYUTU VE POTANSİYEL ÇUKURU Kuantum boyutlarında durum yoğunluğu enerjiden bağımsız, fakat elektronun kütlesi ve ortamın boyutuna bağlı olduğu için, boyut seçimi ile durum tasarımının mümkün olması sebebiyle, katmanlar arasında yeter miktarda enerji depolanması yapılabilmektedir. Mod sayılarının seçimi ile enerjinin durum yoğunluğuna göre değişimi merdiven basamakları şeklindedir (Temiz, 1996; 1997; Verdeyen, 1989). Gaz, katıal veya yarıiletken gibi erangi bir lazer malzemesinin kazanç sabiti, spektral çizgi şekli fonksiyonu gibi, belli bazı fonksiyonlarla orantılıdır. Bu özellikler altında durumların sayıları sınırlanarak aynı enerji bandı içinde aynı enerjiye saip daa çok sayıda elektron olabilir. Bu mekanizma ile elektronlar bir ters birikime sokulur ve bir elektromanyetik alan ile daa etkili bir şekilde uyarılabilir. Dolayısıyla, uzay değişkenleri ve şiddeti tasarlanabilen bir enerji bant aralığı meydana getirilebilir. Böylece üst üste enerji katları oluşturulabilir. Temel malzemesi GaAs/Al x Ga 1-x As olan bu tür yapılar, çoklu kuantum çukurlarını meydana getirirler. Yarıiletken lazer diyotlarının aktif bölgeleri bir nevi kuantum çukurlarıdır. Bu çukurlar taşıyıcıların tuzaklanma yerlerini meydana getirirler. Enjekte edilen taşıyıcıların tuzaklanmasını sağlamak için alüminyum konsantrasyonu mesafeye bağlı olarak derece derece azaltılır. 10 A o gibi küçük boyutlu olan AlAs li apsedici katmanlar arasında, 50 A o gibi daa geniş olan GaAs katmanları birer çukur maiyetindedir. Bu kuantum çukurlarında müsaade edilen durumlar arasında meydana getirilen geçişlerle elektron-delik taşıyıcılarının birleşmeleri sağlanır. AlAs tabakaları, GaAs çukurlarında toplanan elektronlara (veya deliklere) eşlik eden dalga Müendislik Bilimleri Dergisi 00 8 () 179-187 181 Journal of Engineering Sciences 00 8 () 179-187

fonksiyonlarına karşı birer potansiyel duvarı meydana getirirler. Dolayısıyla iki AlAs tabakası arasındaki GaAs tabakası quantum çukuru adı verilen bir potansiyel çukur oluşturur. 4. YARIİLETKEN KUANTUM ÇUKURLARINDA ELEKTRİK ALAN DAVRANIŞI İki AlAs tabaka arasında bulunan GaAs katmanı ile oluşturulan kuantum çukuru, enjekte edilen elektronlara karşı bir potansiyel çukur (Verdeyen, 1989) gibi davranır (Şekil 4). boyutta, bir elektrona eşlik eden dalga için Scrödinger dalga denklemi, d E y ( x) m + [ E V ( x )] Ey ( x) 0 dx / π (5) ile verilir. Burada E elektronun toplam enerjisini, m kütlesini ifade eder. Elektrona dışarıdan uygulanan potansiyel V o ise, E < 0 ve V(x) -V o olduğu için. bölgede [ x x o / ] Scrödinger dalga denklemi, d E y ( x) m + [ Vo E] E y ( x) 0 dx (6) veya mv ( o E ) (7) tanımı ile d E y ( x) dx E y ( x) (8) olarak bir özdeğer denklemi şekline girer. Özdeğer ile ifade edilir. Bu denklemin çözümü,. bölge için, E y (x) A Sin x+ B Cos x (9) λ π m(v o E ) biçimindedir (Temiz, 1999a). x xo / a için (V o 0) Şekil 4. (a) Yarıiletken lazer katmanları (Temiz ve Acer, 1998), (b) Potansiyel çukuru (Sciff, 198), (c) (b) deki Potansiyel çukuruna benzeyen yarıiletken kuantum çukurunu meydana getiren yarıiletken katmanlar E y (x) elektronun enerji özdeğerini ve V(x) elektrona dışarıdan etki eden potansiyeli göstermek üzere, tek I,I d E y ( x) I,I E y ( x) 0 dx (10) m I,I E şeklini alan bu Scrödinger dalga denkleminin çözümü, Müendislik Bilimleri Dergisi 00 8 () 179-187 18 Journal of Engineering Sciences 00 8 () 179-187

I,I x E y (x) A e (11) I,I olur. Tek boyutlu (5) denkleminde x -x ve V(x) -V(-x) konursa, gene (5) ifadesi bulunur ki, bu E y (x) E y (-x) olduğunu gösterir. Eğer enerji değerleri soysuzlaşmış değilse, yani, (5) denkleminin öz değerlerleri soysuzlaşmamış ise], başka bir ifadeyle (5) denkleminin farklı bir öz değerine karşı farklı bir öz fonksiyon karşı geliyorsa, o zaman (5) denkleminin tek bir noktasal çözümü vardır. Dolayısıyla, Scrödinger dalga denklemini sağlayan iki fonksiyon bir sabit farkıyla ortaya çıkar. Yani, E y (x) KE y (-x) dir. x -x için, E y (-x) KE y (x) K E y (-x) demektir ki burada K 1 K ± 1 bulunur. Buna göre, K 1 için E y1 (x) KE y1 (-x) E y1 (-x) çift fonksiyon çözümü, K-1 için E y (x) KE y (-x) -E y (-x) tek fonksiyon çözümü meydana gelir. Demek oluyor ki (5) ile verilen Scrödinger dalga denkleminin tek ve çift fonksiyonları olduğu ortaya çıkar. Çift fonksiyon çözümünün elde edilmesi için (9) ifadesinde A 0 olmalıdır. Yani,. bölgedeki fonksiyon çift çözümü E y1 olmak üzere, E y1 (x) B Cos x (1) bulunur. B sabiti B a+ Sin a ile bellidir (Temiz, 1999). Burada x a için E y1 (x) E y1 (x) I,I ve de y1 (x) /dxde y1 (x) I,I /dx sağlanmalıdır. Tek fonksiyon çözümünün elde edilmesi için (9) ifadesinde B 0 alınmalıdır. Yani,. bölgedeki tek fonksiyon çözümü E y olmak üzere, E y (x) A Sin x (14) A x o bulunur (Temiz, 1999). Elektronların en düşük enerji durumları, en düzgün dalga fonksiyonlarına saip olur ve partikülün enerjisi artarken dalga fonksiyonunun genliği de düzgün olarak darbe xo xo biçiminde artar. Elektron x aralığında kalmaya mecbur olduğu takdirde, I ve bölgelerindeki alanlar yok iken sınırlarda kendisine tekabül ettirilen debroglie dalgası sıfır olmalıdır. Yani, E y (a) A Sin a A Sin ξ, için a nπ, n 1,, 3,... şartından E n n π Vo ma (15) bulunur. Bu sonuç, elektronun saip olduğu enerji seviyelerini verir. Bununla belirlenen seviyeler dışında elektronlar, başka enerji seviyelerinde bulunamazlar. Yine x a için E y (x) E y (x) I,I ve de y (x) /dx de y (x) I,I /dx sağlanmalıdır. Buradan, I, I x o, cot a cot I I (16) bulunur. Bu sonuçlar referansındaki sonuçlarla uyuşur. Alanların değişimi Şekil 5 de görülmektedir (Temiz, 001). Yani, B Cos a A I,I e a, B Sin a I,Ia I,I AI,I e veya tan I, I xo, a tan I I (13) bulunur (Temiz ve Acer, 1998). Şekil 5. Elektrik alanının I,, I. bölgelerindeki değişimi, (a) Lazer katmanları ve kuantum çukuru, (b) Lazer katmanlarında elektrik alanın değişimi Müendislik Bilimleri Dergisi 00 8 () 179-187 183 Journal of Engineering Sciences 00 8 () 179-187

Elektronların enerji seviyeleri (E), kuantum çukurunun potansiyel-enerji derinliğinden (V o ) daa küçüktür. Alanın değişiminde görüldüğü gibi, kuantum çukurunda müsaade edilebilen enerji değerleri mevcuttur. x a x o / ile verilen sınır şartları, bu ayrık enerji seviyelerine ilişkin mümkün enerji seviyelerini ve bunların er bir dalga fonksiyonunu sınırlamaktadır. tan ξ bulunur. Burada; t ξ a t ξ a ξ ξ (3) y tan ξ (4) 1 5. ENERJİ ÖZ DEĞERLERİ y t ξ ξ (5) Yukarıda tanımlanan (7) ifadesinden, a ξ m V o E a ( ) elde edilerek, o o o ma V mx V t alınarak, (10) ifadesinde tanımlanan, I,I m a η Ea ile birlikte, ξ veya t η (17) (18) (19) olarak alınırsa, y 1 y den, ζtan ζ t ξ (6) Tek fonksiyonlar için, benzer şekilde, (16), (17) ve (3) den, ζcot ξ t ξ (7) elde edilir. Burada y 1 cot ξ, y ise, (5) ile aynıdır. Yukarıda (4) de bulunan ifade, y 1 ve y gibi, ayrı iki fonksiyonun eşitliğini göstermektedir. Sol tarafta y 1 ile verilen eğriler (17) ifadesinde görüldüğü gibi, elektronların enerji seviyeleri (E), kuantum çukurunun potansiyel-enerji derinliği (V o ) ve. bölgenin seçilen genişliği (x o ) tarafından belirlenmektedir. Burada sadece enerji seviyelerinin dışındaki parametreler belli bir ölçüde sabit yapılabileceği (veya sabit olduğu) için, değişken parametrenin sadece elektronların enerji seviyelerini temsil eden E olduğu görülebilir. I,I t ξ t ξ a ( x / ) o (0) bulunur. Diğer taraftan (13) ve (17) den,, tan ξ I I (1) ve (0) den, I,I 1 t ξ t ξ a 1 xo / () veya (17), (1) ve () den, Müendislik Bilimleri Dergisi 00 8 () 179-187 184 Journal of Engineering Sciences 00 8 () 179-187

Sonuç olarak, tanjant eğrilerini biçimlendiren parametre elektronların ayrık enerji seviyeleridir. Bu eğriler, detaylı bir şekilde incelenmiş ve çizilmiştir (Temiz, 1998). İfadenin sağ tarafı ise (y ), (18) ifadesine de bakılırsa] gene aynı parametreler tarafından belirlenir. Yani, sağ taraftaki değişken parametre de yine elektronların ayrık enerji değerlerini temsil eden E dir. (7) in sağ ve solundaki eğriler için de benzer şeyler söylenebilir. Netice itibariyle, oluşturulan kuantum çukurundaki elektronların enerji değerleri, çift (Şekil 6) ve tek fonksiyon (Şekil 7) çözümlerine ait olan (3) ve (6) da sağ ve sol yandaki eğrilerin kesim noktalarından oluşmaktadır. Şekil 7, -cot ytan (y+π/) olduğu için, (3) e ait eğrilerin bir ötelenmesinden ibarettir (Temiz, 001). Şekil 6. Kuantum çukurunda çift fonksiyon çözümü için (0-π/) aralığında elektronların ayrık enerji özdeğerlerini belirleyen eğriler 6. AKTİF BÖLGEDE TEK VE ÇİFT ELEKTRİK ALANLARININ ÖZDEĞERLERİ Şekil 6 ve Şekil 7 de verilen y 1, y eğrilerinin kesim noktaları, elektrik alanının ile gösterilen özdeğerlerini verir. Bu özdeğerler ayrık birer set oluştururlar. Bu setler, tanjant eğrileri ile kendilerini belli ederler. (18) de verilen ifadede daa büyük t değerleri için, y değerleri de daa büyük değerlere kayarlar. Yani, Vo1 < Vo olmak üzere, V o V o1 ve V o, V o için Şekil 7. Kuantum çukurunda tek fonksiyon çözümü için (π/-4π) aralığında elektronların ayrık enerji özdeğerlerini belirleyen eğriler ma Vo ma Vo Hesaplanan t1, t değerleri arasında t 1 < t ilişkisi vardır. Başka bir ifadeyle, Vo 1 <Vo için [a Vo ] çarpımına ait y değeri [a Vo 1 ] çarpımına ait y değerinden daa büyük olur. Yani potansiyel-enerji değeri derinleştikçe [Vo değeri arttıkça] daa fazla elektronların bağlı durumları ortaya çıkar. Şekil 6, ayrıca, en azından bir bağlı durumun olması sebebiyle t ye bağlılığın önemli olmadığını göstermektedir. t, V o ile artarken, özdeğerlerin ξ ekseninde yaklaşık olarak eşit aralıklarla arttığı görülür. Dolayısıyla, çift fonksiyon çözümleri için, ξ ( n+ 1/ ) π, n 0, 1,,... (8) olarak yazılabilir. Müendislik Bilimleri Dergisi 00 8 () 179-187 185 Journal of Engineering Sciences 00 8 () 179-187

-cot ξ tan(ξ+π/) olduğu (tek fonksiyon) göz önünde bulundurulursa, çözümler için tek fonksiyon çözümlerinde Şekil 6 daki eğrilerin kesim noktalarının 90 o ötelenmesi yeterli olacağı için özdeğer noktaları, -cot ξ y tan(ξ+π/) ifadesine göre, büyük [ Va ] o değerleri için taraftan, tek fonksiyonlu elektrik alanı için (13), (17) ve (19) dan, ξ nπ, n 1,,... (9) alınabilir. Şekil 7 de görüldüğü gibi, tek fonksiyon çözümü için y 1 ile y nin ancak π/ > 0 değerlerinde kesim noktaları bulunur. Dolayısıyla, (7) den areket edilerek, çözüm noktalarının π π mv o a π t ( ) 0 t 4 4 veya mv o x o π (30) durumunda mevcut olduğu anlaşılır. 7. SONUÇ VE YORUM Yarıiletken lazer malzemelerindeki atomik davranışların tasvirinde, taşıyıcıların enerji durumlarının dağılımı ve işgal edilme itimalleri, enerji durumları arasındaki enerji geçişlerinin yer alması, lazer dizaynında göz önünde bulundurulmalıdır. Bu bilgiler teknik tasarımda önemli bir rol oynar. Meselâ, aktif bölgenin a genişliği ile elektronların özdeğerleri arasındaki yakın ilişkinin bilinmesi, kalınlığı yaklaşık a x o / 10-100 A o civarında olan kuantum çukurlu lazerlerin dizaynında ilk başta düşünülmesi gerekli ususlar arasındadır. Kuantum çukurunun potansiyel-enerji derinliği (V o ) ile aktif bölgeye ilişkin x o genişliğinin V o x o çarpımı önemlidir. (17) ve (19) dan, Şekil 8. Çift alan fonksiyonlarında (31) ile tanjant eğrilerinin kesim noktaları η ξ tan ξ (3) elde edilir ki bu sonuç, (Temiz, 1998) makalesinde bulunan (Y X tan X) ifadesinin aynıdır (Şekil 8). (4) ve (7) ifadelerinin ışığı altında -cot ξ tan (ξ+π/) olduğu göz önünde bulundurulursa, tek fonksiyonlu elektrik alanın Şekil 9 daki ifadesi, Şekil 8 dekine benzer şekilde, tanjant eğrilerinin π/ kadar bir ötelemesini göstermektedir. Eğrilerden de görüldüğü gibi, x o a eninde ve V o derinliğinde bir boyutlu bir potansiyel enerji kuyusunda bulunan elektronlar için, ξ +η R de R1 alınırsa, tek (31) den [ Voa ] olur ki, bu, m tek bir bağımlı enerji seviyesi gösterir : R 1,, 3,... için eğriler Şekil 8 de görüldüğü gibi, çoğaltılabilir (Temiz, 001). Tesbit edilen R x o değerlerine göre, [ Vo a ] Vo ifadesinde er bir 4 x o aktif bölge kalınlığı verilen V o potansiyel çukuru değerleri için esaplanabilir. ξ +η m Vo a t R (31) denklemi elde edilir. Bu ifade, genişliği belirlenmiş bir aktif bölgeye ilişkin kuantum çukurunun belli bir potansiyel-enerji derinliği için, yarıçapı sabit olan bir daire denklemini gösterir (Şekil 8). Diğer Müendislik Bilimleri Dergisi 00 8 () 179-187 186 Journal of Engineering Sciences 00 8 () 179-187

Temiz, M. 1996. Te Quantum-Well Structure of Self Electro-optic Effect Devices and Gallium- Arsenide, Pamukkale University Engineering College, Journal of Engineering Sciences, Page 89, Volume, Number, Year 1996. Temiz, M. 1997. Yarıiletkenler, Pamukkale Üniversitesi, Müendislik Fakültesi, Mü. Fak., Matbaası, Denizli. Temiz, M. 1999. GaAs-Tabanlı Fiber Glas ve Lazerlerde Kılavuzlanmış Elektromanyetik Alan Modlarının İncelenesi, Pamukkale Üniversitesi, Mü. Fak., Müendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 5, Sayı 1-, Sayfa 1083. Şeki 9. Tek alan fonksiyonlarında (31) ile tanjant eğrilerinin kesim noktaları 8. KAYNAKLAR Özek, A. 1997. Üç Boşluklu Lazer Diyot Karakteristikleri ve Frekans Kaymasının Bastırılması (Doktora Tezi), Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri. Sciff, L. I. 198. Quantum Mecanics, McGraw- Hill Book Comp., Tokyo. Temiz, M. 001. Te Effects of Some Parameters of te Propagation Constant for Heterojunction Constructions on te Optical Modes, International Journal Laser Pysics, Moscow State Engineering Pysics Institute, Volume 11, No. 3. Temiz, M. ve Acer, H. 1998. GaAs-Tabanlı Lazerlerde Elektromanyetik Propagasyon Sabitinin İncelenmesi, Pamukkale Üniversitesi, Mü. Fak., Müendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 4, Sayı 1-, Sayfa 541. Temiz, M., Samedov, R. 1999. Fiber Glas, Yarıiletken Lazerler ve Kazanç Zabiti, Pamukkale Üniversitesi, Mü. Fak., Müendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 5, Sayı1-, Sayfa 1083. Verdeyen, J. T. 1989. Laser Electronics, Prentice- Hall Inc., New Jersey. Müendislik Bilimleri Dergisi 00 8 () 179-187 187 Journal of Engineering Sciences 00 8 () 179-187