optoelektronik Devre Elemanlari - hüseyin sarı · 2010-11-05 · © 2008 HSarı 10 Işık Yayan...
Transcript of optoelektronik Devre Elemanlari - hüseyin sarı · 2010-11-05 · © 2008 HSarı 10 Işık Yayan...
© 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