114. Ders

Yariletkenler Yaplar

EfEc

Ev

Ec

Ev

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

+

+

2Bu blm bitirdiinizde,

P-n eklemlerinin yaps, P-n eklemlerin V-I erileri, Homo ve heteroyaplar, Kuantum yaplar, Optoelektronik malzemeler ve retim teknikleri

konularnda bilgi sahibi olacaksnz.

3Ondrdnc Ders: erik

Yariletken Eklemler Homo Eklemler Hetero Eklemler

p-n Eklemlerin I-V Grafikleri Kuantum Yaplar Optoelektronik Malzemeler Optoelektronik retim Teknolojisi

4Yariletken Eklemler Yariletkenlerden yararlanma bunlar farkl tipte katklayarak (n- veya p-tipte) bir araya

getirerek eklemler oluturmak ile gerekletirilir. ki farkl eklemlerden bahsedebiliriz:

i) Ayn Tr Eklemler (Homojunction): Ayn tr yariletkenden oluturulmu n- ve p-tipi yariletkeni birletirerek oluturulan eklemler (rnein Si:Si, Ge:Ge)

ii) Farkl Tr Eklemler (Heterojuction): Farkl tr yariletkenleri birletirerek oluturulan eklemler (rnein Si:Ge, GaAs:GaAlAs)

n p

Si SiBu tr eklemlerin retimi kolay ve maliyeti ucuzdur, fakat ok verimli devre elemanlar retilemez.

Bu tr eklemlerin retimi zor ve maliyetlidir, ancak ok verimli ve hzl elektronik ve optoelektronik devre elemanlar yapmak mmkndr.

n p

Eklemin enerji grafii

Ef

Ef Ef

n p

Ef Ef

Ef

Eklemin enerji grafii

n

Sip

Ge

n

GaAsp

GaAlAs

5Ayn Trden Eklemler (Homojunction)

ElektronDeik (hole)Atom +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

E

Ef

Ec

EvEf

n-tipi p-tipi

Silikondan yaplm n-tipi ve p-tipi katklanm yariletken malzemeyi dnelim

Malzemeler ayn olduu iin n- ve p- tarafnn yasak bant aral ayndr. n tarafta, iletim bandnda serbest hareket eden elektronlar, p tarafta da deerlik bandnda serbest hareket eden elektronlar (deikler) bulunur. Her iki tarafta da net yk younluu sfrdr.

E=0 Boluk

q (i fonksiyonu): Bir elektronu Fermi seviyesinden (Ef) bolua (E=0) gtrmek iin gereken enerji

q q

q (elektron affinity): Bir elektronu iletim bandndan (Ec) bolua (E=0) gtrmek iin gereken enerji

qq

n- ve p- tipi yariletkenin birletirmeden nce

i) Ayn Tr Eklemler (Homojunction):

6Ayn Trden Eklemler-2

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

EEc

Ev

Vb : Yapsal (Built-in) potansiyel

Vb

d : Tketim (depletion)blgesi

1/ 2

1 22 1 1( )o

A D

Vd d dq N N

= + = +

1/ 2

12 ( )( )

o D

A A D

V Ndq N N N

= + 1/ 2

22 ( )( )

o A

D A D

V Ndq N N N

= +

1 2d d d= +

Birletirmeden sonra

p-n yariletkenler birletirildikten hemen sonra (eklemi oluunca), p ve n tarafndaki yk younluklar farkl olduundan (Ef seviyesi farkl) yk dalm denge durumuna ulancaya kadar (Fermi seviyesi eitleninceye kadar) n tarafndaki elektronlar p tarafna geerek buradaki deiklerle birleir. n (p) tarafndan ayrlan elektronlar (deikler) arkalarnda pozitif (negatif) hareketsiz iyonlar brakr. Hareketli yklerden arnan bu blgede (tketim blgesi) oluan yapsal elektrik alan daha fazla elektronlarn n (p) tarafndan p (n) tarafna gemesini engeller ve denge durumu oluur.

p-n eklemlerini, neredeyse btn elektronik ve optoelektronik uygulamalarda kullanl klan eklem blgesinde oluan bu yapsal elektrik alandr ve devre elemanlarnn almasn anlamada byk nem tar.

ElektronDeik (hole)Atom

7Ik=Karanlk akm( ) ( 1)qV kTkI V I e=

Eklemlerin I-V Erileri

V

In p

Denge durumuna ulaldktan sonra yapsal elektrik alan daha fazla elektronlarn (deiklerin) n(p) tarafndan p(n) tarafna gemesini engeller. D uyarnn olmad (karanlkta ve ular arasnda bir gerilim olmad zaman V=0) denge durumunda bir p-n eklemi zerinden geen net akm sfrdr; kuantum mekaniksel olarak potansiyel engelini geerek karya geen yklerin oluturduu akm (Idif), tketim blgesinde oluan elektron ve deik iftlerinin oluturuduu akm (Idrift) ile dengelenir. Bir p-n ekleminin ularna uygulanan gerilim ile yapsal elektrik alann (ve tketim blgesinin genilii) bykl deitirilerek eklem zerinden geen akm deitirilebilir. I-V ifadesi:

eklinde verilir. Bu ifadede V, p-n eklemi arasndaki gerilim, q elektron yk, k Boltzmann sabiti, T ise scaklktr.

V

I

Ik

p-n ekleminin ular arasna uygulanan pozitif gerilim ile (ileri besleme) eklem zerinden geen akm stel olarak artar. Negatif gerilim altnda (ters besleme) ise akm nce gerilimden bamsz kk bir deer alr (karanlk akm), daha byk gerilimlerde ise stel olarak artar.

( ) ( 1)qV kTkI V I e= 0drift det fn ii ii = + =

difidrifti

8n p

VA

- +

I-V Erileri-1: leri Besleme

ileri besleme

( ) ( 1)qV kTkI V I e=

V= +V

V

I

leri beslemede (n taraf negatif, p taraf pozitif d gerilim uygulandnda) p-n eklem ular arasna uygulanan gerilimden kaynaklanan elektrik alan, yapsal alan ile zt ynde olduu iin eklem blgesindeki elektrik alan azalr (tketim blgesi daralr). Bu durumda yklerin potansiyel engelini yenerek kar tarafa gemeleri stel olarak artar ve devrede dolanan akm stel olarak artar (idif).

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

E

Ef

Ec

Ev

Vb

dn p

difi = =+drift difnet difii i i

9I-V Erileri-2: Ters BeslemeTers beslemede (n tarafna pozitif, p tarafna negatif d gerilim uygulandnda) p-n eklem ular arasna uygulanan gerilimden kaynaklanan elektrik alan, yapsal alan ile ayn ynde olduu iin eklem blgesindeki elektrik alan daha da byr (tketim blgesi (d) geniler). Bu durumda yklerin kar tarafa gemeleri daha da zorlar (idif=0). Ancak tketim blgesinde oluan elektron ve deik iftlerinden kaynaklanan (idrift) yapsal alandan dolay yeniden birleemeden n ve p tarafna geerek karanlk akm (Ik) oluturur.

n p

VA

-+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

E

Ef

Ec

Ev

Vb

d

Ters besleme

n p

drifti0drift driftnet karanlkii ii = + =

Ters beslemeV= -V

Ik=karanlk akm( )p nk n p

p n

D DI qA p nL L

= +

A=eklem kesit alanDn, Dp=n(p) difzyon katsaysLn, Lp=n(p) difzyon uzunluupn, np=p(n) younluu

V

I

Ik

( ) ( 1)= qV kTkI V I e

10

n p

VA

-+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

E

Ef

Ec

Ev

Vb

d

Ters beslemeV= -V

Ters besleme

I-V Erileri-3: Zener Blgesi

n p

Bir p-n eklem ular arasna uygulanan ters gerilim krlma gerilimi olarak bilinen (Vb) gerilimin stne ktnda eklem zerinden geen akmda stel bir art gzlenir. Bu art n-tarafn iletim bandnn p-tarafndaki deerlik bandnn altna inmesinden kaynaklanmaktadr.

drifti= + =drift difnet difii i i

V

I

( ) ( 1)= qV kT qV kTk kI V I e I e

Vb

11

Metal-Yariletken Eklemler

ElektronDeik (hole)Atom

p-n eklemlerinin birok kullanl zellii sadece metal-yariletken eklem yaplarak da oluturulabilir. Metal, ar katklanm n tipi malzeme olarak dnlebilir.

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Metal p-veya n-tipi yariletken

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

E Ec

Ev

Vb

2d d=

metal-yariletken eklemde tketim blgesinin tm yariletken tarafnda bulunur.

12

Ik Altnda p-n Eklemip-n eklemi hv > Eg enerjili dzgn bir kla aydnlatlrsa (gop) tketim blgesinde elektron ve deik iftleri oluur. Bu durumda p-n ekleminin I-V grafigi:

/( 1)qV k ok pTI I Ie=

V

I

gop=0 g1g2

g3

g3 > g2 > g1 > gop=0

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

gop= optik g (e-d ifti/cm3-s)

Lp = deik difzyon uzunluuLn = elektron difzyon uzunluu

E = yapsal elektrik alanA

d

nE

LnLp

p

gop

/( 1)qV kTthI I e=

gop=0 V

Ikaranlk

Ik altnda

(foton/s)

( )ok pii Eg enerjili fotonlar tketim blgesinde ve ayrca n ve p blgelerinde elektron-deik ifti oluturur. Tketim blgsinde oluan e-d iftleri yapsal alandan dolay yeniden birlemeye frsat bulamadan n ve p tarafna geerler ve akma katkda bulunurlar. n ve p tarafnda, difzyon uzunluu iinde oluan e ve dnin de yeniden birlemeden tketim blgesine kadar giderek akma katkda bulunma anslar vardr. Ancak difzyon mesafesinin dnda yaratlan e-d ifti tketim blgesine gidene kadar d-e ile birleerek kaybolur ve akma katkda bulunamaz. Dolays ile sadece tketim blgesine ve difzyon uzunluu iinde yaratlan fotonlar alglanr.

13

Farkl Trden Eklemler-Hetero Yaplar

ElektronDeik (hole)Atom +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

E

EEfEc

Ev Ef

Si: n-tip Ge: p-tip

q E=0 Bolukq

Farkl yariletkenden yaplm n-tipi ve p-tipi katklanm yariletken malzemeyi dnelim

Malzemeler farkl olduu iin bant aralklar da farkl olacaktr.

Eg=1,87 eV Eg=1,43 eV

ii) Fark Tr Eklemler (Heterojunction):

14

Hetero Yaplar-1ElektronDeik (hole)Atom +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

EEEf

Ec

Ev Ef

GaAlAs: n-tip GaAs: p-tip

E=0 Boluk

Eg=1,87 eV Eg=1,43 eV

gen Kuantum Kuyusu

Ef

Ec

EvEf

Ec

Ev

+

+

+

+

-

-

-

-

birletirmeden nce

birletirmeden sonra

15

Hetero Yaplar-2Farkl yasak bant aralna sahip malzemelerin oluturduu arayzde, bant (iletim ve deerlik band) kesiklilik gstereceinden kuantum etkilerin grlebilecei kuantum kuyular oluur.

+ +

+

+

+

+

++

++++

- -

-

-

-

-

---

-

-

-

EF

Ef

Ec

EvEf

Ec

Ev

z

x

n p

z

x

y

n p

+

+

+

+

-

-

-

-GaAlAs GaAs

L

y x=L

vy= yksek devingenlik

2 Boyutlu Elektrongaz (2BEG)

16

Hetero Yaplar-Uygulama Alanlar

Elektronikte:

Hzl transistrlerin yapmnda Modulation Doped Field Effect Transistor(MODFET veya HEMT) Hetorojunction Bipolar Transistr (HBT)

Optoelektronikte: Kuantum kuyulu lazerlerde Verimli gne pillerinde In modlasyonunda Dalga klavuzlarnda DBR ayna yapmnda

Farkl trden yariletkenler ile yaplan eklemler sayesinde kuantum etkilerin grlebilecei dk boyutlara inmek mmkn. Verimli ve hzl devre elemanlarnn yaplabildii heteroyaplar elektronikte ve optoelektronikte olduka yaygn olarak kullanlmaktadr.

17

Dk Boyutlu Sistemlerin stnlkleri

Tayclar (elektron ve deik) uzayn belli noktasnda hapsetmek tayclarn dalga fonksiyonlarnn rtmesini arttrr. Bu rtme, e-d iftlerinin verimli bir ekilde birlemesini baka bir ifade ile yaynlanan n kuantum verimliliinin artmasn salar.

Durum younluunun kesikli olmas tayclarn bant iinde sl enerjilerinin genilemesini engellediinden bant genilii azalr, tek renklilie daha ok yaklalr.

Kuantum kuyusunun genilii ayarlanarak (katk atom konsantrasyonu) enerji seviyeleri, dolays ile yaynlanacak n frekans ayarlanabilir.

Farkl malzemeler kullanld iin (farkl krlma indisleri) fotonlar uzayn belli bir blgesinde hapsedilir, optik verim artar.

Kuantum kuyu iersindeki elektron younluu d elektrik alan ile deitirilebilir (yk modlasyonu)

Elektronlar, (+) ykl iyonlardan ayrlarak devingenliklerinin daha byk olduu blgede hareket ederler (hzl elektronik)

Kuantum kuyusunun genilii elektronlarn de Broglie dalgaboyu mertebesinde olduu iin kuantum etkileri grlr. Kuantum etkiler saysinde verim, bantgeniliinde iyilemele olur.

Yukardaki durumlarn sonucu olarak, k retiminde kullanlan dk boyutlu sistemler eik akmn dmesine ve yksek kuantum verimliliine yol aar. Ayrca bu yaplarn:

zelliklerinden dolay hzl elektronik uygulamalarnda kullanlr.

18

Yksek Devingenlik

T (K)

D

e

v

i

n

g

e

n

l

i

k

(

c

m

2

/

V

-

s

)

Fonon

etkileimi (k

ristal titreim

i)

yonlam

ka

tk

atom

lar (s

alm

a)

GaAs

102101

105

106 Piezoelektrik (akustik fonon)

T (K)D

e

v

i

n

g

e

n

l

i

k

(

c

m

2

/

V

-

s

)

Fonon

etkileimi (k

ristal titreim

i)

102101

105

106 Piezoelektrik (akustik fonon)

GaAs/GaAlAs

Geni yasak bantl malzemedeki elektronlarn, iyonlardan ayrlarak kuantum kuyusunda birikmesi (2 Boyutlu Elektron Gaz-2BEG) iyon etkilemesini azaltacandan bu blgede dk scaklklarda yksek elektron devingenliinin olumasna neden olur.

19

Yk Modlasyonu-Ters Besleme

+ +

+

+

z

x

y+

+

++

Ters besleme - V < 0

- -

-

-

-

-

---

-

-

- EFEF

-+z

x

y

V

n p

p-n eklemine uygulanan negatif gerilim ile (ters besleme) arayzdeki kuantum enerji seviyelerini dolduran elektonlarn kesikli enerji seviyelerini boaltmas salanabilir.

20

Yk Modlasyonu-leri Besleme

+ +

+

+z

x

y++

++

V > 0

- -

-

-

-

-

---

-

-

-

EF

EF

leri besleme - V > 0

+-z

x

y

V

n p

p-n eklemine uygulanan pozitif gerilim ile (ileri besleme) n tarafndaki elektronlarn potansiyel engeli aarak arayzde oluan kuantum kuyusundaki kesikli enerji seviyelerini doldurmas salanabilir.

21

Yk Modlasyonu-Hzl Elektronik

z

x

y

+ +

+

+

+

+

++

- -

-

-

-

-

---

-

-

-

EF

EF

V

In p

Vd

I

Vm

Yksek devingenli elektronlarn hareketi

Yk modlasyonunun bir uygulamas hzl transistrlerdir. Farkl malzemeden yaplm bir p-n yapya z dorultusunda uygulanan gerilim ile arayzdeki (2BEG) tayclarn younluu deitirilebilir. Eer bu yapda y dorultusunda kontaklar yaplrsa 2BEG iindeki devingenlikleri ok yksek elektronlar ile iletim salanr.

22

Kuantum Kuyusu-1 GaAs yariletkenine Al ekleyerek GaAlAs yariletkeni oluturulabilir.

GaAlAsnin yasak bant aral (Eg) iindeki Al atomlarnn yzdesine bal olarak GaAsnin bant aral olan Eg=1,42 eV ile AlAsnin bant aral olan Eg=2,2 eV arasndaki deerleri alabilir.

E

EfEc

EvEf

++

++

++

++

++

++

GaxAl(1-x)As

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

GaAs

E=0 Boluk

EgKuantum Kuyusu

++

++

++

++

++

++

Eg

GaAlAs GaAs GaAlAs

Ec

Ev

GaxAl(1-x)As

23

Kuantum Kuyusu-2

L e x

E

V=

E

E

T=0 K T=0 K

LL e

x

E

E1

E2

E3

n=2

n=1

n=3

Elektron iin Schrdinger Denklemi

[ ]2

2 22( ) ( ) ( ) 0emd x E V x x

dx+ =

h

n=1, 2, 3....2 2

222n e

E nm L

=

hpi

(V= ) 0 < x < L

2( ) sin( )n

nx x

L L=

pi

2

2 2( ) 2 ( ) 0d x m E x

dx+ =h

Enerji

Dalga fonksiyonu n=1, 2, 3....

(V= 0) 0 < x < L

2 em Ek =h

(x)= 0

24

Dk Boyutlu Sistemler

Lx >> e Lx e

3 Boyutlu yap (3B)Ynsal (bulk) yaplar

Ly >> eLz >> e

Ly >> eLz >> e

Lx

LyLz

Lx

LyLz

Lx

Ly

Lz

Lx eLy >> eLz e

2 Boyutlu yap (2B)(kuantum kuyular)

1 Boyutlu yap (1B)(kuantum teller)

LxLy

Lz

0 Boyutlu yap (0B)(kuantum noktalar)

Lx e

Lz e

Ly e

GaAlAs

Yasak bant

GaAs

GaAlAs

Eg(Al)=1.43-2.16 eV

Eg(Al)=1.43-2.16 eV

Eg=1.43eV

Ec

Ec

Ec

Ev

Ev

Ev

z

x

y

Lx

Ly

Lz

Enerji (Eg)EcEv

x

25

Durum Younluu

E

3(E)

Eo

3(E) E1/2( )

3/ 2*

1/ 232 2

1 2( )2

Bo

mD E E E

= pi h

E

2(E)

E1 E2 E3

*

22( ) ( )B n

n

mD E E E= pi

h

E

1(E)

E1 E2

1/ 2*

1 1( )2 ( )

=

pi

h

B

n n

mD EE E

E

0(E)

E1 E2

0 ( ) 2 ( )B nn

D E E E=

boyutta (3D) durum younluu (Ynsal)

ki boyutta (2D) durum younluu (Kuantum Kuyusu)

Bir boyutta (1D) durum younluu (Kuantum Teli)

Sfr boyutta (0D) durum younluu (Kuantum Noktas)

Dk boyutlara inince durum younluu farkllk gsterir:

26

Ynsal (Bulk)-Kuantumlulua Kar

Kuantum Kuyusu

GaAlAs GaAs GaAlAs

Ec

Ev

G

a

A

l

A

s

G

a

A

l

A

s

G

a

A

s

Eg(GaAlAs)

GaAlAs GaAs GaAlAs

Ec

Ev

G

a

A

l

A

s

G

a

A

l

A

s

G

a

A

s

Eg(GaAlAs)

Eg(GaAs)

Lx >> e Lx eLx

Ynsal (bulk) YapLx

Eg(GaAlAs)Eg(GaAlAs)

E1h

E2h

E1eE2e

22

2hn

h x

nEm L

=

h pi22

2pi

=

hen

e x

nEm L n=1, 2, 3..

Frekans ( )e h

g n nE E E+ +=

hFrekans

( ) gC V EE E= =

h h

Eg(GaAs)

x x

z

x

yLx

2 2

2e

Ce

kE Em

= =

hEnerji

2 2

2h

Vh

kE Em

= =

h

27

Yariletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamalar-1Yariletkenlerin optoelektronikte kullanlmas farkl katklanma ve eklemler yaplarak mmkndr.

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

III. Blge (V0

-V

-I

V>0, I

28

Yariletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamalar-2Yariletkenlerin optoelektronikte kullanlmas farkl katklanma ve eklemler yaplarak mmkndr.

Eklemlerde kullanlan malzemenin bant yaps dorudan-dolayl (k alglayc-k yayc) Malzemenin yasak bant aral (yaylan veya alglanan n frekans) Katklama oran (tketim blgesinin genilii-d) Boyut kuantalanmas (verimli optoelektronik devre elemanlar)

+V

I

V>0, I >0

-V

-I

V>0, I

29

Optoelektronik Malzemeler-1 Optoelektronik teknolojisinde kullanlacak malzemeler, elektronik teknolojisine zg

kriterleri salamalarn yansra baz optik kriterleri de salamalar gerekir. Ik retiminde kullanlacan bir devre elemannn yapmnda kullanlacak bu kriterden biri malzemenin dolayl bant aralna sahip olmasdr.

Dolayl bant aralkl malzemelerde iletim bandndaki elektronlar deerlik bandna dorudan gei yapabildikleri iin (fononlara ihtiya duymadan) gei ve dolays ile foton retimi ok verimli olur.

Bileik yariletkenler dorudan bant aralna sahip olduklar iin optoelektronikteknolojisinde ok yaygn olarak kullanlr (GaAs, GaAlAs).

Verimli k aygtlarnn yaplabilmesi iin kristal kusurlarnn en az olmas gerekir.

Bant aralnn, istenilen dalgaboyunda k elde edecek (alglayacak) ekilde ayarlanabilmesi arzulanr.

E(k)

kEg

Dorudan bant aralkl malzeme

30

Optoelektronik Malzemeler-1 Bileik yariletkenlerin sahip olduu dorudan bant yapsnn yansra bileikteki atomlarn

konsantrasyonu deitirilerek bant aral (Eg) da istenilen ekilde deitirilebilir. Bu sayede doada olmayan istenilen bant aralna sahip yariletken malzemeler elde edilebilir ve dk boyutlu kuantum yaplar retilebilir.

Bileik yariletkenlerde krlma indisi de konsantrasyona bal olarak deiir (Selmineer Denklemi). Bu sayede ok verimli optoelektronik devre elemanlar retilebilir.

AlxGa1-xAs

GaAs AlAs50 1000

Al yzdesi

K

r

l

m

a

i

n

d

i

s

i

3.6

3.5

3.4

3.3

3.2

3.1

3.0

2.9

h=1,38 eV

Krlma indis

dorudan

dolayl

GaAs AlAs50 1000

Al yzdesi

B

a

n

t

a

r

a

l

(

e

V

)

3.0

2.0

1.5

2.5

1.0

EgGaAs=1,424 eV

EgAlAs=3,018 eV

EgAlAs=2,168 eV

EgGaAs=1,9 eV

Yasak bant enerjisi

=300

31

Ec

Ev

Eg(GaAs)

Eg(GaAlAs)

d (nm)

G

a

A

s

G

a

A

l

A

s

G

a

A

l

A

s

n(GaAs)n(GaAlAs)

E

n

Eg(GaAlAs)

Eg(GaAs)

xK

r

l

m

a

i

n

d

i

s

i

GaAs AlAs50 1000

Al yzdesi

3.6

3.5

3.4

3.3

3.2

3.1

3.0

2.9

h=1,38 eV

dorudan

dolayl

50 1000

B

a

n

t

a

r

a

l

(

e

V

)

3.0

2.0

1.5

2.5

1.0

EgGaAs=1,424 eV

EgAlAs=3,018 eV

EgAlAs=2,168 eV

EgGaAs=1,9 eV

Farkl yasak bant aralna sahip yariletken malzemeler kullanlarak oluturulan dk boyutlu kuantum yaplarda verim, hem elektronlarn (bant aralnn farkl oluundan) hem de fotonlar (farkl krlma indisinden) kuantum kuyusu hapsedildiklerinden dolay artar.

GaAlAsnn krlma indisi artan Al yzdesi ile azald iin oluturulan kuantum kuyusu (GaAs) krlma indisi kuantum engelinin (GaAlAs) krlma indisinden daha byk olduu iin (tam i yansma) fotonlar kuantum kuyusu hapsedildiinden foton alan artar ve lazer olay iin gereken foton alan oluturulur.

GaAlAsnn yasak bant enerjisi artan Al yzdesi ile artt iin kuantum kuyusu oluturulabilir. Kuantum kuyusu (GaAs) elektronlar ve deikleri kuyuda tuttuundan e-d birlemesi ok verimli olur.

=300

32

Farkl trden bileik yariletkenleri bytmek iin uygun bir alttan bulunmas gerekmektedir.Optoelektronik Malzemeler-3

a

b

Alta (GaAs)

film (AlAs)Alttan ve zerinde bytlecek filmin kristal rg sabitleri arasndaki fark ok kk olmaldr.

%1b aa

GaAs, AlAs, InAs, InPl (Quaternary) => GaxAl(1-x)As, InxAl(1-x)As

II-VIkili (Ternary) => HgTe, CdTel (Quaternary) => CdxHg(1-x)Te

Tek Atomlu Yariletkenlersilikon (Si), germanyum (Ge)

Optoelektronik Malzemeler-5

Dolayl Bant yaps (Si)

+V

I

-V

-I

+IIk Kaynaklar

Gne pilleriIk Alglayclar

+V

I

-V

-I

Dorudan (direk) Bant yaps (GaAs)

+I

Gne pilleriIk Alglayclar

Ik Kaynaklar

Yariletken malzemeler (tek atomlu ve bileik yariletkenler) yasak bant zelliklerine gre optoelektronik teknolojisinda farkl devre elemanlarnn yapmnda kullanlr.

35

Optoelektronik Malzemeler-GaAlAs

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html

22

2 )()()()( ooxD

xCB

xAxn +=AlxGa1-xAs iin bant aral (293 oK)

Eg(x) = Eg(GaAs) + (1.429eV)x (0.14eV)x2x > 0.44, iin AlGaAs indirek bant aralna sahiptir.

Krlma indisi

GaAs AlAs50 1000

Al yzdesi

K

r

l

m

a

i

n

d

i

s

i

3.6

3.5

3.4

3.3

3.2

3.1

3.0

2.9

h=1,38 eV

GaAs AlAsAl yzdesi

Bant enerjisi

dorudan

dolayl

50 1000

B

a

n

t

a

r

a

l

(

e

V

)

3.0

2.0

1.5

2.5

1.0

EgGaAs=1,424 eV

EgAlAs=3,018 eV

EgAlAs=2,168 eV

EgGaAs=1,9 eV

=300

36

Optoelektronik Malzemeler-InGaAs

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html

InxGa1-xAs iin bant aral (300oK)

Eg(x) = 1.425eV (1.501eV)x + (0.436eV)*x2

Btn x deerleri iin InGaAs direk bant aralna sahiptir.

0

K

r

i

s

t

a

l

r

g

s

a

b

i

t

i

(

n

m

)

0,62

0,2

0,60

0,58

0,60

0,640,4 0,6 0,8 1,0

InxGa1-xAs

AlxIn1

-xAs

x

GaAs

InAsInAs

37

Optoelektronik Yaplar

oklu Kuantum Kuyularn+-GaAs

GaAsGaAlAs

GaAlAs

GaAsGaAlAs

GaAsGaAlAs

Ec

Ev

Eg(GaAs)Eg(GaAlAs)Eg(GaAs)Eg(GaAlAs)

Basit Heteroyaplar

n+-InP

n-InPIn0,53Ga0,47As

Kuantum Kuyular

n+-GaAs

GaAsGaAlAs

GaAlAs

Ec

Ev

Eg(In0,53Ga0,47As)Eg(InP)

Bileik yariletken yaplar MBE, MOCVD gibi tekniklerle retilir.

Dk bant aralna sahip (rnein GaAs), yksek bant aralna sahip baka bir malzeme ile (rnein GaAlAs) sandvi yapda bytld takdirde dk bant aralna sahip malzemenin iletim band elektronlar iin, deerlik band ise deikler iin kuantum kuyusu oluturur.

oklu kuantum kuyular st ste bytlebilir. Kuantum kuyular arasndaki mesafe yakn olduu durumda (sper rg) kuantum kuyular etkileerek tayclar kuyular arasnda tnelleme ile geebilmektedir.

Farkl bant aralkl malzemeler (rnein InP and InGaAs) bir araya getirilerek kuantum yaplar elde edilir.

38

Optoelektronik Malzeme retim Teknikleri

Yaygn optoelektronik malzeme retim teknikleri:

Sv Faz Epitaksi (Liquid Phase Epitaxy, LPE)

Buhar Faz Epitaksi (Vapor Phase Epitaxy, VPE)

Organik Metal Kimyasal Faz Eptaksi (Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOVPE)

Organik Metal Kimyasal Buhar Epitaksi (Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)

Molekler Demet Epitaksi (Molecular Beam Epitaxy, MBE)

Optoelektronik malzemeler (heteroyaplar) ounlukla epitaksi kristal bytme teknikleri ile retilirlerEpitaksi, kelime anlam ile alttan kristal yap ve dorultusunu koruyarak yaplan bytme ilemine denir

(100)

39

Molekl Demeti Yntemi (MBE) ok yksek vakum (< 10-10 mbar) altnda gerekletirilen epitaksiyel bytme yntemidir Genellikle III-V bileik yariletken yaplar (GaAlAs, InAlAs vs) bytlmektedir.

altta

kaynaklar

elektron tabancas

fosforlu ekran

rnek transfer ubuu

shutter

transfer (tampon) vakum blgesi

Al

In

As

Ga

Si

rnek girii

bytmeodas

yksek vakumpompalar

rnek hazrlamaodas

karakterizasyonodas

yksek vakumpompalar

stnlkleri:Atomik mertebede kalnlk kontrol,Saflk derecesi ok iyi olan malzemeler retilebilir,Bytme srasnda ok iyi katklanma kontrol salanabilir,Lazer, dedektr ve modlatr gibi heteroyaplar iin ideal.

Olumsuzluklar:Kristal bytme hz yava < 1 m/saSeri retime uygun deil,Olduka pahal (Million Buck Epitaxy),

40

Yariletken Teknolojisi-Diyot Fabrikasyonu

n-Si

SiO2

n-Si

Fotoresist (PR)

n-Si

Maske

n-Si

UV k

n-Si

n-Si

n-Si

n-Si

Boron Difzyonu

p-Si

n-Si

n-Si

Al Metali

Al

n-Si

SiO2yi andracak kimyasal ilem

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

41

Yariletken Teknolojisi-Lazer Fabrikasyonu

n+-GaAsAltta

n+-GaAs

GaAsGaAlAs

GaAlAs

n+-GaAs

GaAsGaAlAs

GaAlAs

Optoelektronik devre elemanlar daha ok birleik yariletkenlerden (hetoroyaplar) yapld iin MBE, MOCVD gibi pahal teknikler kullanlr, bu retim teknikleri daha karmak ve yksek maliyetlidir. Aada basit bir yariletken lazerin yapm aamalar gsterilmektedir:

Oksit Tabaka

Epitaksiyel bytme

processing

42

zetYariletkenlerin kullanl farkl ekilde katklandrlp yaplar oluturmalarile salanr. Ayn yariletken farkl tayclarla katklanarak p-n yaplar (homo) oluturulabilecei gibi farkl malzemeler de farkl trden katklanarak elektronik ve optoelektronik yaplar (hetero) oluturulabilir.

Farkl yariletken malzemelerin bir araya getirilmesi ile oluturulan ve kuantum etkilerin olduu yaplar gz ok verimli ve hzl elektronik ve optoelektronik devrelerin yapmnda kullanlr.

Yariletken yaplarn I-V grafiinin bilinmesi uygulama asndan nemlidir. Elektronik/optoelektronik devre elemanlarnn alma ilkesi yariletken yaplardan elektron gei mekanizmasna dayanmaktadr.

43

UADMK - Ak Lisans Bilgisi

Bu ders malzemesi renme ve retme yapanlar tarafndan ak lisans kapsamnda cretsiz olarak kullanlabilir. Ak lisans bilgisi blm yani bu blmdeki, bilgilerde deitirme ve silme yaplmadan kullanm ve gelitirme gerekletirilmelidir. erikte gelitirme deitirme yapld takdirde katklar blmne sadece ekleme yaplabilir. Ak lisans kapsamndaki malzemeler dorudan ya da trevleri kullanlarak gelir getirici faaliyetlerde bulunulamaz. Belirtilen kapsam dndaki kullanm ak lisans tanmna aykr olduundan kullanm yasad olarak kabul edilir, ilgili ak lisans sahiplerinin ve kamunun tazminat hakk domas sz konusudur.