Yarıiletken Otoelektronik Devre Elemanları 2008 HSarı 1
Otoelektronik Devre Elemanları -n Eklemlerinin Otoelektronik Uygulamaları Işık Üreteçler» Işık Yayan Diyotlar (LED)» Lazerler Işık Dönüştürücüler» Işık Dedektörleri» Güneş Pilleri Işık İleticiler: Dalga Kılavuzları» Otik Fiberler» Yarıiletken Dalga Kılavuzları Işık Modülatörleri 2008 HSarı 2
Yarıiletken Eklemler: I-V Eğrileri n V I Aydınlatma Yok qv kt I( V ) = I ( e 1) k I k =karanlık akım D Dn Ik = qa( n + n ) L L n n I n V-V o V+V o E F V b I k V E F n n V b +V o E F çığ bölgesi V o E F V b =Kırılma gerilimi (breakdown voltage) 2008 HSarı 3
Işık Altında -n Eklemi -n eklemi hv > E g enerjili düzgün bir ışıkla aydınlatılırsa (g o ) eklemin tüketim bölgesinde elektron ve deşik çiftleri oluşur. I g o n E A g o =0 V g 1 g2 L d L n g 3 g o = otik güç (EHP/cm 3 -s) E = yaısal elektrik alan L = deşik difüzyon uzunluğu L n = elektron difüzyon uzunluğu g 3 > g 2 > g 1 > g o =0 I = I I qv / kt k ( e 1) o g o = 0 I = I e qv / kt k ( 1) I = qag ( d + L + L ) o o n 2008 HSarı 4
Yarıiletken Eklemlerin Otoelektronik Uygulamaları Yarıiletkenlerin otoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yaılarak 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, otik şiddet ile orantılı -I g o 0 V>0, I <0 +V - n + V IV. Bölge (V>0, I <0 ): Güneş Pilleri - + n A A + -V n - 2008 HSarı A 5
Yarıiletken Eklemlerin Otoelektronik Uygulamaları Yarıiletkenlerin otoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yaılarak mümkündür Eklemlerde kullanılan malzemenin bant yaısı-direk-indirek (ışık algılayıcı-ışık yayıcı) Malzemenin yasak bant aralığı (yayılan veya algılanan ışığın frekansı) Katkılama oranı (tüketim bölgesinin genişliği-d) Boyut kuantalanması (verimli otoelektronik devre elemanları) I Direk bant aralığı Aşırı katkılama d n -V Bant aralığı katkılama V<0, I <0 V>0, I >0 Geniş eklem yüzeyi V>0, I <0 +V 2008 HSarı -I 6
Işık Yayan Otoelektronik Elemanlar LED LAZER 2008 HSarı 7
Işık Yayan Otoelektronik Elemanlar Uygun bir -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 + 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 tii eklemler kullanılmalıdır 2008 HSarı 8
Işık Yayan Otoelektronik Elemanlar-Genel Özellikler Uygun bir -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
Işık Yayan Diyotlar (LED) Aşırı katkılanmış n + ve + tii eklemlerde Fermi enerji seviyesi bant aralığından ziyade bant içinde bulunur Tüketim bölgesinin genişliği katkılanmanın yoğunluğuna bağlıdır. (a) Ayrık n ve tii yarıiletkenler ve enerji seviyeleri (b) Sıfır gerilim altında -n eklemi n + -GaAs + -GaAs n + -GaAs + -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 E F n E C E c E V E F E v hv = E g 2008 HSarı 10 E C -E V < hv < E n F -E F
E F n E C LED Işığının Özelliği hν = E g E V E F E C -E V < hν < E F n -E F 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 Kutulu değildir 2008 HSarı 11
Lazerler-Genel Kavramlar LASER: Light Amlification by Stimulated Emission of Radiation Türkçesi LAZER Lazerler ışığının özelliği Uyumlu (Koherent) Tek renkli (Monokromatik) Yönlü Kutulu Lazerlerin çalışma rensibini 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 1 2008 HSarı 12
Otik Geçişler Kendiliğinden Geçiş (Işıma) (sontaneous emission) A 21 N 2 N 2 A 21 N 1 N 2 > N 1 kendiliğinden geçiş τ k Soğurma (absortion) 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 1 2008 HSarı 13
Lazer Ortamı Kazanç ortamı I o N 2 > N 1 I = I e +α o z Kayılı ortam I o N 2 < N 1 I = I e α o z 2008 HSarı 14
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 21...1 Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yamak 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 1 2008 HSarı 15
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 12 21 3 A21 8πhν 8πh = = 3 3 B21 c λ Ödev: Einstein katsayılarının B A B 12 21 21 21 = B 8πhν = 3 c 2008 HSarı olduğunu gösteriniz 16 3
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 küü ile ters orantılı (frekans ile doğru) olduğu için yüksek frekanslarda (gama-ışınlarında) lazer yamak teknik olarak daha zordur 2008 HSarı 17
Sektral Dağılım (Lineshae) E F n E F E g E C E V E C -E V < hv < E F n -E F ν ο ± ν ν = o E h g Ν Kazanç eğrisi ν ο - ν ν ο ν ν ο + ν ν 2008 HSarı 18
Kayılar R 1 R 2 1 1 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 =tolam kayı katsayısı (birim uzunluk başına) α r =saçılma ve soğurma kayıları α R =aynalardaki yansımalardan kaynaklanan kayı Ν Kazanç eğrisi e 2 α r L = 2 sl R1 R2e α kayı ν 2008 HSarı 19
Lazer Şartı Nüfus terslemesi N 2 > N 1 (Pomalama) I = I e +α o Osilasyon olabilmesi için kazancın kayılardan 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 kayı 2008 HSarı 20 L
Otik Rezonans Oyuğu (Otical 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
Otik Rezonans Oyuğu (Otical Resonant Cavity) E F n E g E F E C E V Ν Kazanç eğrisi kayı ν m=1 m=3 m=2 ν L Kazanç eğrisi kayı 2008 HSarı ν 22
Lazer %100 yansıtıcı ayna % 98 yansıtıcı ayna Kazanç ortamı Lazer ışığı N 2 > N 1 Basitleştirilmiş tiik bir lazer şeması 2008 HSarı 23
Pomalama 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 (oulation inversion) denir. Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yamak 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 omalanma işlemi ile yaılır. Lazerlerde bu otik veya elektrik akımı ile yaılır. Yarıiletken lazerlerde omalama 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 + otik güç n + -GaAs + -GaAs I I E f E c E v I th 2008 HSarı d 24
Lazer Işığının Özelliği Işık: Uyumlu (koherent) Tek renkli (monokromatik) Yönlü Kutulu E n F E C hν o = E g şiddet Lazer E V E F LED ν Tek renkli v o E C E V yönlü 2008 HSarı 25 Uyumlu (Koherent)
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
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 F v o hv 2008 HSarı 27
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
Yarıiletken Lazerler Aşırı katkılanmış n ve tii direk bant aralığına sahi yarıiletkenlerle oluşturulan eklemler lazerlerin yaımında kullanılabilirler Yarıiletken lazerler, rezonans oyuğu içine konmuş LED lerden farklı değildir Rezonans oyuğu, yarıiletkenlerin kenarlarından yaılan kesme (cleave) işlemi ile oluşturulur Yarıiletken lazerler diğer lazer türlerinden farklılık gösterirler. Bunların en başlıcası boyutlarının oldukça küçük oluşudur (tiik boyutları 0,1 x 0,1 x 0,3 mm) Yüksek verimlidir Lazer çıkışı eklemlere uygulanan akım ile kolaylıkla kontrol edilebilir Yarıiletken lazerler, otoelektronik tümleşik devreleri ile kolaylıkla bütünleştirilebilir Yarıiletken lazerler fiber otik iletişimde oldukça kullanışlıdır 2008 HSarı 29
Yarıiletken Lazerler Kesme doğrultuları (ayna oluşturmak için) n V n E c E f E v Ayna R=1 Ayna R=0,9 Ayna R=1 Ayna R=0,9 2008 HSarı 30
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)
Düşük Boyutlu Yarıiletken Lazerler Düşük boyutlu yaılar kullanılarak lazerlerin erformansı arttırılabilir Işığın frekansı ayarlanabilir Enerji seviyeleri kuantalı olduğu için (bant değil!) frekans bant genişliği daha dardır Elektronlar ve deşikler uzayın belli bir bölgesine hasedildiği için birleşme verimliliği yüksektir (düşük eşik akım-i eşik ) Otik sınırlamadan dolayı foton alanı ρ(hν) yüksek (yüksek verimlilik) -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
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 -AlGaAs -GaAs < 1 µm n-gaas Alttaş V -AlGaAs -GaAs n-gaas Alttaş < 1 µm n-gaas -GaAs -AlGaAs n-gaas -GaAs -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 -GaAs de kalması sağlanır E f (a) Sıfır beslenme durumu (b) İleri beslenme durumu 2008 HSarı 33
Çift Heteroeklemli Yarıiletken Lazerler Çift Heteroyaılı lazerler (Double Heterostructures): Daha verimli lazer yaılar oluşturulabilir Aktif Katman -GaAs -AlGaAs -GaAs n-algaas n-gaas Alttaş < 1 µm n-gaas n-algaas -GaAs -AlGaAs E (AlGaAs) g =2 ev E f E g (AlGaAs) =2 ev E g (GaAs) =1,4 ev 2008 HSarı 34
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 tiik olarak eşik akım değerinde 10 kat azalma sağlanabilir n-gaas n-algaas -GaAs -AlGaAs Aktif Katman -GaAs -AlGaAs -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
Yüzey Salınımlı Lazerler (VCSEL) Yarıiletken lazer yaılarında 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 sebe olabilmektedir Yüzeyden salınım yaan lazer geometrisi ile lazer dizileri yamak 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 y d y y d y d x d y d x =d y 2008 HSarı 36
Yüzey Salınımlı Lazerler (VCSEL) Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) Yüzeyden salınım yaan lazer geometrisi ile lazer dizileri(array) yamak mümkün değildir DBR Ayna (23 çift) Akım sınırlayıcı Aktif bölge DBR Ayna (23 çift) GaAs n-alas n-gaas n-alas GaAs -AlGaAs GaAs n-alas n-gaas n-alas n+-gaas DBR-AlAs/GaAs GaAs DBR-AlAs/GaAs alttaş Enine Mod 2008 HSarı 37
Lazer Yaımında Kullanılan Malzemeleri GaAlAs/GaAs tabanlı yarıiletkenler: Hem direk bant aralığına sahi hem de değişik komozisyonlarda büyütülmesinde roblem 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 sahitir 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 hesa makinelerinde ve diğer ışıklı göstergelerin yaımında kullanılır 2008 HSarı 38