Yarıiletken eklem teorisi

OPTOELEKTRONİK YARIİLETKEN DEDEKTÖRLERİN FİZİĞİ VE TEKNOLOJİSİ

Ders – 1

Doç. Dr. Nevin TAŞALTIN

https://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjH-Kyf25DPAhUEXRoKHZrhCaQQjRwIBw&url=http://www.akademi-haber.com/gebze-teknik-universitesi-arastirma-gorevlisi-ilani-9003h.htm&psig=AFQjCNG4TsHGiRIP5tVT5Kjuh8f7sl-9-A&ust=1474006212772612

https://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=&url=http://www.sasad.org.tr/arge-muhendislik,2.html&psig=AFQjCNEm7Zbr93tPyOf2dXB8DJwKh7dvjg&ust=1474010837459574

Ders programı

1. hafta: Yarıiletken eklem teorisi2. hafta: Optoelektronik dedektörlerin sınıflandırılması ve optiksel dedeksiyon prensibi3. hafta: Yarıiletkende optik absorbsiyon4. hafta: P-N diyotta fotoakım (güneş hücresi, amorf silikon güneş hücreleriuygulamaları)5. hafta: Fotoiletken dedektör6. hafta: P-I-N fotodedektör (p-i-n dedektörler için malzeme seçimi ve p-i-n dedektörlerin frekans cevabı)1. Arasınav7. hafta: Çığ tipi fotodedektör (çığ tipi fotodedektörlerin tasarımı, çığ tipi fotodedektör band genişliği)8. hafta: Fototransistör9. hafta: Metal-Yarıiletken dedektör10. hafta: Yüksek hızlı ölçümler11. hafta: Kuantum kuyusu dedektör12. hafta: Kuantum kuyusu dedektör2. Arasınav13. hafta: Gelişmiş dedektörler14. hafta: Genel tekrar15. hafta: Genel tekrar16. hafta: Final sınavı

Ders kitapları ve materyaller: Semiconductor Optoelectronics: Pyhsics and Technology by Jasprit Singh, A. P. French, published by McGraw-Hill, Inc., 1995.



Optoelektronik teknolojisi

Yarıiletken eklem teorisi

Optoelektronik malzemeler

Yarıiletken eklemlerin optoelektronik uygulamaları

İçerik




Optoelektronik (OE), ışık enerjisini elektrik enerjisine , elektrik enerjisini ışık enerjisine dönüştürme işlevini konu alır.

Elektron-foton veya foton-elektron dönüşümüne dayanan yarıiletken lazerler, ışık yayan diyotlar (LED), CCD (Charge Coupled Device), foton dedektörleri optoelektronik özellik gösteren aygıtlar olup bu aygıtların incelenmesi ve geliştirilmesi optoelektroniğin konusudur(Örnek: lazerler, dedektörler, güneş pilleri, vb).



Bilgi taşınırken, bilginin ortam koşullarından etkilenmeden en doğru bir şekilde (kayıpsız) iletilmesi gerekir. Bunun için bilgi, farklı işlemlerden geçirilerek değişik sinyal formuna dönüştürülür (modülasyon). A noktasındaki bir bilginin B noktasına taşınmasına iletişim denir.

İletilecek bilgi öncelikle bir kodlama işlemine tabi tutulur. Kodlanan bilgi daha sonra bu bilgiyi uzak mesafelere kadar taşıyacak olan periyodik bir sinyalin (taşıyıcı dalga) üzerine bindirilerek (modülasyon) taşıyıcı ortam boyunca (örneğin boş uzay, fiber kablo) iletimi sağlanır. Taşıyıcı ortam boyunca iletilen (bilgiyi içeren) sinyal uygun alıcı tarafından algılanır (anten, ışık dedektörü). Algılanan sinyal, bindirme işleminin tersi bir işlemle (demodülasyon) bilgi vetaşıyıcı sinyale ayrıştırılır. Kodlanmış bilgi çözülür. Bu aşamalar neredeyse her türlü iletişim teknolojisi (RF, optik vs) için aynıdır.




Özellikle iletişim teknolojisinde kullanılan elektromanyetik (em) bölge (RF, mikrodalga), artan veri transferi talebini karşılayamamakta (özellikle internetin yoğun kullanımıyla) ve gerek bilgi işlemede gerekse iletmede doyuma ulaşmıştır. Bu teknolojik çıkmazdan, daha yüksek frekanslara sahip em dalgalar (ışık) kullanarak çıkmak mümkündür. Bu bağlamda, ışık dalgası elektronik teknolojisine bir çok avantaj sunmaktadır:

• Sinyal kalitesi - Lazerlerle birlikte sinyalin bozulmadan ve parazit etkilerden etkilenmeden optik fiberler içerisinde uzun mesafeler boyunca iletilmesi mümkündür.

• Güvenli bilgi iletimi - Işık dalgası sayesinde bilgi daha güvenli iletilebilmektedir. Optik fiberlerde ışık uzun mesafeler boyunca, az kayıpla ve güvenli olarak iletilebilmektedir.

• Yüksek bant genişliği - İletimin metal tellerden elektronlarla yapılmasına kıyasla optik fiber içinden ışıkla (yüksek frekans, 1014 Hz) birim zamanda çok daha fazla bilgi iletilebilmektedir. Optik fiberler, yaklaşık GHz mertebesinde (yüksek bant aralığı) bilgi taşıma kapasitesine sahiptirler; optik fiberler, metalik telefon hatlarına kıyasla 100 milyon kez daha fazla bilgi taşıyabilmektedirler.




Yarıiletkenler, farklı tipte katkılanıp (n- veya p-tipte) bir araya getirilerek optoelektronik uygulamalarında kullanılır. • Aynı tür eklemler (homojunction)Aynı tür yarıiletkenden oluşturulmuş n- ve p-tipi yarıiletkeni birleştirerek oluşturulan eklemler (Si:Si, Ge:Ge). Bu tür eklemlerin üretimi kolay ve maliyeti düşüktür, fakat çok verimli devre elemanları üretilemez.

• Farklı tür eklemler (heterojuction)Farklı tür yarıiletkenleri birlestirerek olusturulan eklemler (örnegin Si:Ge, GaAs:GaAlAs). Bu tür eklemlerin üretimi zor ve maliyetlidir, ancak çok verimli ve hızlı elektronik ve optoelektronik devre elemanları üretmek mümkündür.




n-tip ve p-tip Si malzeme için n- ve p- tarafının yasak bant aralığı aynıdır. n tarafta, iletim bandında serbest hareket eden elektronlar, p tarafta da değerlik bandında serbest hareket eden elektronlar (boşluklar) bulunur. Her iki tarafta da net yük yoğunluğu sıfırdır.


P-N eklemi oluşunca, p ve n tarafındaki yük yoğunlukları farklı olduğu için (Ef seviyesi farklı), yük dağılımı denge durumuna ulaşıncaya kadar (Ef eşitleninceye kadar) n tarafındaki elektronlar p tarafına geçerek boşluklarla birleşir. Hareketli yüklerden arınan bu bölgede (tüketim bölgesi) oluşan yapısal elektrik alan daha fazla elektronların n tarafından p tarafına geçmesini engeller ve denge durumu oluşur.



P-N ekleminde denge durumuna ulaşıldığında, yapısal E daha fazla elektronların (boşlukların) n tarafından p tarafına geçmesini engeller. Dış uyarının olmadığı denge durumunda bir p-n eklemi üzerinden geçen net akım sıfırdır; kuantum mekaniksel olarak potansiyel engelini geçerek karşıya geçen yüklerin oluşturduğu akım (Idif), tüketim bölgesinde oluşan elektron ve boşluk çiftlerinin oluşturduğu akım (Idrift) ile dengelenir. Bir p-n eklemine uygulanan gerilim ile yapısal E (ve tüketim bölgesinin genişliği) büyüklüğü değiştirilerek eklem üzerinden geçen akım değiştirilebilir.


İleri beslemede, p-n ekleme uygulanan gerilimden kaynaklanan E, yapısal E ile zıt yönde olduğu için eklem bölgesindeki E azalır (tüketim bölgesi daralır). Bu durumda, yüklerin potansiyel engelini aşarak karsı tarafa geçmeleri üstel olarak artar, devrede dolanan akım üstel olarak artar (idif).



Ters beslemede ise, p-n ekleme uygulanan gerilimden kaynaklanan E, yapısal E ile aynı yönde olduğu için eklem bölgesindeki E daha da büyür (tüketim bölgesi (d) genişler). Bu durumda, yüklerin karşı tarafa geçmeleri daha da zorlaşır (idif=0). Ancak tüketim bölgesinde oluşan elektron ve boşluk çiftlerinden kaynaklanan (idrift) yapısal E dolayı yeniden birleşemeden n ve p tarafına geçerek karanlık akımı (Ik) oluşturur.Bir p-n ekleme uygulanan ters gerilim kırılma gerilimi olarak bilinen (Vb) gerilimin üstüne çıktığında, eklem üzerinden geçen akımda üstel bir artış gözlenir. Bu artış n-tarafın iletim bandının p-tarafındaki değerlik bandının altına inmesinden kaynaklanır.




p-n eklemi üzerine gelen hv>Eg enerjili fotonlar, tüketim bölgesinde ve ayrıca n ve p bölgelerinde elektron-boşluk çifti oluşturur. Tüketim bölgesinde oluşan elektron-boşluk çiftleri yapısal E dolayı yeniden birleşmeye fırsat bulamadan n ve p tarafına geçerler ve akıma katkıda bulunurlar.


n ve p tarafında, difüzyon uzunluğu içinde oluşan elektron-boşluklar da yeniden birleşmeden tüketim bölgesine giderek akıma katkıda bulunabilirler. Ancak, difüzyon mesafesinin dışında oluşan elektron-boşluk çifti tüketim bölgesine gidene kadar elektron-boşluk ile birleşerek kaybolur ve akıma katkıda bulunamaz. Dolayısıyla sadece tüketim bölgesine ve difüzyon uzunluğu içinde yaratılan fotonlar algılanır.



Farklı yarıiletkenden yapılmış n-tipi ve p-tipi katkılanmış yarıiletken malzemeler düşünelim.Malzemeler farklı olduğu için bant aralıkları da farklı olacaktır.




Yarıiletken malzemeler, yasak bant özelliklerine göre optoelektronik teknolojisinde farklı aygıtların üretiminde kullanılır. Dolaylı bant aralıklı malzemelerde iletim bandındaki elektronlar değerlik bandına doğrudan geçiş yapabildikleri için (fononlara ihtiyaç duymadan) geçiş ve dolayısıyla foton üretimi çok verimlidir. Bileşik yarıiletkenler doğrudan bant aralığına sahip oldukları için optoelektronik teknolojisinde çok yaygın olarak kullanılır (GaAs, GaAlAs). Bileşik yarıiletkenlerin sahip olduğu doğrudan bant yapısının yanısıra bileşikteki atomların konsantrasyonu değiştirilerek bant aralığı istenilen değere ayarlanabilir. Bu sayede doğada olmayan istenilen bant aralığına sahip yarıiletken malzemeler elde edilebilir ve düşük boyutlu kuantum yapılar üretilebilir. Bilesik yarıiletkenlerde kırılma indisi de konsantrasyona bağlı olarak değişir. Bu sayede, yüksek verimli optoelektronik aygıtlar üretilebilir.

Optoelektronik malzemeler




• Eklemlerde kullanılan malzemenin bant yapısı doğrudan - dolaylı (ışık algılayıcı - ışık yayıcı)• Malzemenin yasak bant aralığı (yayılan veya algılanan ısığın frekansı)• Katkılama oranı (tüketim bölgesinin genişliği - d)• Boyut kuantalanması (verimli optoelektronik aygıtlar)



Farklı yasak bant aralığına sahip yarıiletken malzemeler kullanılarak oluşturulan düşük boyutlu kuantum yapılarda verim, hem elektronların (bant aralığının farklı oluşundan) hem de fotonların (farklı kırılma indisinden) kuantum kuyusuna hapsedilmesinden dolayı artar.




Documents

Yarıiletken eklem teorisi