16. Ders Optoelektronik Devre Elemanları-II · PDF file2 Bu bölümü bitirdi...
Transcript of 16. Ders Optoelektronik Devre Elemanları-II · PDF file2 Bu bölümü bitirdi...
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