© 2008 HSarı 1

Yarıiletken Optoelektronik Devre

Elemanları

© 2008 HSarı 2

Optoelektronik Devre Elemanları

• p-n Eklemlerinin Optoelektronik Uygulamaları

• Işık Üreteçler» Işık Yayan Diyotlar (LED)» Lazerler

• Işık Dönüştürücüler» Işık Dedektörleri» Güneş Pilleri

• Işık İleticiler: Dalga Kılavuzları» Optik Fiberler» Yarıiletken Dalga Kılavuzları

• Işık Modülatörleri

© 2008 HSarı 3

Ik=karanlık akım( ) ( 1)qV kT

kI V I e= −

Yarıiletken Eklemler: I-V Eğrileri

( )p nk n p

p n

D DI qA p n

L L= +

V

In p

V

I

Ik

n p

n p

Aydınlatma Yok

Vo EF

V-Vo

EF

n p

V+Vo EF

n p

Vb+VoEF

Vb=Kırılma gerilimi(breakdown voltage)

çığ bölgesi

Vb

© 2008 HSarı 4

Işık Altında p-n Eklemip-n eklemi hv > Eg enerjili düzgün bir ışıkla aydınlatılırsa (gop) eklemin tüketim bölgesinde

elektron ve deşik çiftleri oluşur.

gop= optik güç (EHP/cm3-s)

/( 1)qV k

ok p

TI I Ie= − −

Lp = deşik difüzyon uzunluğu

Ln = elektron difüzyon uzunluğu

/( 1)qV kT

kI I e= −

A

d

nE

LnLp

V

I

gop=0g1

g2

g3

g3 > g2 > g1 > gop=0

( )op op n pI qAg d L L= + +

E = yapısal elektrik alan

p

gop

gop= 0

© 2008 HSarı 5

Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik UygulamalarıYarıiletkenlerin optoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ve eklemler yapılarak mümkündür

I. Bölge (V>0, I >0 ): LED ve Lazerler

III. Bölge (V<0, I <0 ): DedektörlerAkım 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 <0V<0, I <0

n p

V

A

- +

A

-

+

np

-V

A

+

-

np

gop ≠0

© 2008 HSarı 6

Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik UygulamalarıYarıiletkenlerin 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 <0V<0, I <0p

n

d

•Direk bant aralığı•Aşırı katkılama

• Geniş eklem yüzeyi• Bant aralığı• katkılama

© 2008 HSarı 7

Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar

LEDLAZER

© 2008 HSarı 8

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

© 2008 HSarı 9

Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar-Genel Özellikler

Uygun bir p-n eklemi I-V eğrisinin I. bölgesinde çalıştırılırsa eklemin tüketim bölgesinde elektron ve deşikler belli bir eşik gerilimin üstünde eklem bölgesinde birleşerek dalgaboyu bant aralığına eşit ışık yayabilir

+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 bulunurTüketim bölgesinin genişliği katkılanmanın yoğunluğuna bağlıdır.

EC

EF

EV

n+-GaAs p+-GaAs

hv = Eg

Vp

n

Ec

Ev

(c) İleri besleme durumu

EC-EV < hv < EFn-EF

p

EV

EC

EFp

EFn

hv = Eg

(d) Oluşacak olan ışığın frekans aralığı

(a) Ayrık n ve p tipi yarıiletkenler ve enerji seviyeleri

EF

1/ 22 1 1

( )o

a d

Vd

q N N

ε = +

Ec

Ev

Ef

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

vo

EC-EV < hν < EFn-EF

p

EV

EC

EFp

EFn

hν = Eg

Işık:• Uyumlu (koherent) değildir• Tek renkli (monokromatik) değildir• Yönlü değildir• Kutuplu değildir

EV

EC

∆ν

Faz yüzeyleriyön

© 2008 HSarı 12

Lazerler-Genel KavramlarLASER: 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

© 2008 HSarı 13

Soğurma(absorption)

B12N1ρ(hv)N2

N1

B12

Optik Geçişler

Uyarılmış Geçiş (Işıma)(stimulated emission)

B21N2 ρ(hv)

N2

N1

B21Uyarılmış geçişτu ≈ 10-8 s << τk

Kendiliğinden Geçiş (Işıma)(spontaneous emission)

A21N2N2

N1

A21

N2 > N1

kendiliğinden geçişτk

© 2008 HSarı 14

Lazer Ortamı

Kazanç ortamız

oI I e+α=

Kayıplı ortam z

oI I e−α=

N2 > N1

N2 < N1

Io

Io

© 2008 HSarı 15

Lazerler-Genel Kavramlar

Foton alanı durumunda Uyarılmış geçiş oranı B21N2ρ(hv) B21

Kendiliğinden geçiş oranı A21N2 A21

= = ρ(hv)

Uyarılmış geçiş oranı B21N2ρ(hv) B21N2

Soğurma oranı B12N1ρ(hv) B12N1

= =

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 oranıB12N1ρ(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

321

321

8

B B

A h

B c

=

π ν=

Ödev: Einstein katsayılarının

olduğunu gösteriniz

321

3 321

8 8A h h

B c

π ν π= =

λ

12 21B B=

B21N2 ρ(hv) = Uyarılmış geçiş oranıB12N1ρ(hv) = Soğurma oranı

A21N2 = Kendiliğinden geçiş oranı

Denge durumundaB12N1ρ(hv)=A21N2 + B21N2ρ(hv)

© 2008 HSarı 17

Lazerler-Genel Kavramlar

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

321

3 321

8 8A h h

B c

π ν π= =

λ

© 2008 HSarı 18

Spektral Dağılım (Lineshape)

EC

EV

g

o

E

hν =

Kazanç eğrisi

ν

Ν

νο

νο±∆νEg

νο+∆ννο-∆ν

∆ν

EC-EV < hv < EFn-EF

p

EFp

EFn

© 2008 HSarı 19

Kayıplar

R1

L

αr=toplam kayıp katsayısı (birim uzunluk başına)

R2

221 2

sr LLe R R e

− α− α =

αr=saçılma ve soğurma kayıpları

1 2r s R Rα = α + α + α

1 2

1 2

1 1ln( )

2R R RL R R

α = α + α =

αR=aynalardaki yansımalardan kaynaklanan kayıp

Kazanç eğrisi

ν

Ν

kayıp

© 2008 HSarı 20

Lazer Şartı

Nüfus terslemesi N2 > N1 (Pompalama)

z

oI I e+α=

oI I I− ≥ δ

2 1Le

α − ≥ δ

z

oI I eα=

N2 > N1Io

L

Osilasyon olabilmesi için kazancın kayıplardan daha büyük olması gerekmektedir

2 1Lα <<

2 Lα ≥ δ

kayıp

© 2008 HSarı 21

Optik Rezonans Oyuğu (Optical Resonant Cavity)Bunun için rezonans oyuğu (resonant cavity) kullanılır. Bu rezonans oyuğu sayesinde foton alanı ρ(hv)

sürekli artırılır. Bu oyuk fotonu yansıtacak bir ayna olabilir.

2 2

o

L Lnm = =

λ λ

∆ν

Rezonatör frekansları

ννm

L

m=1

m=2m=3

L

λ = rezonatör ortamında dalgaboyuλo= boşluktaki dalgaboyu

2 2v c

L Lnν = =

νm+1 νm+2νm-1νm-1

m=1, 2, 3...

© 2008 HSarı 22

Optik Rezonans Oyuğu (Optical Resonant Cavity)

m=1

m=2m=3

L

Kazanç eğrisi

ν

Ν

kayıp

ν

EC

EV

Eg

EFp

EFn

ν

kayıp

Kazanç eğrisi

© 2008 HSarı 23

Basitleştirilmiş tipik bir lazer şeması

%100 yansıtıcı ayna % 98 yansıtıcı aynaKazanç ortamı

Lazer

ışığı

Lazer

N2 > N1

© 2008 HSarı 24

Pompalama

Uyarılmış geçiş oranı B21N2ρ(hv) B21N2

Soğurma oranı B12N1ρ(hv) B12N1

= =

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 (Ieşik) (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.

Ec

Ev

Ef

n+-GaAs p+-GaAs

d

- V +

I

Ith

I

optik güç

© 2008 HSarı 25

Lazer Işığının ÖzelliğiIşık:

• Uyumlu (koherent)• Tek renkli (monokromatik)• Yönlü• Kutuplu

EV

EC

Uyumlu (Koherent)

yönlü

vo

EV

EC

EFp

EFn

hνo = Eg

ν

şiddetLazer

LED

Tek renkli

© 2008 HSarı 26

Lazer Işığının Özelliği-Modlar

- Enlemesine (Transverse) mod

- Boylamasına (Longitudinal) mod

Enlemesine mod Boylamasına mod

( )( , )( , , ; )o

i t kzE x y z t eE x y

−=��

ω

TransverseElectroMagnetic wave-TEM(l,m,q)

Enlemesine mod (indis)

Boylamasına Mod

(frekans-Hz)

© 2008 HSarı 27

Boylamasına Mod

vo

EV

EC

EFp

hνo = Eg

hv

şiddet

- Boylamasına mod (ışığın elektrik alanının zaman içersindeki salınımı)

( )( , , ; ) ( , ) i t kz

oE x y z t E x y e−=

� �

ω

EFn

© 2008 HSarı 28

Enlemesine Mod

TEM0,0

y

x

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

( )( , )( , , ; ) o

i t kzE x y z t eE x y

−=��

ω

TEM1,0

TransverseElectroMagnetic (TEMl,m)

TEM1,1TEM0,1

Gaussiyen Dağılım Hermite-Gaussiyen Dağılım

(l,m) =>(0,0) (l,m) =>(l,m)

x

zy

TEM0,0 TEM1,0

Küresel aynaKüresel ayna

© 2008 HSarı 29

Yarıiletken Lazerler

• Aşırı katkılanmış n ve p tipi direk bant aralığına sahip yarıiletkenlerle oluşturulan eklemler lazerlerin yapımında kullanılabilirler

• Yarıiletken lazerler, rezonans oyuğu içine konmuş LED’lerden farklı değildir

• Rezonans oyuğu, yarıiletkenlerin kenarlarından yapılan kesme (cleave) işlemi ile oluşturulur

• Yarıiletken lazerler diğer lazer türlerinden farklılık gösterirler. Bunların en başlıcası boyutlarının oldukça küçük oluşudur (tipik boyutları 0,1 x 0,1 x 0,3 mm)

• Yüksek verimlidir

• Lazer çıkışı eklemlere uygulanan akım ile kolaylıkla kontrol edilebilir

• Yarıiletken lazerler, optoelektronik tümleşik devreleri ile kolaylıkla bütünleştirilebilir

• Yarıiletken lazerler fiber optik iletişimde oldukça kullanışlıdır

© 2008 HSarı 30

Yarıiletken Lazerler

p

n

Ec

EvEf

V p

n

AynaR=1

AynaR=0,9

Kesme doğrultuları(ayna oluşturmak için)

AynaR=1

AynaR=0,9

© 2008 HSarı 31

Yarıiletken LazerlerAşırı 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

wo wo

(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 32

Düşük Boyutlu Yarıiletken LazerlerDüşük boyutlu yapılar kullanılarak lazerlerin performansı arttırılabilir

GaAs d ≈ λd µm

n-GaAsAlttaş

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-Ieşik)

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

Eg(AlGaAs)

Eg(GaAs)

Eg(AlGaAs)

E2C

E1C

E1V

E2V

Aktif katmand ≈ Å

vo

ν

şiddet

∆νhomo

∆νhetero

© 2008 HSarı 33

Heteroeklemli Yarıiletken LazerlerFarklı 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-GaAsAlttaş

p-AlGaAs

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs

Ef Ef

Eg(AlGaAs)=2 eV

Eg(GaAs)=1,4 eV

(b) İleri beslenme durumu

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

Ef

Ef

p-GaAs

< 1 µmn-GaAsAlttaş

p-AlGaAs

V

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs

(a) Sıfır beslenme durumu

© 2008 HSarı 34

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

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs

p-GaAs

< 1 µmn-GaAsAlttaş

p-AlGaAs

n-AlGaAs

p-GaAs

Aktif Katman

n-AlGaAs

Ef

Eg(AlGaAs)=2 eV

Eg(GaAs)=1,4 eV

Eg(AlGaAs)=2 eV

© 2008 HSarı 35

Kuantum Çukurlu Yarıiletken LazerlerLazerin 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-GaAsAlttaş

p-AlGaAs

n-AlGaAs

p-GaAs

Aktif Katman

n-AlGaAs

Eg(AlGaAs)

Eg(GaAs)

Eg(AlGaAs)

E2C

E1C

E1V

E2V

Aktif KatmanGaAs

d ≈ Å

© 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 yüzeyalanının ışıkla taranması gibi

n

pdy

x

dx

y

dx ≠ dy

dy

x

dx

y

dx =dy

© 2008 HSarı 37

Yüzey Salınımlı Lazerler (VCSEL)

Yüzeyden salınım yapan lazer geometrisi ile lazer dizileri(array) yapmak mümkün değildir

Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs)

GaAsDBR-AlAs/GaAs

DBR-AlAs/GaAs

alttaş

Enine Mod

n+-GaAs

n-GaAsn-AlAs

GaAsn-AlAs

p-AlGaAsGaAs

n-GaAsn-AlAs

GaAsn-AlAs

DBR Ayna (23 çift)

Akım sınırlayıcı

DBR Ayna (23 çift)

Aktif bölge

© 2008 HSarı 38

Lazer Yapımında Kullanılan Malzemeleri

GaAlAs/GaAs tabanlı yarıiletkenler:

Hem direk bant aralığına sahip hem de değişik kompozisyonlarda büyütülmesinde problem olmadığı (örgüsabitleri 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)PxBant 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 kırmızıBölgeye düşer. Bu LED’ler hesap makinelerinde ve diğer ışıklı göstergelerin yapımında kullanılır