Yarıiletken Optoelektronik Devre Elemanları HSarı 1

Yarıiletken Optoelektronik Devre

Elemanları

Optoelektronik Devre Elemanları

• p-n Eklemlerinin Optoelektronik Uygulamaları

• Işık Üreteçler

» Işık Yayan Diyotlar (LED)

» Lazerler

• Işık Dönüştürücüler

» Işık Dedektörleri

» Güneş Pilleri

• Işık İleticiler: Dalga Kılavuzları

» Optik Fiberler

» Yarıiletken Dalga Kılavuzları

• Işık Modülatörleri

I_k=karanlık akım

( ) _k ( ^{qV kT} 1) I V = I e −

Yarıiletken Eklemler: I-V Eğrileri

( ^{p n} )

k n p

p n

D D

I qA p n

L L

= +

V

n p I

V I

I_k

n p

n p

Aydınlatma Yok

V_o

E_F V-V_o

E_F

n p

V+V_o E_F

n p

V_b+V_o E_F

V_b=Kırılma gerilimi çığ bölgesi

V_b

Işık Altında p-n Eklemi

p-n eklemi hv > E_g enerjili düzgün bir ışıkla aydınlatılırsa (g_op) eklemin tüketim bölgesinde elektron ve deşik çiftleri oluşur.

g_op= optik güç (EHP/cm³-s)

(

1)

k p

I = I e

− − I

L_p = deşik difüzyon uzunluğu L_n = elektron difüzyon uzunluğu

(

1) I = I e

−

A

d

n E

L_n L_p

V I

g_op⁼0 g₁ g₂

g₃

g₃ > g₂ > g₁ > g_op=0

( )

op op n p

I = qAg d + L + L

E = yapısal elektrik alan p g_op

g_op= 0

Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamaları

Yarıiletkenlerin optoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yapılarak mümkündür I. Bölge (V>0, I >0 ): LED ve Lazerler

III. Bölge (V<0, I <0 ): Dedektörler

Akım gerilimden bağımsız, optik şiddet ile orantılı

IV. Bölge (V>0, I <0 ): Güneş Pilleri +V

I

V>0, I >0 -V

-I

V>0, I <0 V<0, I <0

n p

V

A

- +

A -

+ n

p

-V

+

- n

p

g_op ≠0

© 2008 HSarı 6

Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamaları

Yarıiletkenlerin optoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yapılarak mümkündür

• Eklemlerde kullanılan malzemenin bant yapısı-direk-indirek (ışık algılayıcı-ışık yayıcı)

• Malzemenin yasak bant aralığı (yayılan veya algılanan ışığın frekansı)

• Katkılama oranı (tüketim bölgesinin genişliği-d)

• Boyut kuantalanması (verimli optoelektronik devre elemanları)

+V I

V>0, I >0 -V

-I

V>0, I <0 V<0, I <0

p n d

•Direk bant aralığı

•Aşırı katkılama

• Geniş eklem yüzeyi

• Bant aralığı

• katkılama

Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar

LED

LAZER

Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar

Bu amaç için:

• Direk bant aralığına

• Aşırı katkılanmış n ve p tipi eklemler kullanılmalıdır

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

n p

V

A

- +

+V I

V>0, I >0

-V

-I

Elektron ve deşikleri en düşük gerilimle ve en verimli şekilde birleştirecek tasarım

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

+V I

V>0, I >0

-V

-I

- Kuantum Verimlilik - Eşik Akım

- Frekans Bantgenişliği

© 2008 HSarı 10

Işık Yayan Diyotlar (LED)

Aşırı katkılanmış n⁺ ve p⁺ tipi eklemlerde Fermi enerji seviyesi bant aralığından ziyade bant içinde bulunur Tüketim bölgesinin genişliği katkılanmanın yoğunluğuna bağlıdır.

E_C

E_F E_V

n⁺-GaAs p⁺-GaAs

hv = E_g

V p

n

E_c E_v (c) İleri besleme durumu

E -E < hv < E ⁿ-E ^p E_V

E_C

E_F^p E_Fⁿ

hv = E_g

(d) Oluşacak olan ışığın frekans aralığı (a) Ayrık n ve p tipi yarıiletkenler ve enerji seviyeleri

E_F

2 1 1 1/ 2

( )

o

a d

d V

q N N

 ε 

=  + 

 

E_c E_v E_f

n⁺-GaAs p⁺-GaAs (b) Sıfır gerilim altında p-n eklemi

d

© 2008 HSarı 11

LED Işığının Özelliği

hν şiddet

Eşik değerin altındaki durum (uyumsuz (koherent olmayan) ışıma)

Frekans Bant Aralığı

v_o E_C-E_V < hν < E_Fⁿ-E_F^p

E_V E_C

E_F^p E_Fⁿ

hν = E_g

Işık:

• Uyumlu (koherent) değildir

• Tek renkli (monokromatik) değildir

• Yönlü değildir

E_V E_C

∆ν

Faz yüzeyleri yön

Lazerler-Genel Kavramlar

LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

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

E₁

hv=E₂-E₁

∆E=E₂-E₁

Türkçesi LAZER

Soğurma

(absorption)

B

N

ρ(hv) N

N

B

Optik Geçişler

Uyarılmış Geçiş (Işıma)

(stimulated emission)

B

N

ρ(hv)

N

N

B

τ_u ≈ 10^-8 s << τ_k

Kendiliğinden Geçiş (Işıma)

(spontaneous emission)

A

N

N

N

A

N

> N

kendiliğinden geçiş τ_k

Lazer Ortamı

Kazanç ortamı z

I = I e

Kayıplı ortam z

I = I e

N₂ < N₁

I

I

Lazerler-Genel Kavramlar

Foton alanı durumunda Uyarılmış geçiş oranı B₂₁N₂ρ(hv) B₂₁

Kendiliğinden geçiş oranı = A₂₁N₂ = A₂₁ρ(hv)

Uyarılmış geçiş oranı B₂₁N₂ρ(hv) B₂₁N₂ Soğurma oranı =B N ρ(hv) B= N Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için N₂ > N₁

...1

...2 E₂

E₁ N₂

N₁

B₂₁N₂ρ(hv) A₂₁N₂ ρ(hv)

B₁₂N₁ρ(hv)

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

© 2008 HSarı 16

Lazerler-Genel Kavramlar

B₁₂, A₂₁, B₂₁ : Einstein katsayıları

Isıl dengede durumunda ve siyah cisim ışıma denklemini kullanarak

12 21

3 21

3 21

8

B B

A h

B c

=

= π ν

Ödev: Einstein katsayılarının

olduğunu gösteriniz

3 21

3 3

21

8 8

A h h

B c

π ν π

= =

λ

12 21

B = B

B₂₁N₂ ρ(hv) = Uyarılmış geçiş oranı B₁₂N₁ρ(hv) = Soğurma oranı

A₂₁N₂ = Kendiliğinden geçiş oranı Denge durumunda

B₁₂N₁ρ(hv)=A₂₁N₂ + B₂₁N₂ρ(hv)

Lazerler-Genel Kavramlar

Lazer olayı için A₂₁/B₂₁oranını 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

3 21

3 3

21

8 8

A h h

B c

π ν π

= =

λ

Spektral Dağılım (Lineshape)

E_C

E_V

g o

E ν = h

Kazanç eğrisi

ν Ν

ν_ο

ν_ο±∆ν E_g

ν_ο+∆ν ν_ο-∆ν

∆ν

E_C-E_V < hv < E_Fⁿ-E_F^p

E_F^p E_Fⁿ

Kayıplar

R₁

L

α_r=toplam kayıp katsayısı (birim uzunluk başına) R₂

2 2

1 2 ^s

rL L

e

= R R e

α_r=saçılma ve soğurma kayıpları

1 2

r s R R

α = α + α + α

1 2

1 2

1 1

ln( )

R R R

2

L R R α = α + α =

α_R=aynalardaki yansımalardan kaynaklanan kayıp

Kazanç eğrisi

ν Ν

kayıp

© 2008 HSarı 20

Lazer Şartı

Nüfus terslemesi N₂ > N₁ (Pompalama) z

I = I e

I − I

≥ δ I

2 ^L

1

e

− ≥ δ

z

I = I e

I

L

Osilasyon olabilmesi için kazancın kayıplardan daha büyük olması gerekmektedir

2 α << L 1

2 L α ≥ δ

kayıp

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.

2 2

o

L Ln m = =

λ λ

∆ν Rezonatör frekansları

ν ν_m

L m=1

m=3 m=2 L

λ = rezonatör ortamında dalgaboyu λ_o= boşluktaki dalgaboyu

2 2

v c

L Ln ν = =

ν_m+1 ν_m+2 ν_m-1

ν_m-1

m=1, 2, 3...

© 2008 HSarı 22

Optik Rezonans Oyuğu (Optical Resonant Cavity)

m=1

m=3 m=2 L

Kazanç eğrisi

ν Ν

kayıp

ν E_C

E_V E_g

E_F^p E_Fⁿ

ν

kayıp Kazanç eğrisi

Basitleştirilmiş tipik bir lazer şeması

%100 yansıtıcı ayna % 98 yansıtıcı ayna

Kazanç ortamı

Lazer ışığı

Lazer

N

> N

© 2008 HSarı 24

Pompalama

Uyarılmış geçiş oranı B₂₁N₂ρ(hv) B₂₁N₂ Soğurma oranı =B₁₂N₁ρ(hv) B= ₁₂N₁ Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için N₂ > N₁

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 (I_eşik) (threshold) N₂ > N₁ şartı sağlandığında lazer özelliği gösteren ışık elde edilmiş olur

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.

E_c E_v E_f

n⁺-GaAs p⁺-GaAs

d - V +

I

I_th

I optik güç

© 2008 HSarı 25

Lazer Işığının Özelliği

Işık:

• Uyumlu (koherent)

• Tek renkli (monokromatik)

• Yönlü

• Kutuplu

E_V E_C

yönlü

v_o E_V

E_C

E_F^p E_Fⁿ

hν_o = E_g

ν şiddet

Lazer

LED

Tek renkli

Lazer Işığının Özelliği-Modlar

- Enlemesine (Transverse) mod - Boylamasına (Longitudinal) mod

Enlemesine mod Boylamasına mod

( )

( , )

( , , ; ) _o ^{i t kz} E x y z t
= E x y
e ⁻

ω

TransverseElectroMagnetic wave-TEM

Enlemesine mod (indis)

Boylamasına

Mod

(frekans-Hz)

Boylamasına Mod

v_o E_V

E_C

E_F^p

hν_o = E_g

hv şiddet

- Boylamasına mod (ışığın elektrik alanının zaman içersindeki salınımı)

( )

( , , ; )

( , )

E x y z t
= E x y e

ω

E_Fⁿ

Enlemesine Mod

TEM_0,0

y x

- Enlemesine mod (ışığın yayılma doğrultusuna dik düzlemdeki elektrik alan dağılımı)

( )

( , )

( , , ; )

E x y z t
= E x y
e

ω

TEM_1,0 TransverseElectroMagnetic (TEM_l,m)

TEM_1,1 TEM_0,1

Gaussiyen Dağılım Hermite-Gaussiyen Dağılım (l,m) =>(0,0) (l,m) =>(l,m)

x

z y

TEM_0,0 TEM_1,0

Küresel ayna Küresel ayna

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

Yarıiletken Lazerler

p n

E_c E_v E_f

V p

n

Ayna

R=1 Ayna

R=0,9 Kesme doğrultuları

(ayna oluşturmak için)

Ayna

R=1 Ayna

R=0,9

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.

hv şiddet

Eşik değerin altındaki durum (Koherent olmayan ışıma)

hv şiddet

Eşik değerin üstünde lazer ışınımı (a)

hv şiddet

Eşik değerin hemen altındaki durum

(b) (c)

Frekans Bant Aralığı

w_o w_o

(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

Düşük Boyutlu Yarıiletken Lazerler

Düşük boyutlu yapılar kullanılarak lazerlerin performansı arttırılabilir

GaAs d ≈ λ_d µm

n-GaAs Alttaş p-AlGaAs

n-AlGaAs Aktif katman

• Işığın frekansı ayarlanabilir

• Enerji seviyeleri kuantalı olduğu için (bant değil!) frekans bant genişliği daha dardır

• Elektronlar ve deşikler uzayın belli bir bölgesine hapsedildiği için birleşme verimliliği yüksektir (düşük eşik akım-I_eşik)

• Optik sınırlamadan dolayı foton alanı ρ(hν) yüksek (yüksek verimlilik)

E_g^(AlGaAs)

E_g^(GaAs)

E_g^(AlGaAs) E₂^C

E₁^C

E₁^V E₂^V

Aktif katman d ≈ Å

v_o ν

şiddet

∆ν_homo

∆ν_hetero

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-GaAs < 1 µm

n-GaAs Alttaş p-AlGaAs

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs

E_f E_f

E_g^(AlGaAs)=2 eV

E_g^(GaAs)=1,4 eV

(b) İleri beslenme durumu

Kullanılan geniş bant aralıklı AlGaAs sayesinde Elektronların tümüyle p-GaAs de kalması sağlanır

E_f

E_f p-GaAs

< 1 µm n-GaAs

Alttaş p-AlGaAs V

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs

(a) Sıfır beslenme durumu

Çift Heteroeklemli Yarıiletken Lazerler

Çift Heteroyapılı lazerler (Double Heterostructures): Daha verimli lazer yapılar oluşturulabilir

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs

p-GaAs

< 1 µm n-GaAs

Alttaş p-AlGaAs n-AlGaAs p-GaAs Aktif Katman

n-AlGaAs

E_f E_g^(AlGaAs)=2 eV

E_g^(GaAs)=1,4 eV E_g^(AlGaAs)=2 eV

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 p-GaAs p-AlGaAs

p-GaAs d ≈ Å

n-GaAs Alttaş p-AlGaAs n-AlGaAs p-GaAs Aktif Katman

n-AlGaAs

E_g^(AlGaAs)

E_g^(GaAs)

E_g^(AlGaAs) E₂^C

E₁^C

E₁^V E₂^V

Aktif Katman GaAs d ≈ Å

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 p-GaAs p-AlGaAs

p-GaAs d ≈ Å

n-GaAs Alttaş p-AlGaAs n-AlGaAs p-GaAs Aktif Katman

n-AlGaAs

E_g^(AlGaAs)

E_g^(GaAs)

E_g^(AlGaAs) E₂^C

E₁^C

E₁^V E₂^V

Aktif Katman GaAs d ≈ Å

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

n

p d_y

x

d_x

y

d_x≠ d_y

d_y x

d_x

y

d_x=d_y

Yüzey Salınımlı Lazerler (VCSEL)

Yüzeyden salınım yapan lazer geometrisi ile lazer dizileri(array) yapmak mümkün değildir Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs)

GaAs DBR-AlAs/GaAs DBR-AlAs/GaAs

alttaş

Enine Mod

n+-GaAs n-GaAs

n-AlAs GaAs n-AlAs p-AlGaAsGaAs

n-GaAs

n-AlAs

GaAs n-AlAs

DBR Ayna (23 çift) Akım sınırlayıcı

DBR Ayna (23 çift)

Aktif bölge

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

P

Bant aralığı x ile doğrusal olarak değişir ve < x=0,45’e kadar direk bant aralığına sahiptir

LED’ler için kullanılan en uygun GaAs_0,6P_0,4 Bu aralıkta bant direktir ve 1,9 eV enerji ile kırmızı Bölgeye düşer. Bu LED’ler hesap makinelerinde ve diğer ışıklı göstergelerin yapımında kullanılır

Işık Dönüştürücüler

Dedektörler

Güneş Pilleri

Işık Dönüştürücüler-İçerik

• Işık Dedektörleri

– Işık Dedektörleri-Genel Özellikler – Fotoiletken Dedektörler

– Fotodiyot Dedektörler

» p-n Fotodiyotlar

» p-i-n Fotodiyotlar

» Metal-Yarıiletken Fotodiyotlar – Çığ Fotodedektörler

– Bant İçi Soğurmalı Fotodedektörler

• Güneş Pilleri

» Fotovoltaik Etki

» Güneş Pil Tasarımı

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

Fotodedektörler

Uygun şekilde tasarlanan bir p-n ekleminin üzerinden geçen akım, ters gerilim altında eklem üzerine düşen ışık şiddeti ile orantılı olarak modüle edilebilir.

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)

+V I

V>0, I >0 -V

-I

V>0, I <0 V<0, I <0

-V

A +

- n

p

g_op= 0

(

1)

k p

I = I e

− − I

g_op≠0

çığ bölgesi p-n, p-i-n, metal-yarıiletken dedektörler

© 2008 HSarı 44

Fotodedektörler

( ) ( ( ) )

op op

i φ veya V φ

Optik akı (

φ

Ölçülecek (Girdi) Ölçülen (Çıktı)

Duyarlılık Tepki süresi Verimlilik Kazanç

iç fotoelektrik etki (oluşen e-d çifti içeride kalır)

Φ (foton/s) λ

1.24E ( )

( ) E eV ⁼ λ µm

E_g E_V E_C i_op(φ)

φ

n p

R

λ

E V_op (φ)

V_o

p-n eklemi fotodiyot modunda (yüksek ters gerilim) çalıştırılır

© 2008 HSarı 45

Fotodedektörler

I

φ⁼0

V_o

φ ^≠0

V

n E p

V_o=0

drift d

0

et f

n

i i

i = + =

E_c E_v E_f E

i

i

Φ (foton/s)

n EV_o p

E_c

E_v E_f d

E

drif

( )

net

i

i = φ + i i

i

L_n L_p

drif

( )

net

i

i = φ + i

i

n EV_o p

E_c

E_v E_f E

0

net karanlık

i = + i = i i

d L_n L_p

Tüketim bölgesinde elektron-deşik çiftinin oluşturulması esasına dayalı ışık algılayıcılarına Tüketim Bölgesi Işık Algılayıcıları (Depletion Layer

Photodiode) olarak adlandırılır

İdeal Fotodedektör

İdeal dedektör parametreleri nelerdir?

Kazanç

λ

Tepki süresi

t (ns) P_op

Dedektör

t (ns) i_op(t)

Optik sinyal Dedektör

akımı

op

( ) V φ

R A

op

( ) i φ

P_op

i_op

P_op Duyarlılık(responsivity)

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)

Kuantum Verimliliği

η=(elektron-deşik çifti üreten ışık akısı) / (dedektöre gelen toplam ışık akısı)

Kuantum verimliliği (η): Bir fotonun, dedektör akımına katkıda bulunacak elektron ve deşik çifti (e-d çifti) oluşturma olasılığı

hv

Birden çok foton olması durumunda foton akısı cinsinden tanımlanırsa

η’ı etkileyen faktörler:

- yüzey enerji durumları - bant aralığı (dalgaboyu) - serbest taşıyıcı soğurması - fonon saçılması

- Soğurma katsayısı α (λ) - Yüzey yansıması

- Olasılık

- Aktiv bölgede soğrulmayanlar - Yüzey etkiler

Kuantum Verimliliği

(1 R )(1 e

)

= − −

η ξ

i_op

hv

E d

R

α

(1−R I) _o

soğurma=1 d → ∞ (1 )(1 ^d)

I = Io −R −e^−α

I

x

d

(1−R)(1−e^−αd)I_o

I_o (1-R)I_o

(1 )(1 ^d) I = Io −R −e^−α R=yansıtma katsayısı

ξ=akıma katkı sağlayan elektron-deşik çifti oranı α=soğurma katsayısı

0 ≤ η ≤ 1

Kuantum Verimliliği

© 2008 HSarı 50

Duyarlılık (Responsivity)

p

i e eP

h η η

= Φ = ν

Dedektör devresinde oluşan akım (i

) ile dedektör üzerine düşen optik güç (P) arasındaki katsayı

( )

( )

i Amper

P Watt ξ =

i

= e φ

1.24 i

e

P h

= = η = λ

ξ η

ν

P = h ν Φ

İdeal durum η=1

p

i e P P

h

η ξ

ν

 

=   =

 

( ) 1.24

( ) E eV ⁼ λ µm

Dedektör Duyarlılığı (

ξξξξ

P

h ν Φ =

Foton akısı (foton/s) Optik güç (Watt)

Fotonların yarattığı elektron-deşik çiftlerinden kaynaklanan dedektör devresinde (dış devre) akım i_op

Φ (foton/s) hν λ

P=hν

φ

E R

Dedektör Duyarlılığı Ödev-1: Duyarlılık

neden dalgaboyu ile artar?

Kazanç

p

i e eP

h η η

= Φ = ν

Kazanç (G), bir fotonun dedektör devresinde oluşturduğu toplam yük miktarı

1 foton → 1 e-d çifti

G Q

= e

P h ν Φ =

Foton akısı (foton/s)

( )

p

i Q G e G e P

h

η η η

ν

 

= Φ = Φ =  

 

1 foton → G e-d çifti 1 foton 1 serbest yük değil de Q kadar yük oluşturursa

Kazanç

Kazanç cinsinden dış devrede dolanan akım Kazanç:

G >> 1 (çığ ışıkdedektörler) G ≤ 1 (p-n fotodedektörler)

Q e Q e

>

<

i

ξ = G

Dedektör Duyarlılığı

Q Ge =

© 2008 HSarı 52

Tepki Süresi

d E

τ_h=x/v_h

Dedektörlerde tepki süresi

• Geçiş zamanı gecikmesi

• RC zaman sabiti

i_op

t

x R

x

τ_e=(d-x)/v_e 0

e

e

d τ = v

v_h<< v_e

h

h

d

= v τ

RC zaman sabiti

Geçiş zamanı gecikmesi

R V

n p

++ + + + +

- - - - - -

( )

i t = i e

C_eklemR_eklem

RC

= RC

τ

R^p_eklem Rⁿ_eklem

i(t)

Geçiş zamanı gecikmesi x

∆ = τ v

Ödev-2: Ramo teoremi nedir?

Katkı atomlarını arttırarak R_eklem direnci düşürülebilir ancak katkı atomlarının arttırmak tüketim bölgesini daraltır

Tepki Süresi

Dedektörlerde tepki zamanı I_op

Dedektör

L_p = deşik difüzyon uzunluğu L_n = elektron difüzyon uzunluğu hv

n E p

d L_n

L_p

τ^e_dif=L_n/v_e τ^h_dif=L_p/v_h

sürüklenme bölgesi

τ_drift=d/v

difüzyon bölgesi difüzyon

bölgesi

τ_drift << τ_dif hv

hv

t (ns) I_op

© 2008 HSarı 54

Spektral Duyarlılık

ν Duyarlılık

E_g

( ) ( ) 1.24

( )

m g m

≤ = E eV λ µ λ µ

i_op

λ > E_g

E R

d p

n i_op

λ > E_g

E R

d p

n

i_op

λ > E_g

E R

d p

n Frekans alt limit Frekans üst limit

Dedektörler-Tasarım

λ

P⁺ n P

n-p eklemli fotodiyot

λ

n

d d

n-p⁺ eklemli fotodiyot

2 1 1 1/ 2

( )

o

a d

d V

q N N

 ε 

=  + 

 

Tüketim bölgesi n ve p tarafında

Tüketim bölgesi çoğunlukla n tarafında

Yüksek elektron devingenliği-> yüksek hız

e h

µ >> µ

Yüksek elektron devingenliği

p:10¹⁹ cm^-3 n:10¹⁶ cm^-3

( ) (1 )

(1 )

d

p

k

i q A e

L i

α

φ φ

α

−

= − +

+

1 (1 )

d

p

e L

α

η α

−

= − +

© 2008 HSarı 56

Dedektörler-Tasarım-2

λ

P n

p-n eklemli fotodiyot

d

p-i-n eklemli fotodiyot

Kısa tüketim bölgesi, kısa geçiş zamanı, hızlı dedektör. Ancak kısa tüketim bölgesi, soğrulan fotonların alanını küçülttüğünden kuantum verimliliğini azaltır

- Tüketim bölgesinin dışında (dif. uzunluğu içinde) oluşan e-d çiftleri (v_dif << v_drift) dedektör tepki süresini arttırır

Kuantum verimliliğini arttırmak ve dif. kaynaklanan geçikmeleri azaltmak için p-n ara bölgesine katkılanmamış bir katman atarak foton soğurma alanı arttırılabilir

p

λ

n

d i

- Geniş tüketim bölgesi RC değerini azaltır (tepki süresi artar)

- p-i-n diyotlar kuantum verimliliği ve tepki süresi için optimize edilebilir

Dedektör Parametreleri Arasındaki İlişki

Geniş Tüketim Bölgesi

Getirisi Götürüsü

Foton soğurması artar Tepki süresini arttırır Aşırı Katkılama - Seri direnci azaltır

- Tepki süresini iyileştririr

Tüketim bölgesini daraltır, azalan hacimden dolayı foton soğurması azalır

Tepki süresi Duyarlılık

Kazanç Frekans Tepkisi (frekans bantaralığı-BW)

G-BW=sabit

Lazerler-Dedektörlere Karşı

Yarıiletken Lazerler Yarıiletken Fotodedektörler

Minimum akım i ile maksimum optik güç P_op elde edilir

Lazerler ve dedektörler prensip olarak aynı ilkeye göre çalışır.

Lazerlerde en everimli şekilde ışığın oluşturması istenirken dedektörlerde ışığın algılanması en vermli olacak şekilde tasarlanır.

Minimum optik güç P_op ile maksimum akım i elde edilir

Yarıiletken Dedektör Malzemeler

AlGaAs (In_1-xGa_x)(As_1-yP_y)

InGaAs

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 E_g(eV) Si

Ge

GaSbAs

AlGaP InGaP Bantiçi geçişli

dedektörler (Süperörgü Dedektörler)

GaSb

GaP InP GaAs

InAs

10.2 5.0 2.0 1.0 0.9 0.6 0.5 λ_g(µm)

AlAs

( ) 1.24

( )

g

g

m E eV

λ µ =

InSb: 0.18 eV

Yarıiletken Dedektör Malzemeler

0.92-1.7 In_1-xGa_xAs_1-yP_y/InP

3.0-17.0 Kızılaltı x

Hg_xCd_1-xTe/CdTe

1.65

Yakın Kızılaltı x

In_0.53Ga_0.47As/InP

InAs

1.43 1.12 0.67 2.42 0.18 eV Yasak Bant

dalgaboyu λ (µm)

0.7-0.87 Kızılaltı x

Al_xGa_1-xAs/GaAs

x x

1.43 GaAs

x x

1.12 Si

Görünür Bölge -

2.42 CdS

Kızılaltı 0.67

Ge

Kızılaltı 10⁵

0.18 eV InSb

Dedektör xx Bölgesi Devingenlik

(cm²/V-s) Yasak

Bant Aralığı

(eV) Malzeme

Yarıiletken Dedektör Çeşitleri – Fotoiletken Dedektörler – p-n Fotodiyotlar

– p-i-n Fotodiyotlar

– Metal-Yarıiletken Fotodedektörler – Çığ Fotodedektörler

– Dalga kılavuzlu Fotodedektörler

– Bant İçi Soğurmalı Fotodedektörler

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 (σσσσ) arttırır

Dış devrede dolaşan akım (veya devreye seri bağlı direnç üzerindeki gerilim) foton akısına bağlı olarak değişir

Φ (foton/s) i_op(φ) R

λ E V_op (φ)

∆σ(φ)

© 2008 HSarı 63

Fotoiletken Dedektörler

d

e

i e τ η φ

= τ

∆n/τ = fazlalık elektronların azalma oranı

v_h<< v_e

r = Ad φ η

τ = Fazlalık taşıyıcıların birleşme ömrü (1/s) Birim hacim başına e-d çifti oluşma oranı (r)

(

) e n

σ µ µ

∆ = ∆ +

(

) e Ad

σ ητ µ µ φ

∆ = +

(

)

q n p

σ = µ + µ

i = e G η φ

n Ad

∆ = ητφ

G τ

≡

Kazanç

∆n= fazlalık elektron yoğunluğu

Denge durumunda e-d oluşma ve birleşme oranları eşit olacaktır, elektron yoğunluğu

iletkenlikteki artış

Akım

fototaşıyıcı ömrü

(Kazanç η=1) hv

yarıiletken E

i_op(φ)

d A Φ (foton/s)

e

e

d τ = v

v_h v_e

h

h

d

= v τ

R

µ

elektron geçiş zamanı: τ_e

h h

v = µ E

( )

i

= AJ = A ∆ σ E

( )

d h e

i e v v

= Ad ητ +

φ

Fotoiletken Dedektörler

Kazanç

( τ τ <

) G ≤ 1 ( τ τ >

) G ≥ 1

Spektral Duyarlılık

ν Duyarlılık

E_g

( ) ( ) 1.24

( )

g

g

m m

≤ = E eV λ µ λ µ

i

= e G η φ

e

G τ

= τ

Kazanç

yarıiletken yalıtkan

Fotoiletken dedektör yapısı

Tipik Kazanç G=10⁴ - 10⁵ < 10⁶ v_e=10⁷ cm/s

τ_e=10^-8 s τ=10^-13 s

p-n FotoDedektörler

p-n ekleminin I-V grafiğinin III. bölgesinde akım (düşük gerilim değerlerinde) gerilimden bağımsız, fakat akım, ışık şiddeti ile orantılıdır

g₃>g₂>g₁ g_op=0 -V

V I

g₁ g₂ g₃ i_op(φ)

φ

n p

R

λ E V_op(φ)

( )

(

1)

( ) i φ = i e − − i 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

p-n FotoDedektörler

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 hv

n E p

d L_n

L_p

τ^e_dif=L_n/v_e τ^h_dif=L_p/v_h

sürüklenme bölgesi

τ_drift=d/v

difüzyon bölgesi difüzyon

bölgesi

τ_drift << τ_dif hv

hv

p-i-n Fotodedektörler

i-bölgesi (saf bölge, intrinsic): katkılanmamış bölge (veya çok az katkılı)

Uygulanan ters gerilim tümüyle i-bölgesinde görülür

Fazlalık taşıyıcılarının yarı ömrü yeterince uzun ise oluşan elektron-deşik çifti n- ve p-bölgelerine ulaşarak toplanır

φ

λ

i_op(φ)

n p

R

E V_op(φ)

i

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

p-n yapı arasına katkılanmamış bir katman konarak tüketim bölgesinin genişliği kontrollü olarak genişletilir.

Schottky Engelli FotoDedektörler

E_F E_C E_V metal yarıiletken

E_F E_C

E_V boşluk χ

Yarıiletken (n-tipi)

Φ_w metal

E_F Malzeme

Bant Yapısı Φ^S_w

Metal-Yarıiletken (Schottky)Yapı

Φ_w-χ

n- veya p-tipi yarıiletken üzerine metal

Schottky Engelli FotoDedektörler

Üstünlükleri metal yarıiletken

E_F E_C E_V Φ_w-χ

• 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

• Metalden dolayı direnç küçük olduğundan RC zaman sabiti küçük dolayısı ile yüksek tepki süresi (≈100 GHz)

• Enerji hv ≥ Φ -χ

Çok ince (optik geçirgen) metal-n-tipi (veya p-tipi) yarıiletken

tüketim bölgesi

Dalga Klavuzu Fotodedektörler

Normal dedektörde ışık p-n eklemine dik doğrultuda gelir.

λ d

n p R

d

Dalgaklavuzu şeklinde yapılan dedektörlerde ışık ekleme paralel gelir

( ) (1 )

(1 )

d

p

k

i q A e

L i

α

φ φ

α

−

= − +

+

( ) (1

)

i φ = q A φ − e

i_op

λ

E

R p⁺

n

1 (1 )

d

p

e L

α

η α

−

= − +

L

− αL >>1 yapılabilir η=1

- d ve L birbirinden bağımsız olarak ayarlanabilir Kazanç ≤ 1

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

V

i p

n

Ödev-3:

Ne zaman Zener ne zaman çığ

+V I

-V

-I i_k

i_op i_op^çığ

i_k^çığ

i_k= Karanlık akım

i_op= Işık olduğu durumdaki akım g_op = 0

g_op ≠0

Çığ fotodedektör yapısı

Çığ Işıkalgılayıcılar (Avalance Photodedectors)

α_e: birim uzunluk başına elektron iyonizasyon olasılığı α_h: birim uzunluk başına deşik iyonizasyon olasılığı

h e

κ α

= α

Ε

V R

d e

n p

E d

n i p

n i p x

Çığ fotodedektörler İle karakterize edilirler

0

κ =

κ = ∞

”impact ionization”

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.

V R

n⁺ p i p⁺

Soğurma bölgesi Çığ

bölgesi

E_V E_C

p⁺

V=0

Heteroyapılarla oluştırılmuş çığ ışık dedektörü

E_g

∆E_C=E_g

Çığ Işıkdedektörleri

1 1

1

G d

κ ^{= ⇒ =} − α

ed

G e = ^α

h e

κ α

= α

(1 )

1 1

ed

G e

k κ = ⇒ =

⁻ κ

− ( )

( )

di x = α i x dx

Tek bir taşıyıcı (örneğin elektron) kazanç (G)

Her iki taşıyıcı olduğu durumda kazanç (G) d

Kazanç

( )

i x = i e ^α

i_o(d) i_o(0)

Heteroyapılı Fotodedektörler

Heteroyapılı p-n Fotodedektörler

Soğrulma bölgesi

λ=1.55 mµ

n-InP n⁺-InP

n^--In_0.53Ga_0.47As

Epitaksiyel büyütme ile yüzey durumları azaltılır

E_g=0.75 eV p⁺-InP

Soğurma yok

(pencere) E_g=1.35 eV

Heteroyapılı Çığ Fotodedektörler

Soğrulma bölgesi

λ=1.55 mµ

n-InP p⁺-InP

n^--In_0.53Ga_0.47As Çığ bölgesi

E_g=0.75 eV E_g=1.35 eV In_0.53Ga_0.47As, InP alttaş üzerine sorunsuz olarak

büyütülebilir

Soğurma yok (pencere)