1

16. Ders

Optoelektronik Devre Elemanlar-II

( )opV R

A( )opi

Pop n p

2

Bu 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.

3

Onaltnc 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

4

Ik 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)

6

Fotodedektrler-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

7

Fotodedektrler-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 eVm

=

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.

8

Fotodedektrler-3

I

=0

Vo

0

V

n pEVo=0

0drift det fn i

i ii = + =

Ec

EvEf

E

difi

drifti

(foton/s)

( )ok pii

9

deal Fotodedektrdeal dedektr parametreleri nelerdir?

Kazan

Tepki sresi

t (ns)

Pop

Dedektr

t (ns)

iop(t)

Optik sinyal Dedektrakm

( )opV R

A

( )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)

p

ePi e

h

= =

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

( )

( )p

i Amper

P Watt=

pi e=

1.24pi e

P h= = =

P h=

deal durum =1

p

ei P P

h

= = 1.24

( )( )

E eVm

=

Dedektr Duyarll ( )

P

h =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

p

ePi e

h

= =

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

1 foton 1 e-d iftiQG

e=

P

h =Foton aks (foton/s)

( )pe

i Q G e G Ph

= = =

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 e

Q 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

Vd

q 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

p

k

ei q A

Li

= ++

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

0,867

1,106

1,850

0,512

6,880

Yasak

Bant

dalgaboyu

(m)

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

Kzlalt85001,43GaAs

Kzlalt16001,12Si

Grnr Blge-2,42CdS

Kzlalt39000,67Ge

Kzlalt1050,18InSb

Dedektr

Blgesi

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-1

Uygun 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

d

e

i e

=

n/ = fazlalk elektronlarn azalma oran

vh

25

Fotoiletken Dedektrler-3

Kazan

( ) 1e

G< ( ) 1

eG>

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

T

k 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