116. Ders

Optoelektronik Devre Elemanlar-II

( )opV R

A( )opi

Popn p

2Bu blm bitirdiinizde,

Ik alglayclarn (dedektrler) genel zellikleri, Dedektr parametreleri, Dedektr tepki sresi, kazan, verim, p-n, p-i-n fotodiyot, fotodiyot, bant ii sourmal fotodiyot, Gne pilleri, Gne pilleri tasarm parametreleri

konularnda bilgi sahibi olacaksnz.

3Onaltnc Ders: erik

Ik Dedektrleri Ik Dedektrleri-Genel zellikler Fotoiletken Dedektrler Fotodiyot Dedektrler

p-n Fotodiyotlar p-i-n Fotodiyotlar Metal-Yariletken Fotodiyotlar Fotodedektrler Bant i Sourmal Fotodedektrler

Gne Pilleri Fotovoltaik Etki Gne Pil Tasarm

4Ik Dntrcler

Ik Alglayclar (Dedektrler) Gne Pilleri

5 Isl (Termal) FotoDedektrler

Foton enerjisini sya evirerek len dedektrlerdir. Bu tr dedektrler, verimsiz, yava ve elektronik teknoloji ile tmleemediklerindenoptoelektronikte kullanlmazlar.

- Termoelektrik dedektrler- Bolometre dedektrler- Pyroelektrik dedektrler

Fotoelektrik Dedektrler

Fotoelektrik etkiye dayanarak gelitirilen dedektrlerdir. fotoelektrik etkiye (metal yerine yariletken) ve yariletken teknolojisine dayanan bu dedektrler, verimli, hzl ve tmletirilebildikleri iin fotonikte ok yaygn olarak kullanlr.

Bu derste sadece Fotoelektrik Dedektrler incelenecektir.

Ik Alglayclar (FotoDedektrler)

6Fotodedektrler-1Uygun ekilde tasarlanan bir p-n ekleminin zerinden geen akm, ters gerilim altnda (III.

Blge) eklem zerine den k iddeti ile orantl olarak modle edilebilir.

III. Blge (V0

-V

-I

V>0, I

7Fotodedektrler-2

( ) ( ( ) )op opi veya V Optik ak () (foton/s)llecek (Girdi) llen (kt)

DuyarllkTepki sresiVerimlilikKazan

i fotoelektrik etki (oluen e-d ifti ieride kalr)

(foton/s)

E1.24( ) ( )E eV m =

Eg

EV

ECiop()

n p

R

E

Vop ()Vo

p-n eklemi fotodiyot modunda (yksek ters gerilim) altrlr.

Optik dedektrlerle optik aky llebilir niceliklere (akm, gerilim) dntrerek lm yaplr.

8Fotodedektrler-3

I

=0Vo

0

V

n pEVo=0

0drift det fn ii ii = + =Ec

EvEf

E

difidrifti

(foton/s)

( )ok pii

9deal Fotodedektrdeal dedektr parametreleri nelerdir?

Kazan

Tepki sresi

t (ns)

Pop

Dedektr

t (ns)

iop(t)

Optik sinyal Dedektrakm

( )opV RA

( )opi Pop

iop

Pop

Duyarllk(responsivity)

Bir dedektrn, kazanc, tepki sresi, duyarlln bilmek nemlidir.

10

Ik Alglayclar (Dedektrler)-Genel zellikler

Kuantum Verimlilii (Quantum Efficiency)

Dedektr Tepkisi (Responsivity)

Tepki Sresi (Response Time)

Kazan (Gain)

Kazan-Bantgenilii arpm (Gain-Bandwidth Product)

Sinyal-Grlt Oran (SNR)

11

Kuantum Verimlilii-1

=(elektron-deik ifti reten k aks) / (dedektre gelen toplam k aks)

Kuantum verimlilii (): Bir fotonun, dedektr akmna katkda bulunacak elektron ve deik ifti (e-d ifti) oluturma olasl

hv

Birden ok foton olmas durumunda foton aks cinsinden tanmlanrsa

etkileyen faktrler:- yzey enerji durumlar- bant aral (dalgaboyu)- serbest tayc sourmas- fonon salmas

- Sourma katsays ()- Yzey yansmas- Olaslk

- Aktif blgede sorulmayanlar

- Yzey etkiler

12

Kuantum Verimlilii-2(1 )(1 )dR e=

iop

hv

dE

R

(1 ) oR I

sourma=1 d (1 )(1 )doI I R e=

oI

xx

d

(1 )(1 )d oR e I

Io(1-R)Io

(1 )(1 )doI I R e=

R=yanstma katsays=akma katk salayan

elektron-deik ifti oran=sourma katsays

0 1 Kuantum Verimlilii

13

Duyarllk (Responsivity)

pePi eh

= =

Dedektr devresinde oluan akm (iop) ile dedektr zerine den optik g (P) arasndaki katsay

( )( )

pi AmperP Watt

=

pi e=

1.24pi eP h

= = =

P h=

deal durum =1

pei P P

h

= = 1.24( ) ( )E eV m =

Dedektr Duyarll ( )

Ph

=Foton aks (foton/s)

Optik g (Watt)

Fotonlarn yaratt elektron-deik iftlerinden kaynaklanan dedektr devresinde (d devre) akm

iop

(foton/s)h

P=h (watt)

E

R

Dedektr Duyarll

14

Kazan

pePi eh

= =

Kazan (G), bir fotonun dedektr devresinde oluturduu toplam yk miktardr.

1 foton 1 e-d iftiQGe

=

Ph

=Foton aks (foton/s)

( )pei Q G e G P

h

= = =

1 foton G e-d ifti

1 foton 1 serbest yk deil de Q kadar yk oluturursa

Kazan

Kazan cinsinden d devrede dolanan akm

Kazan:G >> 1 ( kdedektrler)G 1 (p-n fotodedektrler)

Q eQ e

>

Eg

E

R

d

p

n

iop

> Eg

E

R

d

p

n

iop

> Eg

E

R

d

p

n

Frekans st limitFrekans alt limit

Dedektr elektromanyetik spektrumun hangi blgesindeki alglar?

Foton enerjisi yasak bant enerjisinden kk ise sourma olmayacandan fotonlar hi alglanmaz!

Foton enerjisi yasak bant enerjisinden byk ise sourma olur ve fotonlar e-d iftlerine dntrlr.

Foton enerjisi, yasak enerji ile karlatrldnda ok byk ise fotonlar aktif blgeye gelmeden yzeyde sorulacaklarndan e-d iftine verimli bir ekilde dnemeyeceklerinden duyarllk azalr.

18

Dedektrler-Tasarm

P+

Pnn-p eklemli fotodiyot

n

d

d

n-p+ eklemli fotodiyot

1/ 22 1 1( )o

a d

Vdq N N

= +

Tketim blgesi n ve p tarafnda

Tketim blgesi ounlukla n tarafnda

Yksek elektron devingenlii -> yksek hz

e h >>Yksek elektron

devingenlii

p:1019 cm-3n:1016 cm-3

( ) (1 )(1 )d

pk

ei q AL

i

= ++

1 (1 )d

p

e

L

=

+

stenilen amaca gre dedektr tasarm yaplabilir.

19

Dedektrler-Tasarm-2

Pn

p-n eklemli fotodiyot

d

p-i-n eklemli fotodiyot

Ksa tketim blgesi, ksa gei zaman, hzl dedektr. Ancak ksa tketim blgesi, fotonlarn sorulduu alan klttnden kuantum verimliliini azaltr.

Tketim blgesinin dnda (difzyon uzunluu iinde) oluan e-d iftleri (vdif

20

Yariletken Dedektr Malzemeler-1

AlGaAs

(In1-xGax)(As1-yPy)

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 Eg (eV)

SiGe

GaSbAs

AlGaP

InGaPBantii geili dedektrler(SperrgDedektrler)

GaSb

GaPInP GaAsInAs

10.2 5.0 2.0 1.0 0.9 0.6 0.5 g (m)

AlAs

Kzlalt Grnr Mortesi

1.24( ) ( )g gm

E eV =

InSb: 0.18 eV

21

Yariletken Dedektr Malzemeler-2

Kzlalt-0,92-1,7-In1-xGaxAs1-yPy/InP

Kzlalt-3,0-17.01,5-6,0HgxCd1-xTe

Yakn Kzlalt-1,650,75In0.53Ga0.47As/InP

Kzlalt-3,5020,354InAs

0,7-0,87

0,8671,106

1,850

0,512

6,880

Yasak Bant

dalgaboyu (m)

Kzlalt-Eg(GaAs) + 1,429x -0,14x2Ga1-xAlxAs/GaAs

Kzlalt85001,43GaAsKzlalt16001,12Si

Grnr Blge-2,42CdS

Kzlalt39000,67Ge

Kzlalt1050,18InSb

DedektrBlgesi

Devingenlik(elektron)(cm2/V-s)

Yasak Bant Aral (eV)Malzeme

22

Yariletken Dedektr eitleri

Fotoiletken Dedektrler p-n Fotodiyotlar p-i-n Fotodiyotlar Metal-Yariletken Fotodedektrler Fotodedektrler Dalga klavuzlu Fotodedektrler Bant i Sourmal Fotodedektrler

23

Fotoiletken Dedektrler-1Uygun bir yariletken zerine den foton, iletim bandnda bir elektron, deerlik bandnda ise bir deik oluturur.

Oluan elektron-deik iftleri tayc younluunu, dolays ile iletkenlii () arttrr.

D devrede dolaan akm (veya devreye bal seri diren zerindeki gerilim) foton aksna bal olarak deiir.

(foton/s)

iop()R

E

Vop ()

()

24

Fotoiletken Dedektrler-2

de

i e

=

n/ = fazlalk elektronlarn azalma oran

vh

25

Fotoiletken Dedektrler-3

Kazan( ) 1

eG<

( ) 1e

G>

Spektral Duyarllk

Duyarllk

Eg

1.24( ) ( ) ( )g gm m

E eV =

di e G =e

G

=

Kazan yariletkenyaltkan

Fotoiletken dedektryaps

Tipik Kazan G=104 - 105 < 106ve=107 cm/se=10-8 s=10-13 s

26

p-n FotoDedektrler-1

g3>g2>g1

-Vgop=0

V

I

g1g2g3

iop()

n p

R

E

Vop () /( ) ( 1) ( )qV ko

Tk pi i e i=

Tketim blgesinde elektron-deik iftinin oluturulmas esasna dayal k alglayclarna Tketim Blgesi Ik Alglayclar (Depletion Layer Photodiode)

Yap ters beslenerek altrlr:

Yksek ters gerilim, tketim blgesinde gl elektrik alan oluturduundan tayc srklenme hz artar (dolays ile tepki sresi iyiletirilir). Ayrca tketim blgesinin genilii artacandan kapasitif etkiler de azalr (dolays ile tepki sresi iyiletirilmi olur).

Ters gerilimle tketim blgesi genilediinden daha geni bir alanda fotonlar sorulur.

Kazan 1

27

p-n FotoDedektrler-2

Tepki sresi: Tketim blgesindeki gl yapsal elektrik alandan dolay bu blgedeki

tayclarn hareketi hzl olduundan fotoiletkenlere gre tepki sresi daha iyidir.

Tketim blgesinin dnda oluturulan e-d iftlerinin difzyon yolu ile hareketi uzun zaman alacandan bu tepki sresini olumsuz etkiler.

p-n yap yerine p-i-n yapdaki diyotlar kullanlarak tepki sresi daha da iyiletirilebilir.

hv

pnE

d LnLp

edif=Ln/vehdif=Lp/vh

srklenme blgesi

drift=d/v

difzyon blgesi

difzyon blgesi

drift

28

p-i-n Fotodedektrler

i-blgesi (saf blge, intrinsic): katklanmam blge (veya ok az katkl).

Uygulanan ters gerilim tmyle i-blgesinde grlr.

Fazlalk tayclarnn yar mr yeterince uzun ise oluanelektron-deik ifti n- ve p-blgelerine ulaarak toplanr.

iop()

n p

R

E

Vop ()

i

p-i-n yapnn stnlkleri:-Tketim blgesi ok geni olduundan daha fazla foton toplanr,-Tketim blgesinin kalnl kontrol edilebilir,-Geni tketim blgesi, kk C, kk RC sabiti, yksek tepki sresi,- pikosaniye (ps) tepki sresi.

p-n yap arasna katklanmam bir katman konarak tketim blgesinin genilii kontroll olarak geniletilir.

Kazan 1

29

Schottky Engelli FotoDedektrler

stnlkleri metal yariletken

EFEC

EV

w-

Her yariletken p veya n-tipi katklanamad iin baz yariletkenlerden p-n eklemli dedektr yapmak zordur.

Tketim blgesi hemen yzeyde balad iin yzey birlemeleri minimumdur (yksek ) (Bu sebepten yksek enerjili (UV) fotonlarn alglanmasnda stnlkleri vardr).

Metalden dolay diren kk olduundan RC zaman sabiti kk dolays ile yksek tepki sresi (100 GHz).

Enerji hv w-

ok ince (optik geirgen) metal-n-tipi (veya p-tipi) yariletken

tketim blgesi

30

Dalga Klavuzu FotodedektrlerTipik bir dedektrde k p-n eklemine dik dorultuda gelir.

d

n

Rp

d

Dalga klavuzu eklinde yaplan dedektrlerde k ekleme paralel gelir.

( ) (1 )(1 )d

pk

ei q AL

i

= ++ ( ) (1 )Li q A e =

iop

E

Rp+

n

1 (1 )d

p

e

L

=

+

L

L >>1 ayarlanarak =1yaplabilir. d ve L birbirinden bamsz olarak ayarlanabilir.

Kazan 1

31

Fotodedektrler (Avalance Photodedectors)Dk seviyedeki k sinyallerini alglamak iin k alglayclar (avalanchephotodedector) kullanlr. Tketim blgesi alglayclarnda kazan en fazla 1 olurken alglayclarda bu say ok byk olabilir.

V

i pn

+V

I

-V

-I

ik

iopiop

ik

ik= Karanlk akm

iop= Ik altndaki akm

gop = 0gop 0 fotodedektr yaps

32

Ikalglayclar (Avalance Photodedectors)

e: birim uzunluk bana elektron iyonizasyon olasl

h: birim uzunluk bana deikiyonizasyon olasl

h

e

=

RV

d

e

n

Ed

n pi

xn pi

fotodedektrler ile karakterize edilirler

0 = etkisi elektronlarla = etkisi deiklerle

1/e: arpmalar aras ortalama uzaklk

Aktif blgede foton tarafndan oluturulan e-d ifti elektrik alandan dolay ters ynlere gider. Blgenin uzunluundan ve byk elektrik alandan dolay n veya p tarafna gelmeden kendileri de e-d ifti oluturacak enerjiye sahip olurlar ve arparak (impact ionization) yeni e-d iftleri olutururlar.

33

Ik Dedektrleri etkisinin hem elektronlarla hem de deiklerle bir arada oluturulmas STENMEZ:

- Zaman kaybna- Grlt artna- krlmasna

neden olur.

Bu etkileri azaltmak iin dedektr tasarm sadece bir taycya gre yaplr [=0 (elektronlarla) veya = (deiklerle)]Ayrca fotonlarn sorulduu ve ivmelendirildikleri blgeler de farkl tutulur.

RV

n+ p i p+

Sourma blgesi blgesi

EV

EC

p+

n+

V=0

V0

Heteroyaplarla olutrlmu k dedektr

Eg

EC=Eg

34

Ik Dedektrleri-Kazan

111 e

Gd

= =

edG e=

h

e

=(1 )

11ed

Ge k

= =

( ) ( )edi x i x dx=

Tek bir tayc (rnein elektron) kazan (G)

Her iki tayc olduu durumda kazan (G)

d

Kazan

( ) exoi x i e=

io(d)io(0)

35

Bant i Sourmal (Sper rgl) FotoDedektrlerTipik bir dedektrlerde e-d oluumu iletim ve deerlik band arasnda olur.

70 GaAs n:1018 cm-3140 Al0.36Ga0.64As

=10.3 m

OlumsuzluklarKaranlk akm byk (tnellemeile geen E1 -> E2 elektronlar)

stnlkleri- Uzun dalgaboylarn alglama- Ksa tepki sresi

Yariletken sperrgler (GaAs/GaAlAs) kullanlarak kzlalt blgede ok hzl dedektrler yaplabilir.

Uygun ekilde oluturulan kuantum ukurlarnda uyarmalar iletim band iinde kuantal enerji seviyeleri arasnda da olabilir.

R=2 A/W @ 9V besleme

2 1( )C CE Eh

=

deerlik band anlalrlkiin gsterilmemitir!

ECfotoakm

G

a

A

s

G

a

A

l

A

s

G

a

A

s

G

a

A

l

A

s

G

a

A

s

G

a

A

l

A

s

E1

E2

140 70

G

a

A

l

A

s

50 ift

G

a

A

s

G

a

A

l

A

s

36

Katmanl FotoDiyotlar

Olumsuzluklar- retimi pahal

stnlkleri-Geni frekans bantaral-Yksek verimlilik

Farkl bant aralna sahip yariletkenler uygun ekilde bir araya getirilerek spektral tepkisi arttrlabilir.

EC

G

a

A

l

A

s

EV

G

a

A

s

I

n

A

s

ECEV

n pGaAs

Tek katmanl p-n dedektr ok katmanl p-n dedektr

BWhetero

duyarllk

GaAsAlGaAs/GaAs/InAs

BWhomo

37

Gne Pilleri

38

Yariletken Eklemlerin Optoelektronik UygulamalarIk altnda bir p-n eklemi zerinde oluan gerilim ve akm ters ynl olur, yani eklem

emk (elektromotor kuvvet) gibi, baka bir ifade ile pil gibi davranr ve devreye elektriksel g salayabilir.

IV. Blge (V>0, I 0, I >0

-V

-I

V>0, I

39

Gne Pilleri

Elektron-deik iftinin yaratlmas ile p-n ekleminin ular arasnda oluacak olan gerilim kullanlan yariletken malzemenin bant aralndan daha dk olur (rnein Side bu gerilim < 1 V).

Akm ise aydnlatlan yzeye baldr. 1 cm3lik alan iin 10-100 mA arasnda deiir.

Gerilim dk olduundan yksek g elde etmek iin byk yzey alanlar kullanmak gerekmektedir.

Gne spektrumundaki btn dalgaboylarnn eklem tarafndan sorulmas arzulanr.

Silikon, ucuz oluundan dolay gne pillerinde yaygnca kullanlmaktadr.

Uygun bir p-n eklemi I-V erisinin V. blgesinde altrlrsa eklem zerine gelen n oluturaca elektron-deik ifti toplanarak d devreye elektriksel g salayabilir. Buna fotovoltaik etki denir.

V

I

iop=0

iop>0Ig

Vg-

+

n

p

Iop>0

Ig

Vg

Fotovoltik (PV) etki

E

40

Gne Pilleri-2

Dolum Faktr (Fill Factor) m msc oc

I VFFI V

=

Gne pillerinin verimlilii: (oluturulan e-h says) / (gelen foton says)

Vm= Eklem zerinde oluan maksimum gerilimiIm= Devrede dolaan maksimum akm

V

I

Vm

Im

Voc

Isc

Voc= Ak devre gerilimiIsc= Ksa devre akm

Iop=0

Iop>0

-

+

n

pVoc

-

+

n

pIsc

Yariletken malzemenin bant aralna ve katklanmaya bal

p-n ekleminin yzey alannaeklemlerin direncine bal

-

+

n

p

Vm

Im

41

Gne Pilleri-Tasarm-1

Elektron-deik iftinin yaratlmas ile p-n ekleminin ular arasnda oluacak olan gerilim kullanlan yariletken malzemenin bant aralndan daha dk olur (rnein Side bu gerilim < 1 V).

Geni Bant aral (yksek gerilim)

Dk bant aral (yksek akm)

G

V

I

iop=0

iop>0Ig

Vg-

+

n

p

Iop>0

Ig

Vg

Fotovoltik (PV) etki

E

42

Gne Pilleri-Tasarm-2

Eg

Gne Pili Tasarm

a) Gelen gne nn en etkin ekilde elektrik enerjisine (elektron-deik iftine) evirebilme zellii (hv Eg).

b) Optik gten maksimum derecede faydalanmak iin gne pilinin geni yzeye sahip eklem alan olmaldr.

c) Oluacak elektron-deik iftlerinin eklem blgesine ulamas maksimum olacak ekilde ayarlanmaldr (d Eg

a)

A

b) c)

p

n

43

Gne Pilleri-Tasarm-3

Gne Pili Tasarm (Devam)

d) Yzey yansmasn azaltacak ve tayclarn yzeyde birlemesini azaltacak yanstma nleyici kaplama ile kaplanmaldr.

e) Oluan elektron-deik iftlerini tekrardan birlemeden toplayacak ularn (elektrotlarn) uygun yerletirilmesi.

f) p-n blgelerinde g kaybnn en aza olabilmesi iin ok kk dirence sahip olmaldr.

d) e)

p

n

Metal kontak

stten grn

d

hv > Eg

p

n

E

hv > EgYanstma nleyici kaplama

f)

44

Gne Pilleri-Malzemeler-1

Gne pillerinde kullanlan silikon, scaklkla verimlilii dt iin bunun yerine yksek scaklklarda verimlilii daha iyi olan bileik yariletkenler kullanlmaktadr.

rnein GaAs-GaAlAs heteroyapl gne pilleri yksek verimlilie ve yksek scaklklarda alabilme zelliine sahiptir.

Ancak GaAs-GaAlAs heteroyaplarn retimi pahaldr.

Gne pillerinde bant yaps dorudan ve dolayl bant yapsna sahip malzemeler kullanlabilir.

Kristal yapya sahip malzemelerde verim yksektir ancak maliyet artar.

Gne pillerinin yapmnda kullanlan en yaygn malzeme Silisyumdur (Si).

45

Gne Pilleri-Malzemeler-2 Gne pillerinde bant yaps dorudan ve dolayl bant yapsna sahip malzemeler

kullanlabilir.

Kristal yapya sahip malzemelerde verim yksektir ancak maliyet artar.

Gne pillerinin yapmnda kullanlan en yaygn malzeme silisyumdur (Si).

2.101.7618Cu2O (Bakr-2 oksit)

1.00-14CuInSe2-(CIS) (Bakr indiyumdiSelenide)

1.44-12CdTe

1.43-26GaAs

1.705-713Silisyum (amorf)1.1213-1518Silisyum (poli-kristal)1.1214-1723Silisyum (kristal)

Bant aral(eV)

Pratik verim(%)

Teorik verim(%)Malzeme

46

zet

Neredeyse btn optoelektronik devre elemanlar p-n eklemi eklinde oluturulur. Bu derste k dntrc optoelektronik devre elemanlar olan k alglayclar (dedektrler) ve gne pilleri incelenmitir.

Bir p-n eklemi I-V grafiinin 3. blgesinde altrldnda eklem zerine denk verimli bir ekilde akm veya gerilim gibi llebilen niceliklere dntrlebilir. p-n ekleminin yaps amaca uygun olarak tasarlandnda hzl, duyarl ve kazanc ok yksek olan k alglayclar yaplabilir. Dedektrler szkonusu olunca, duyarllk, kazan verimlilik gibi parametreler dedektrn kullanlabilirliini ne karr.

Bir p-n eklemi I-V grafiinin 4. blgesinde altrldnda eklem zerine den ok verimli ekilde elektrik enerjisine dntrebilir. Gne pillerinde elektrik gcn arttrmak iin geni eklem yzeylerine ihtiya duyulur. Gne pillerindeki en nemli parametre verimdir. Gne pili yapmnda kullanlan bir malzemenin verimini artrmann yolu uygun tasarm yaplmas ile salanr.

47

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.