Yarıiletken Optoelektronik Devre Elemanları
advertisement
Yarıiletken Optoelektronik Devre Elemanları © 2008 HSarı 1 Optoelektronik Devre Elemanları • p-n Eklemlerinin Optoelektronik Uygulamaları • Işık Üreteçler » » • Işık Dönüştürücüler » » • © 2008 HSarı Işık Dedektörleri Güneş Pilleri Işık İleticiler: Dalga Kılavuzları » » • Işık Yayan Diyotlar (LED) Lazerler Optik Fiberler Yarıiletken Dalga Kılavuzları Işık Modülatörleri 2 Yarıiletken Eklemler: I-V Eğrileri Aydınlatma Yok V p n I (V ) = I k (e I n p − 1) I k = qA( EF n Ik n EF Vb=Kırılma gerilimi (breakdown voltage) Lp pn + Dn np ) Ln EF V p çığ bölgesi Dp p n I Vb © 2008 HSarı Ik=karanlık akım V-Vo V+Vo Vb+Vo qV kT Vo p EF 3 Işık Altında p-n Eklemi p-n eklemi hv > Eg enerjili düzgün bir ışıkla aydınlatılırsa (gop) eklemin tüketim bölgesinde elektron ve deşik çiftleri oluşur. I gop V E n Lp d p A Ln gop= optik güç (EHP/cm3-s) gop=0 g1 g2 g3 g3 > g2 > g1 > gop=0 E = yapısal elektrik alan Lp = deşik difüzyon uzunluğu Ln = elektron difüzyon uzunluğu gop= 0 I = I k (e qV / kT − 1) © 2008 HSarı I = I k (e qV / kT − 1) − I op I op = qAg op (d + Ln + Lp ) 4 Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamaları Yarıiletkenlerin optoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yapılarak mümkündür I I. Bölge (V>0, I >0 ): LED ve Lazerler - p + n V>0, I >0 A +V -V V gop ≠0 IV. Bölge (V>0, I <0 ): Güneş Pilleri V<0, I <0 V>0, I <0 -I III. Bölge (V<0, I <0 ): Dedektörler Akım gerilimden bağımsız, optik şiddet ile orantılı + n p A + -V © 2008 HSarı n p A 5 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 V>0, I >0 n • Bant aralığı • katkılama d p © 2008 HSarı +V -V • Geniş eklem yüzeyi V<0, I <0 V>0, I <0 -I 6 Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar LED LAZER © 2008 HSarı 7 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>0, I >0 - p + n A +V -V 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 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 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 n+-GaAs (b) Sıfır gerilim altında p-n eklemi p+-GaAs n+-GaAs p+-GaAs Ec EF EC EV EF Ef Ev d 1/ 2 (c) İleri besleme durumu hv = Eg n V p Ec © 2008 HSarı Ev 2εVo 1 1 ( + ) d= q N N a d (d) Oluşacak olan ışığın frekans aralığı EFn EC hv = Eg EV EFp EC-EV < hv < EFn-EFp 10 LED Işığının Özelliği şiddet EFn Frekans Bant Aralığı EC hν = Eg EV EFp ∆ν hν vo EC-EV < hν < EFn-EFp Eşik değerin altındaki durum (uyumsuz (koherent olmayan) ışıma) EC EV yön Faz yüzeyleri Işık: © 2008 HSarı • • • • Uyumlu (koherent) değildir Tek renkli (monokromatik) değildir Yönlü değildir Kutuplu değildir 11 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 E2 ve E1 olan iki enerji seviyesini göz önüne alalım E2 ∆E=E2-E1 © 2008 HSarı hv=E2-E1 E1 12 Optik Geçişler N2 > N1 Kendiliğinden Geçiş (Işıma) (spontaneous emission) A21N2 A21 N2 kendiliğinden geçiş τk N1 Soğurma (absorption) B12N1ρ(hv) N2 B12 Uyarılmış Geçiş (Işıma) N2 (stimulated emission) B21N2 ρ(hv) © 2008 HSarı N1 B21 N1 Uyarılmış geçiş τu ≈ 10-8 s << τk 13 Lazer Ortamı Io N2 > N1 I = I o e +αz Kazanç ortamı Io Kayıplı ortam © 2008 HSarı N2 < N1 I = I o e −αz 14 Lazerler-Genel Kavramlar ρ(hv) foton alanının varlığında uyarılmış geçişin yanı sıra soğurma ve kendiliğinden geçiş oluşur B21N2 ρ(hv) = Uyarılmış geçiş oranı B12N1ρ(hv) = Soğurma oranı A21N2 = Kendiliğinden geçiş oranı N2 ρ(hv) B21N2ρ(hv) E2 B12N1ρ(hv) E1 N1 Foton alanı durumunda A21N2 Uyarılmış geçiş oranı B21N2ρ(hv) B21 ρ(hv) .......1 = = Kendiliğinden geçiş oranı A21N2 A21 Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için N2 > N1 Uyarılmış geçiş oranı © 2008 HSarı Soğurma oranı = B21N2ρ(hv) B12N1ρ(hv) = B21N2 B12N1 .......2 15 Lazerler-Genel Kavramlar B21N2 ρ(hv) = Uyarılmış geçiş oranı B12N1ρ(hv) = Soğurma oranı A21N2 = Kendiliğinden geçiş oranı Denge durumunda B12N1ρ(hv)=A21N2 + B21N2ρ(hv) B12, A21, B21 : Einstein katsayıları Isıl dengede durumunda ve siyah cisim ışıma denklemini kullanarak B12 = B21 A21 8πhν 3 8πh = = 3 3 B21 c λ Ödev: Einstein katsayılarının B12 = B21 A21 8πhν 3 = B21 c3 © 2008 HSarı olduğunu gösteriniz 16 Lazerler-Genel Kavramlar A21 8πhν 3 8πh = = 3 3 B21 c λ Lazer olayı için A21/B21 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 Spektral Dağılım (Lineshape) EFn EC-EV < hv < EFn-EFp EC Eg νο±∆ν EV EFp Ν νo = Eg h Kazanç eğrisi ∆ν ν νο-∆ν νο νο+∆ν © 2008 HSarı 18 Kayıplar R1 R2 αr=toplam kayıp katsayısı (birim uzunluk başına) αr=saçılma ve soğurma kayıpları L α R = α R1 + α R2 = αR=aynalardaki yansımalardan kaynaklanan kayıp 1 1 ln( ) 2 L R1 R2 α r = α s + α R1 + α R2 Ν Kazanç eğrisi kayıp e −2 αr L = R1 R2 e −2 α s L © 2008 HSarı ν 19 Lazer Şartı Nüfus terslemesi N2 > N1 (Pompalama) I = I o e +αz Osilasyon olabilmesi için kazancın kayıplardan daha büyük olması gerekmektedir I − I o ≥ δI 2αL << 1 e 2 αL − 1 ≥ δ 2α L ≥ δ Io N2 > N1 I = I o e αz kayıp © 2008 HSarı L 20 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 Rezonatör frekansları m=1 ν= ∆ν m=3 m=2 ν νm-1νm-1 νm νm+1 νm+2 L m= 2 L 2 Ln = λ λo © 2008 HSarı v c = 2 L 2 Ln m=1, 2, 3... λ = rezonatör ortamında dalgaboyu λo= boşluktaki dalgaboyu 21 Optik Rezonans Oyuğu (Optical Resonant Cavity) Ν EFn Kazanç eğrisi EC kayıp Eg EV EFp ν m=1 m=3 ν m=2 L Kazanç eğrisi kayıp © 2008 HSarı ν 22 Lazer %100 yansıtıcı ayna Kazanç ortamı % 98 yansıtıcı ayna Lazer ışığı N2 > N1 Basitleştirilmiş tipik bir lazer şeması © 2008 HSarı 23 Pompalama Lazer olayının gerçekleşmesi için gerekli olan 2. şart, yani N2 > N1 şartı, alt seviyedeki elektronları üst seviyeye uyararak gerçekleştirilir. Bu işleme nüfus terslenmesi (population inversion) denir. Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için N2 > N1 Uyarılmış geçiş oranı Soğurma oranı = B21N2ρ(hv) B12N1ρ(hv) = B21N2 B12N1 N2 > N1 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 (Ieşik) (threshold) N2 > N1 şartı sağlandığında lazer özelliği gösteren ışık elde edilmiş olur -V+ n+-GaAs optik güç I p+-GaAs Ef Ec Ev Ith © 2008 HSarı I d 24 Lazer Işığının Özelliği Işık: • • • • EFn EC Uyumlu (koherent) Tek renkli (monokromatik) Yönlü Kutuplu şiddet Lazer hνo = Eg LED EV EFp ν vo Tek renkli EC yönlü EV © 2008 HSarı Uyumlu (Koherent) 25 Lazer Işığının Özelliği-Modlar - Enlemesine (Transverse) mod - Boylamasına (Longitudinal) mod i (ω t − kz ) E ( x, y, z; t ) = Eo ( x, y )e Enlemesine mod Boylamasına mod TransverseElectroMagnetic wave-TEM(l,m,q) Enlemesine mod (indis) © 2008 HSarı Boylamasına Mod (frekans-Hz) 26 Boylamasına Mod - Boylamasına mod (ışığın elektrik alanının zaman içersindeki salınımı) E ( x, y, z; t ) = Eo ( x, y )ei (ωt − kz ) şiddet EFn EC EV EFp © 2008 HSarı hνo = Eg hv vo 27 Enlemesine Mod - Enlemesine mod (ışığın yayılma doğrultusuna dik düzlemdeki elektrik alan dağılımı) E ( x, y, z; t ) = Eo ( x, y )ei (ωt − kz ) TransverseElectroMagnetic (TEMl,m) Küresel ayna Küresel ayna x TEM0,0 TEM1,0 TEM0,1 TEM1,1 x y y z TEM0,0 TEM1,0 Gaussiyen Dağılım Hermite-Gaussiyen Dağılım (l,m) =>(0,0) © 2008 HSarı (l,m) =>(l,m) 28 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 Yarıiletken Lazerler Kesme doğrultuları (ayna oluşturmak için) V p p n n Ec Ef Ayna R=1 © 2008 HSarı Ev Ayna R=0,9 Ayna R=1 Ayna R=0,9 30 Yarıiletken Lazerler Aşırı katkılanmış yarıiletken eklemin ileri besleme durumunda elektronlarla deşikler aynı bölgede birleşmeye hazır duruma gelirler Böylece lazerin oluşması için gereken n2 > n1 şartı sağlanmış olur. şiddet şiddet şiddet Frekans Bant Aralığı hv wo Eşik değerin altındaki durum (Koherent olmayan ışıma) (a) hv Eşik değerin hemen altındaki durum (b) hv wo Eşik değerin üstünde lazer ışınımı (c) (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 n2>n1 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 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-Ieşik) • Optik sınırlamadan dolayı foton alanı ρ(hν) yüksek (yüksek verimlilik) p-AlGaAs GaAs n-AlGaAs n-GaAs Alttaş © 2008 HSarı E2C Eg(AlGaAs) d ≈ λd µm Aktif katman Eg(AlGaAs) şiddet E1C Eg(GaAs) ∆νhetero ∆νhomo E1V E2V d≈Å Aktif katman vo ν 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 p-AlGaAs p-GaAs < 1 µm V p-AlGaAs p-GaAs n-GaAs Alttaş n-GaAs Alttaş n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs Eg(AlGaAs)=2 Ef n-GaAs eV < 1 µm p-GaAs p-AlGaAs Ef Ef Ef Eg(GaAs)=1,4 eV (a) Sıfır beslenme durumu © 2008 HSarı Kullanılan geniş bant aralıklı AlGaAs sayesinde Elektronların tümüyle p-GaAs de kalması sağlanır (b) İleri beslenme durumu 33 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 n-AlGaAs p-GaAs p-AlGaAs < 1 µm n-GaAs Alttaş Eg(AlGaAs)=2 eV Ef Eg(AlGaAs)=2 eV © 2008 HSarı Eg(GaAs)=1,4 eV 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 tipik olarak eşik akım değerinde 10 kat azalma sağlanabilir n-GaAs Aktif Katman p-GaAs p-AlGaAs p-GaAs n-AlGaAs n-GaAs Alttaş n-AlGaAs p-GaAs p-AlGaAs E2C Eg(AlGaAs) Eg(AlGaAs) E1C d≈Å Eg(GaAs) E1V E2V d≈Å Aktif Katman GaAs © 2008 HSarı 35 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 Aktif Katman p-GaAs p-AlGaAs p-GaAs n-AlGaAs n-GaAs Alttaş n-AlGaAs p-GaAs p-AlGaAs E2C Eg(AlGaAs) Eg(AlGaAs) E1C d≈Å Eg(GaAs) E1V E2V d≈Å Aktif Katman GaAs © 2008 HSarı 36 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 dx dx n p y y dx ≠ dy © 2008 HSarı dy dy dx =dy 37 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) n-GaAs n-AlAs GaAs p-AlGaAs GaAs n-AlAs n-GaAs n-AlAs n+-GaAs © 2008 HSarı Enine Mod GaAs n-AlAs DBR-AlAs/GaAs GaAs DBR-AlAs/GaAs alttaş 38 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)Px Bant aralığı x ile doğrusal olarak değişir ve < x=0,45’e kadar direk bant aralığına sahiptir LED’ler için kullanılan en uygun GaAs0,6P0,4 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 Işık Dönüştürücüler Dedektörler Güneş Pilleri © 2008 HSarı 40 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 » » © 2008 HSarı Fotovoltaik Etki Güneş Pil Tasarımı 41 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 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 k (e qV / kT − 1) − I op V>0, I >0 +V -V + -V - gop ≠0 n p V>0, I <0 A V<0, I <0 çığ bölgesi © 2008 HSarı gop = 0 -I p-n, p-i-n, metal-yarıiletken dedektörler 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) 43 Fotodedektörler Vop (φ) Vo iç fotoelektrik etki (oluşen e-d çifti içeride kalır) R iop(φ) EC E p n λ Eg Φ (foton/s) λ φ EV p-n eklemi fotodiyot modunda (yüksek ters gerilim) çalıştırılır Ölçülecek (Girdi) E (eV ) = 1.24 λ ( µ m) Ölçülen (Çıktı) iop (φ ) (veya Vop (φ ) ) Optik akı (φ) (foton/s) © 2008 HSarı E Duyarlılık Tepki süresi Verimlilik Kazanç 44 Fotodedektörler Vo=0 p n E inet = idrift + idif = 0 E idif Ec Ef Ev idrift Lp Vo Vo E p d Ln E idif inet = 0 + idif = ikaranlık V φ=0 n Lp φ ≠0 Vo E p d Ln E Ec Ec Ef Ev © 2008 HSarı inet = idrift (φ ) + idif I ik n Tüketim bölgesinde elektron-deşik çiftinin oluşturulması esasına dayalı ışık algılayıcılarına Tüketim Bölgesi Işık Algılayıcıları (Depletion Layer Photodiode) olarak adlandırılır Ef Ev Φ (foton/s) idif idrift inet = idrift (φ ) + idif ik << iop (φ ) 45 İdeal Fotodedektör İdeal dedektör parametreleri nelerdir? iop (φ ) A Pop R Kazanç Tepki süresi Pop λ Duyarlılık(responsivity) iop iop(t) t (ns) t (ns) Optik sinyal © 2008 HSarı Vop (φ ) Dedektör Pop Dedektör akımı 46 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 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 © 2008 HSarı - Soğurma katsayısı α (λ) - Yüzey yansıması - Olasılık - Aktiv bölgede soğrulmayanlar - Yüzey etkiler 48 Kuantum Verimliliği Kuantum Verimliliği 0 ≤η ≤1 η = (1 − R)(1 − e −α d )ξ R=yansıtma katsayısı ξ=akıma katkı sağlayan elektron-deşik çifti oranı α=soğurma katsayısı hv Io R (1-R)Io (1 − R) I o E Io α d d iop I = I o (1 − R )(1 − e © 2008 HSarı −α d x (1 − R)(1 − e−α d ) I o I = I o (1 − R )(1 − e −α d ) ) x soğurma=1 d → ∞ 49 Duyarlılık (Responsivity) Dedektör devresinde oluşan akım (iop) ile dedektör üzerine düşen optik güç (P) arasındaki katsayı hν λ Φ (foton/s) P=hνφ (watt) R P Foton akısı Φ = (foton/s) hν Optik güç (Watt) P = hνΦ E iop Fotonların yarattığı elektron-deşik çiftlerinden kaynaklanan dedektör devresinde (dış devre) akım η eP i p = η eΦ = hν ηe ip = P = ξ P hν Dedektör Duyarlılığı i p = eφ Dedektör Duyarlılığı ( ξ ) ξ= 1.24 E (eV ) = λ ( µ m) © 2008 HSarı İdeal durum η=1 ξ= ip P = ηe λ =η hν 1.24 i p ( Amper ) P(Watt ) Ödev-1: Duyarlılık neden dalgaboyu 50 ile artar? Kazanç Kazanç (G), bir fotonun dedektör devresinde oluşturduğu toplam yük miktarı 1 foton 1 serbest yük değil de Q kadar yük oluşturursa Q G= e Kazanç Q>e Q<e Q = Ge 1 foton → 1 e-d çifti 1 foton → G e-d çifti Kazanç: G >> 1 (çığ ışıkdedektörler) G ≤ 1 (p-n fotodedektörler) Foton akısı P Φ= hν (foton/s) η eP i p = η eΦ = hν Kazanç cinsinden dış devrede dolanan akım © 2008 HSarı ηe i p = η QΦ = G (η eΦ ) = G P hν Dedektör Duyarlılığı ξ =G ip P 51 Tepki Süresi Dedektörlerde tepki süresi • Geçiş zamanı gecikmesi • RC zaman sabiti Geçiş zamanı gecikmesi RC zaman sabiti V R iop d i(t) E ++ - ++ - n R eklem+ + - n x 0 τe=(d-x)/ve τh=x/vh d vh τe = Ödev-2: © 2008Ramo HSarı teoremi nedir? d ve Geçiş zamanı gecikmesi ∆τ = Rpeklem i (t ) = io e−t /τ RC τ RC = RC t vh << ve p R Ceklem eklem x τh = R x vh Katkı atomlarını arttırarak Reklem direnci düşürülebilir ancak katkı atomlarının arttırmak tüketim bölgesini daraltır 52 Tepki Süresi difüzyon bölgesi hv sürüklenme bölgesi difüzyon bölgesi hv hv E n Lp p τdrift << τdif Ln d τhdif=Lp/vh τdrift=d/v τedif=Ln/ve Ln = elektron difüzyon uzunluğu Lp = deşik difüzyon uzunluğu Dedektörlerde tepki zamanı Iop © 2008 HSarı Iop t (ns) Dedektör t (ns) 53 Spektral Duyarlılık λ > Eg R p R E iop λ > Eg p E d n n iop Duyarlılık λ > Eg R p E n d ν Eg Frekans alt limit Frekans üst limit iop © 2008 HSarı λ ( µ m ) ≤ λg ( µ m ) = 1.24 Eg (eV ) 54 d Dedektörler-Tasarım P n n-p eklemli fotodiyot Tüketim bölgesi n ve p tarafında 1/ 2 2εVo 1 1 ( + ) d = q N N a d λ d P+ n n-p+ eklemli fotodiyot −α d e η = 1− (1 + α Lp ) © 2008 HSarı n:1016 cm-3 λ d Yüksek elektron devingenliği p:1019 cm-3 Tüketim bölgesi çoğunlukla n tarafında Yüksek elektron devingenliği-> yüksek hız µe >> µh e −α d i (φ ) = qφ A(1 − ) + ik (1 + α Lp ) 55 Dedektörler-Tasarım-2 P n 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 (vdif << vdrift) 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 n i p-i-n eklemli fotodiyot © 2008 HSarı λ p - Geniş tüketim bölgesi RC değerini azaltır (tepki süresi artar) - p-i-n diyotlar kuantum verimliliği ve tepki süresi için optimize edilebilir 56 d Dedektör Parametreleri Arasındaki İlişki Getirisi Geniş Tüketim Bölgesi Aşırı Katkılama Götürüsü Foton soğurması artar Tepki süresini arttırır - Seri direnci azaltır - Tepki süresini iyileştririr Tüketim bölgesini daraltır, azalan hacimden dolayı foton soğurması azalır Tepki süresi Kazanç Duyarlılık Frekans Tepkisi (frekans bantaralığı-BW) G-BW=sabit © 2008 HSarı 57 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 Minimum akım i ile maksimum optik güç Pop elde edilir © 2008 HSarı Yarıiletken Fotodedektörler Minimum optik güç Pop ile maksimum akım i elde edilir 58 Yarıiletken Dedektör Malzemeler 10.2 5.0 2.0 1.0 0.9 0.6 0.5 λg (µm) 2.4 Eg (eV) (In1-xGax)(As1-yPy) Bantiçi geçişli dedektörler (Süperörgü Dedektörler) InGaP λg ( µ m ) = 1.24 Eg (eV ) AlGaP AlGaAs InGaAs GaSb GaSbAs Ge 0.2 InSb: 0.18 eV © 2008 HSarı 0.4 0.6 0.8 Si 1.0 1.2 InAs 1.4 1.6 InP GaAs Kızılaltı 1.8 2.0 2.2 AlAs GaP Görünür Morötesi 59 Yarıiletken Dedektör Malzemeler Yasak Bant Aralığı (eV) Yasak Bant dalgaboyu λ (µm) Devingenlik (cm2/V-s) Dedektör Bölgesi InSb 0.18 eV 0.18 eV 105 Kızılaltı CdS 2.42 2.42 - Görünür Bölge Ge 0.67 0.67 Kızılaltı Si 1.12 1.12 x x GaAs 1.43 1.43 x x AlxGa1-xAs/GaAs x 0.7-0.87 Kızılaltı In0.53Ga0.47As/InP x 1.65 Yakın Kızılaltı HgxCd1-xTe/CdTe x 3.0-17.0 Kızılaltı Malzeme In1-xGaxAs1-yPy/InP xx 0.92-1.7 InAs © 2008 HSarı 60 Yarıiletken Dedektör Çeşitleri – – – – – – – © 2008 HSarı Fotoiletken Dedektörler p-n Fotodiyotlar p-i-n Fotodiyotlar Metal-Yarıiletken Fotodedektörler Çığ Fotodedektörler Dalga kılavuzlu Fotodedektörler Bant İçi Soğurmalı Fotodedektörler 61 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 σ) arttırır Dış devrede dolaşan akım (veya devreye seri bağlı direnç üzerindeki gerilim) foton akısına bağlı olarak değişir Vop (φ) R iop(φ) E ∆σ(φ) λ Φ (foton/s) © 2008 HSarı 62 Fotoiletken Dedektörler Birim hacim başına e-d çifti oluşma oranı (r) ∆n= fazlalık elektron yoğunluğu r =η φ Ad τ = Fazlalık taşıyıcıların birleşme ömrü (1/s) ∆n/τ = fazlalık elektronların azalma oranı Denge durumunda e-d oluşma ve birleşme oranları eşit olacaktır, elektron yoğunluğu (Kazanç η=1) Φ (foton/s) ητφ ∆ n = hv Ad R d iop(φ) E vh A ve yarıiletken ve = µe E vh = µ h E d τe = ve iletkenlikteki artış ∆σ = e d τh = vh © 2008 HSarı vh << ve Kazanç G≡ τ τe fototaşıyıcı ömrü elektron geçiş zamanı ητ Ad ( µe + µh )φ id = AJ = A( ∆σ E ) eητ id = (vh + ve )φ Ad elektron geçiş zamanı: τe σ = q (nµe + p µ h ) ∆σ = e∆n( µe + µh ) Akım id = eη τ φ τe id = eη Gφ 63 Fotoiletken Dedektörler Kazanç id = eη Gφ yarıiletken yalıtkan τ G= τe Fotoiletken dedektör yapısı Kazanç (τ < τ e ) (τ > τ e ) G ≤1 G ≥1 ve=107 cm/s τe=10-8 s τ=10-13 s Tipik Kazanç G=104 - 105 < 106 Duyarlılık Spektral Duyarlılık 1.24 λ ( µ m ) ≤ λg ( µ m) = Eg (eV ) © 2008 HSarı ν Eg 64 p-n FotoDedektörler p-n ekleminin I-V grafiğinin III. bölgesinde akım (düşük gerilim değerlerinde) gerilimden bağımsız, fakat akım, ışık şiddeti ile orantılıdır Vop (φ) i (φ ) = ik (e qV / kT − 1) − iop (φ ) R iop(φ) E n λ p gop=0 g1 g2 g3 I -V V g3>g2>g1 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 p-n FotoDedektörler difüzyon bölgesi hv sürüklenme bölgesi difüzyon bölgesi hv hv E n Lp d τhdif=Lp/vh τdrift=d/v p τdrift << τdif Ln τedif=Ln/ve 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 p-i-n Fotodedektörler p-n yapı arasına katkılanmamış bir katman konarak tüketim bölgesinin genişliği kontrollü olarak genişletilir. Vop (φ) iop(φ) R λ n i E φ i-bölgesi (saf bölge, intrinsic): katkılanmamış bölge (veya çok az katkılı) p 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 Schottky Engelli FotoDedektörler Malzeme Yarıiletken (n-tipi) metal boşluk Bant Yapısı χ ΦSw Φw EC EF EF EV n- veya p-tipi yarıiletken üzerine metal Metal-Yarıiletken (Schottky)Yapı metal Φw-χ yarıiletken EC EF EV © 2008 HSarı 68 Schottky Engelli FotoDedektörler Çok ince (optik geçirgen) metal-n-tipi (veya p-tipi) yarıiletken tüketim bölgesi Φw-χ EC EF EV Üstünlükleri metal yarıiletken • 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 ≥ Φw-χ © 2008 HSarı 69 Dalga Klavuzu Fotodedektörler Normal dedektörde ışık p-n eklemine dik doğrultuda gelir. L λ R R p p+ λ d E d n n iop e −α d ) + ik i (φ ) = qφ A(1 − (1 + α Lp ) e −α d η = 1− (1 + α Lp ) 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 ≤ 1 © 2008 HSarı 70 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 I gop = 0 gop ≠0 Çığ fotodedektör yapısı ik -V +V ikçığ iop V iopçığ n ik= Karanlık akım i p -I iop= Işık olduğu durumdaki akım Ödev-3: Ne zaman Zener ne zaman çığ © 2008 HSarı etkisi? 71 Çığ Işıkalgılayıcılar (Avalance Photodedectors) V n e d R i p E n ”impact ionization” p αh: birim uzunluk başına deşik iyonizasyon olasılığı αe: birim uzunluk başına elektron iyonizasyon olasılığı d 1/αe: çarpışmalar arası ortalama uzaklık Ε Çığ fotodedektörler n © 2008 HSarı i p x κ= αh αe İle karakterize edilirler κ =0 Çığ etkisi elektronlarla κ =∞ Çığ etkisi deşiklerle 72 Çığ Işıkdedektörleri Çığ etkisinin hem elektronlarla hem de deşiklerle bir arada oluşturulması İSTENMEZ: - 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 EC Eg R EV V=0 ∆EC=Eg n+ p Çığ bölgesi © 2008 HSarı i p+ p+ Soğurma bölgesi n+ V≠0 73 Çığ Işıkdedektörleri Kazanç io(d) io(0) d di ( x) = α ei ( x)dx i ( x) = io eαe x Tek bir taşıyıcı (örneğin elektron) kazanç (G) Her iki taşıyıcı olduğu durumda kazanç (G) αed G=e κ =1 ⇒ G = κ =1 ⇒ G = © 2008 HSarı 1− κ e − (1−κ )αe d − k κ= αh αe 1 1 − αed 74 Heteroyapılı Fotodedektörler © 2008 HSarı 75 Heteroyapılı p-n Fotodedektörler Epitaksiyel büyütme ile yüzey durumları azaltılır λ=1.55 mµ Soğurma yok (pencere) n+-InP Eg=1.35 eV n-InP Soğrulma bölgesi n--In0.53Ga0.47As Eg=0.75 eV p+-InP © 2008 HSarı 76 Heteroyapılı Çığ Fotodedektörler In0.53Ga0.47As, InP alttaş üzerine sorunsuz olarak büyütülebilir λ=1.55 mµ Soğurma yok (pencere) p+-InP Çığ bölgesi n-InP Soğrulma bölgesi © 2008 HSarı n--In0.53Ga0.47As Eg=1.35 eV Eg=0.75 eV 77 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 EC fotoakım E2 ( E2C − E1C ) ν= h Üstünlükleri - Uzun dalga boylarını algılama - Yüksek tepki süresi E1 λ=10.3 µm değerlik bandı anlaşılırlık için gösterilmemiştir! … 70 Å GaAs n:1018 cm-3 140 Å Al0.36Ga0.64As R=2 A/W @ 9V besleme 70 Å 140 Å 50 çift GaAlAs GaAs GaAlAs GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs GaAs © 2008 HSarı GaAlAs … Olumsuzlukları -Karanlık akım büyük (tünelleme ile geçen E1->E2 elektronlar) 78 Katmanlı FotoDiyotlar InAs GaAlAs GaAs n p GaAs Farklı bant aralığına sahip yarıiletkenler uygun şekilde biraraya getirilerek spektral tepkisi arttırılabilir EC EC EV EV Çok katmanlı p-n dedektör Tek katmanlı p-n dedektör duyarlılık Üstünlükleri -Geniş frekans bantaralığı (BW) -Yüksek verimlilik BWhomo Olumsuzlukları - Üretimi pahalı BWhetero AlGaAs/GaAs/InAs GaAs © 2008 HSarı λ 79 Güneş Pilleri © 2008 HSarı 80 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. I V>0, I >0 gop =0 gop ≠0 V<0, I <0 +V -V IV. Bölge (V>0, I <0 ): Güneş Pilleri V>0, I <0 -I - + n p A © 2008 HSarı 81 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 Iop>0 - Ig n Vg E p + Fotovoltik (PV) etki Vg V iop=0 Ig iop>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 cm3’lik alan için 10-100 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 Güneş Pilleri-2 Güneş pillerinin verimliliği: (oluşturulan e-h sayısı) / (gelen foton sayısı) Iop=0 I Iop>0 Vm + V Im Isc Isc Voc n p Voc Voc= Açık devre gerilimi Isc= Kısa devre akımı p-n ekleminin yüzey alanına eklemlerin direncine bağlı Vm © 2008 HSarı + n p Yarıiletken malzemenin bant aralığına ve katkılanmaya bağlı - Im + n p Vm= Eklem üzerinde oluşan maksimum gerilimi Im= Devrede dolaşan maksimum akım Dolum Faktörü (Fill Factor) FF = I mVm I scVoc 83 Güneş Pilleri-Tasarım Güneş Pili Tasarımı a) Gelen güneş ışığının en etkin şekilde elektrik enerjisine (elektron-deşik çiftine) çevirebilme özelliği (hv ≥Eg) b) Optik güçten maksimum derecede faydalanmak için güneş pilinin geniş yüzeye sahip eklem alanı olmalıdır c) Oluşacak elektron-deşik çiftlerinin eklem bölgesine ulaşması maksimum olacak şekilde ayarlanmalıdır (d <Lp) c) b) a) A hv > Eg Eg d < Lp n p © 2008 HSarı n E p 84 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 d) e, f) hv > Eg hv > Eg Yansıtma önleyici kaplama Metal kontak n E n p p © 2008 HSarı d Üstten görünüş 85 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 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) Teorik verim (%) Pratik verim (%) Bant aralığı (eV) Silisyum (kristal) 23 14-17 1.12 Silisyum (poli-kristal) 18 13-15 1.12 Silisyum (amorf) 13 5-7 1.70 GaAs 26 - 1.43 CdTe 12 - 1.44 CuInSe2-(CIS) (Bakır indiyumdiSelenide) 14 - 1.00 Cu2O (Bakır-2 oksit) 18 1.76 2.10 Malzeme © 2008 HSarı 87 Işık İleticiler: Optik Fiberler Yarıiletken Dalga Kılavuzları © 2008 HSarı 88 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 n2 n2 n1 n2 n2 n1 > n2 n1 n1 > n2 © 2008 HSarı Yarıiletken Dalga Klavuzları n1 n1 > n2 Fiber Optik Dalga Klavuzları 89 Optik Dalga Kılavuzları Dalga kılavuzları, kırılma indisi büyük olan bir katmanın kırılma indisi daha küçük bir katman ile kaplanarak oluşturulur 1 2 n1 n2 3 2 θc θ θ > θc © 2008 HSarı 1 Tam iç yansıma θ > θc 3 1 1 3 n2 > n1 n1 n2 n1 θ < θc 90 Optik Dalga Kılavuzları-Modlar Mod: Kutuplanma doğrultusu ve enlemesine alanı (E, H) dalga kılavuzu ekseni boyunca (z) değişmeyen ışığın uzaysal dağılımı x z B x y n2 > n1 n1 d Eoy n2 θ C faz AC − faz AB − 2π = 2πq k z z k n1 y-doğrultusunda kutuplu TEM dalga © 2008 HSarı −θ k θ θ A q=0, 1, 2, 3..... 2π 2π AC − AB − 2π = 2πq λ λ 2π ( AC − AB) = 2π(q + 1) = 2πm λ m=(q+1)=1,2,3... 91 Optik Dalga Kılavuzları-Modlar B 2π ( AC − AB) = 2π(q + 1) = 2πm λ A −θ d θ B C AC − AB = 2d sin θ 2π 2d sin θ = m 2π λ sin θm = m λ 2d m=(q+1)=1,2,3... Her m, farklı bir geliş açısına (θm) karşı gelmektedir. m’in karşı geldiği alanın uzaysal dağılımına m. mod denir β = k z = k cos θ k+x θ d k−x © 2008 HSarı β=Yayılma sabiti k+θ km = m kz=β k−θ π d m 2 π2 β =k − 2 d 2 m 2 92 Dalga Kılavuzları-Modlar-Genel Durum x y z E ( r , t ) = E ( r ) e iωt d n1 n2 n1 2 2 n ( r ) ∂ E (r , t ) ∇ 2 E (r , t ) = 2 2 c ∂t Düzlem dalga çözümleri Zaman ve uzaysal bileşenler ayrılırsa z-eksenini boyunca ilerleyen Uzaysal dağılım © 2008 HSarı E ( r , t ) = E ( r ) e iω t ∇ 2 E (r ) + k 2 n 2 (r ) E (r ) = 0 E (r ) = E ( x, y )e − iβz β= yayılma sabiti ∂ 2 E ( x, y ) ∂ 2 E ( x, y ) + + k 2 n 2 ( r ) − β 2 E ( x, y ) = 0 2 2 ∂x ∂y [ k=ω/c ] 93 Yarıiletken Dalga Kılavuzları-2 2 Işığı kılavuzlanması için ∂ E ( x, y ) + k 2 n12 − β 2 E ( x, y ) = 0 β > kn1 2 ∂x ∂ 2 E ( x, y ) d << y + k 2 n22 − β 2 E ( x, y ) = 0 2. bölge β < kn2 2 ∂x ∂ 2 E ( x, y ) 3. bölge + [k 2 n32 − β 2 ]E ( x, y ) = 0 β > kn3 2 ∂x (k2n2-β2) ifadesinin işaretine bağlı olarak çözümler periyodik veya üsteldir 1. bölge [ ] [ ] Işığı oluşturan elektro manyetik dalganın uzaysal dağılımı kn1 kn3 kn2 β n1 n2 x y TE1 TEo n3 z x TEM1,0 x TEM0,0 y © 2008 HSarı y 94 Optik Dalga Kılavuzları-Modlar x km = m β1 β2 TEM1,1 π d y n2 n1 n2 β3 x TEM0,0 y x TEM1,0 y m 2 π2 β =k − 2 d 2 m © 2008 HSarı 2 95 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 n2 n1 SiO2 SiO2:Ge İç katman (core) koruyucu dış katman (cladding) Dış katman (cladding) n1 > n2 n1>n2 İç katman (core) n1 n2 SiO2 Dış katman (cladding) Dış katman (cladding): silisyum SiO2 İç bölge (core): germanyum katkılanmış silisyum (SiO2:Ge) Işığın şiddetindeki azalma (soğrulması) bütün dalgaboyları için aynı değildir Bu sebepten dalga klavuzunun hangi dalgaboyu için kullanılacağı önemlidir © 2008 HSarı 96 Optik Fiberler-Kayıplar Po P P( x) = Po e −αx dB= - 10log(P/Po) α =− 10 log( P / Po ) dB = x x α (dBkm-1) 10 0,1 0,01 © 2008 HSarı Kızılötesi soğurma Rayleigh saçılması 0,8 1,0 Kayıp (attanuation) katsayısı λ (µm) 1,2 1,4 1,6 1,3 1,55 97 Yarıiletken Dalga Kılavuzları-1 • Büyük kırılma indisli yarıiletken bir malzeme (n2) 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 n1 n2 n3 E ( r , t ) = E ( r ) e iωt d n1=n3 simetrik dalga kılavuzu n1 ≠ n3 simetrik olmayan dalga kılavuzu n 2 (r ) ∂ 2 E ( r , t ) ∇ E (r , t ) = 2 2 c ∂t 2 © 2008 HSarı 98 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 n1, n2 ve n3 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), n1, n2 ve n3 değerlerini belli bir uygulama için x sabitlendiği için bu dalga kılavuzunun iletebildiği modlar bu sabitlere bağlıdır TEM1,1 y x x TEM0,0 m=2 y z d y E ( r , t ) = E ( r ) e iωt n1 n2 n3 2 ∆n = n2 − n3 ≥ x TEM1,0 m=1 y m=0 x TEM0,0 y 2 o (2m + 1) λ 32n2 d 2 Burada m=0, 1, 2, … mod sayısı, λo ise yayılan ışığın boşluktaki dalgaboyu GaAs da n2=3,6 ve kalınlığı dalgaboyu mertebesinde olduğu durumda 10-2 lik indis © Örneğin 2008 HSarı farkı TEo modunun yayılmasına yetecektir 99 Optoelektronik Modülatörler Modülasyon-Genel Kavramlar Elektro-Optik Modülatörler Optoelektronik Modülatörler Yarıkararlı Optoelektronik Devre Elemanları © 2008 HSarı 100 Işığın Modülasyonu © 2008 HSarı 101 Optoelektronik Modülatörler • Temel Modülatör Kavramları • • Elektro-optik modülatörler • Akusto-Optik modülatörler • • • © 2008 HSarı LED ışık modülatörler Raman-Nath Tipi Modülatörler Bragg Tipi Modülatörler Mağneto-Optik Modülatörler 102 Işık Modülatörleri Temel modülasyon kavramları • Modülasyon Derinliği η= Io=Modülasyon gerilimi uygulanmadan önceki geçirgenlik Io − I Io I=Modülasyon gerilimi uygulandığı durumda geçirgenlik • Bant Aralığı Modülasyon yapılacak sinyalin frekans aralığı • Kayıplar Li = 10 log( It ) Io • Güç Tüketimi • Yalıtım © 2008 HSarı 103 Işık Modülatörleri Işık Modülasyon Türü • Faz Modülasyonu • Kutuplanma Modülasyonu • Şiddet Modülasyonu © 2008 HSarı 104 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 Iışık - p + n +V -V A V EC hν=EC-EV -I EV © 2008 HSarı 105 Optoelektronik Modülatörler (a) Ayrık p ve n tipi yarıiletkenler ve enerji seviyeleri n (b) Sıfır gerilim altında p-n eklemi p n p Ec EF EC Ef Ev EV EF (c) İleri besleme durumu hv = Eg n V p Ec © 2008 HSarı Ev 106 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 n Bilgi Sinyali V(t) I(V) V Iop(t) Modüle edilmiş ışık p V(t) Bilgi Sinyali © 2008 HSarı 107 Optoelektronik Modülatörler-LED • Modülasyon Türü Genlik Modülasyonu (Işığın frekansı ve kutupluluğu değiştirilmiyor) Iopt I - Io p + n A +V -V V1 V V2 Modülasyon derinliği -I η LED = Io − I Io • Bant Aralığı Bilgi sinyalinin değişim sıklığı © 2008 HSarı 108 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 Elektro-Optik Etki Elektro-Optik etki: Pockel ve Kerr Etkisi Uygulanan dış elektrik alanın bir fonksiyonu olarak kırılma indisindeki değişme ∆( V 1 2 ) = rE + PE n2 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” PE2 ile ilgili değişime (karesel terimden) ise “Kerr Etkisi” olarak isimlendirilir © 2008 HSarı 110 Elektro-Optik Etki-Pockel Etkisi ∆( 1 ∆n ) = − 2 = r63 E n2 n3 Eğer KDP’ye elektrik alan z-ekseni boyunca uygulanırsa x- ve y- eksenleri 45o lik dönme ile yeni x’ ve y’ eksenleri halini alır ve kırılma indisleri bu yeni yönler için no3 nx' = no + r63 Ez 2 no3 n y' = no − r63 Ez 2 d Doğrusal Kutuplanmış ışık E y’ φ z x' Gelen ışık © 2008 HSarı Geçen ışık V V≠ 0, E ≠ 0 111 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 90o konumlandırılmış iki doğrusal kutuplayıcı arasına yerleştirilir • Bu konfigurasyona sahip modülatörlerde şiddet modülasyonu yapılabilmektedir (modülatörü geçen ışık (I) şiddetinin modülatöre gelen ışık şidetine (Io) oranı bilgi sinyaline bağlı olarak değişmektedir) d Gelen ışık Doğrusal Kutuplanmış ışık E Dairesel Kutuplanmış ışık y Geçen ışık φ x Dedektör V © 2008 HSarı 112 Pockels Elektro-Optik Modülatör-2 E d Gelen ışık Doğrusal Kutuplanmış ışık x Dairesel Kutuplanmış ışık y E φ z Geçen ışık x y Io I Dedektör V Dedektöre ulaşan ışık şiddeti ϕ = k (∆n)d rno3 ∆n = E 2 I = T ∝ E y E *y 2π rno3 I = I o sin (ϕ ) = I o sin ( ∆n.d ) = I o sin ( ( E ).d ) λ λ 2 2 2 2π 2 2π rno3 V 2 π I = I o sin ( )d = I o sin rno3V λ λ 2 d 2 © 2008 HSarı 113 Pockels Elektro-Optik Modülatör-3 E Doğrusal Kutuplanmış ışık Dairesel Kutuplanmış ışık => y E φ Geçen ışık x Gelen ışık Dedektör 0 V π I = sin 2 ( rno3V ) λ Io I π V = sin 2 ( ) Io 2 Vπ Vπ ≡ λ 3 o 2rn yarım dalga gerilimi Vπ, Geçen ışığın şiddetinin gelen ışığın şiddetine eşit olduğu (I=Io) olduğu maksimum geçirme için gerekli gerilimdir. Vπ , π’lik bir faz farkına eşdeğerdir. Bu gerilime aynı zamanda yarım dalga gerilimi de denir. © 2008 HSarı 114 Pockels Elektro-Optik Modülatör-4 Tipik bir elektro-optik modülatörde çalışma gerilimi doğrusal bölgede olmalıdır Geçirme (%) Modülasyon derinliği 100 V Vπ/2 Vπ 3Vπ/2 I π V = sin 2 ( ) Io 2 Vπ Örnek: Yarım Dalga Gerilimi: 1,06 µ m dalga boyunda KDP için yarım dalga gerilimini 1,06 x10 −6 Vπ = = = 14,5kV 3 −12 3 2rno 2.(10,6).(10 ).(1,51) λ © 2008 HSarı 115 Pockels Elektro-Optik Modülatör-4 Geçirme (%) 100 I π V (t ) = sin 2 ( ) Io 2 Vπ V Vπ Modüle edilen gerilim V(t) © 2008 HSarı 116 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 2 10 7 Pa 2 ρv a2 A Burada n, gerilmenin olmadığı durumdaki kırılma indisi, p uygun fotoelastik tensör elemanı, Pa watt olarak toplam akustik güç, ρ kütle yoğunluğu, va ise ses hızı, A dalganın geçtiği bölge için tesir kesit alanı n ∆n Piezo-elektrik transducer l a © 2008 HSarı A=l.a 117 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 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 Io akustik dalganın yokluğundaki geçen ışık şiddetini. Böylece akustik dalganın •genlik değişimleri optik demetin ışıma şiddeti değişimlerine dönüşür l Λ x 1. derece z 0. derece y -1. derece © 2008 HSarı Gelen ışık dalgası Piezo-elektrik transducer 119 Raman-Nath Türü Akusto-Optik Modülatörler-2 l Λ x 1. derece z 0. derece y -1. derece Gelen ışık dalgası ∆ϕ = Piezoelektrik transducer ∆n 2πl λo sin( 2πx ) Λ Burada ∆n, ses dalgalarından dolayı kırılma indisindeki değişim, l etkileşme uzunluğu, Λ, ses dalgasının dalgaboyu, x ise ışığın geliş ekseninden olan uzaklıktır. ∆ϕ = 2π λ M 2107 Pa l 2π x sin( ) 2a Λ n6 p 2 M2 ≡ ρ va3 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 Raman-Nath Türü Akusto-Optik Modülatörler-3 Birden çok kırınımın olmasını önlemek için etkileşme uzunluğunun (l) küçük olması gerekir l << Kırınım şartı Modülasyon derinliği © 2008 HSarı λ m = 0, ±1, ±2,.. mλo = Λ sin(θ m ) ∆ϕ = Işık şiddetinin oranı Burada Λ, ses dalgasının dalgaboyu, λ ise ışığın madde içindeki dalgaboyu Λ2 2π λ M 2107 Pa l 2π x sin( ) 2a Λ J ( ∆ϕ ' ) 2 m , m >0 I = 2 Io 2 ' ϕ J ( ∆ ) o ,m = 0 η RN = Burada ' ∆ϕ = [ I o − I (m = 0)] = 1 − J Io ' o (∆ϕ ) 2π / ∆n λo M 2107 Pa l 2a 2 121 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 λ θΒ 0. derece Gelen ışık Λ Bragg Koşulu sinθΒ=λ/2Λ 1. derece Piezo-elektrik transducer Bragg Türü modülatörde, ışığın madde ile ses dalgaları ile etkileşip kırınıma uğraması için etkileşme uzunluğunun büyük olması gerekir © 2008 HSarı l >>Λ2/λ 122 Bragg Türü Akusto-Optik Modülatörler-2 l Λ λ Gelen ışık dalgası θΒ 0. derece 2θB Λ 1. derece Bragg Koşulu sinθΒ=λ/2Λ Piezo-elektrik transducer Geliş açısı Bragg açısına eşit olmalıdır λ = 2Λ sin(θ B ) Bragg tipi akusto-optik modülatörde kırınıma uğrayan ışığın (I) kırınıma uğramadan geçen ışığın (Io) şiddetine oranı Io − I ∆ϕ = sin 2 ( ) Io 2 © 2008 HSarı Modülasyon derinliği şeklindedir π 107 M P (Io − I ) 2 2 a = sin ( ) ηB = Io 2a λo 123 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 © 2008 HSarı Madde V(q(dakika)Oe-1cm-1) Elmas 0,012 NaCl 0,036 Cam 0,015-0,050 124 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 x z x- yönünde doğrusal kutuplanmış ışık E Kutuplanmış ışık θ φ Geçen ışık Dedektör H y Gelen ışık Manyeto-optik madde Manyetik Alan (H) I © 2008 HSarı 125 Manyeto-Optik Modülatörler-2 x z x- yönünde doğrusal kutuplanmış ışık E Kutuplanmış ışık θ φ Geçen ışık Dedektör H y Gelen ışık Manyeto-optik madde Manyetik Alan (H) I ∆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 Dalga Klavuzlu Elektro-Optik Modülatörler Genlik Modülatörü: 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 ∆n23 = ∆ncomp + ∆nCCR = 1 λo 2 ( ) 32n2 d Elektrik alan uygulandığında dalga kılavuz katmanı ile alttaş arasında küçük bir indeks farklılığına yol açar x -V y E z d n1 n2 Alttaş Ga(1-a)AlaAs <100> © 2008 HSarı n3 L Dalga Kılavuzu Ga(1-b)AlbAs b<a 127 Dalga Klavuzlu Elektro-Optik Modülatörler Birçok elektro-optik modülatörler dalga klavuzu şeklinde oluşturulabilir Dalga klavuzları faz modülatörü veya genlik modülatörü şeklinde tasarlanabilir x -V y E z n1 n2 d Alttaş Ga(1-a)AlaAs <100> n3 Dalga Klavuzu Ga(1-b)AlbAs b<a L Faz Modülatörü: ∆n23 = n2 − n3 = ∆ncomp + ∆nCCR + ∆nEO Toplam indeks değişimi 1 λo 2 9 λo 2 ( ) < ∆ncomp + ∆nCCR < ( ) 32n2 d 32n2 d m=0 mod için Alttaşın <100> yönelimi için © 2008 HSarı ∆nEO = n23r41 ∆β (∆βλo ) ∆n = = k 2π V d ∆ϕ EO = ∆β L = ∆ncomp: Komp. dolayı indeks farklılığı ∆nCCR: Yük fark. dolayı indeks farklılığı ∆nEO: Elektro-optik etkiden dolayı indeks farklılığı π 3 VL nr λo 2 41 d 128 Optoelektronik Anahtarlar ve Yarıkararlı Devre Elemanları © 2008 HSarı 129 SEED Eksiton soğurması ilkesine dayanılarak yapılan optoelektronik modülatöre en iyi örnek SEED (Self Electro-optic Effect Devices) olarak bilinen ve eksiton soğurmasına dayanan modülatörlerdir Soğurma katsayısı (α) V=0 V R p V=6 V V=10 V V i Kuantum Çukuru n 1,42 Foton enerjisi (eV) 1,5 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 Kaynaklar: 1) Solid State Electronics Devices, B. G. Streetmann, Prentice Hall, 1995 2) The Physics of Semiconductors with applications to Optoelectronic Devices Kevin F. Brennan, Cambridge University Press, 1999 3) R. G. Hunsperger, Integrated Optics: Theory and Technology, 3rd Edition, Springer Series in Optical Science, Springer-Verlag, 1991 4) http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html Yarıiletken Malzemeler 5) Vakum Tekniği, Ç. Tarımcı, H. Sarı, Seçkin yayınevi 2007 © 2008 HSarı 131
