15. Ders Optoelektronik Devre Elemanları-I

45 Pages·2011·0.44 MB·Turkish

15. Ders
Optoelektronik Devre Elemanları-I
n
p
V
1
Bu bölümü bitirdiğinizde,
• Işık üreten optoelektronik devre elemanlar,
• Işık yayan diyot (LED),
• Lazer,
• Yarıiletken dalga kılavuzlar,
• Optik fiber
konularında bilgi sahibi olacaksınız.
2
Onbeşinci Ders: İçerik
• Işık Üreteçler
– Işık Yayan Diyotlar (LED)
– Lazerler
• Işık İleticiler: Dalga Kılavuzları
– Optik Fiberler
– Yarıiletken Dalga Kılavuzları
3
Işık Üreten Optoelektronik Elemanlar
• Işık Yayan Diyotlar (LED)
• Yarıiletken Lazerler
4
Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar
Uygun bir p-n eklemi I-V eğrisinin I. bölgesinde çalıştırılırsa elektron ve deşikler belli bir
eşik gerilimin üstünde eklem bölgesinde birleşerek dalgaboyu bant aralığına eşit ışık
yayabilir.
I
I
V>0, I >0
- +
n p
A
-V +V
V
-I
Elektron ve deşikleri en düşük gerilimle (akımla) ve en verimli şekilde birleştirecek
tasarım gereklidir.
Bu amaç için:
• Doğrudan bant aralığına sahip yarıiletken malzeme (verimliliği arttırmak için)
• Aşırı katkılanmış n- ve p-tipi eklemler (eşik akımı düşürmek için)
kullanılmalıdır.
5
Işık Yayan Diyotlar (LED)
Aşırı katkılanmış (n+ ve p+ ) bir yarıiletkende Fermi enerji seviyesi yasak bant aralığında
değil bant içinde bulunur. Tüketim bölgesinin genişliği katkılanmanın yoğunluğuna bağlıdır.
(a) Ayrık n ve p tipi yarıiletkenler ve enerji seviyeleri (c) İleri besleme durumu
n+-GaAs p+-GaAs hv = E
g
n
E
p
F
E
C V
E
E
V
c
E
F
(b) Sıfır gerilim altında p-n eklemi
E
v
n+-GaAs p+-GaAs
E
c (d) Oluşacak olan ışığın frekans aralığı
E
f E n
E F
v
E
C
hv = E
g
E
d
V
E p
1/2 F
 
2εV 1 1
d =  o ( + ) 6
E -E < hv < E n-E p
 q N N  C V F F
a d
LED Işığının Özelliği
şiddet
E n
F
E
C Frekans Bant Aralığı
hν
∆ν
hν
E
V
E p v
F o
Eşik değerin altındaki durum
E -E < hν < E n-E p
(uyumsuz (koherent olmayan) ışıma)
C V F F
E
E
C
E
V
yön Faz yüzeyleri kutupluluk
Işık:
• Uyumlu (koherent) değildir
• Tek renkli (monokromatik) değildir
• Yönlü değildir
• Kutuplu değildir 7
Lazerler-Genel Kavramlar
LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Türkçesi LAZER
LED ışığının aksine lazer ışığının özelliği:
• Uyumlu (Koherent)
• Tek renkli (Monokromatik)
• Yönlü
• Kutuplu
Lazerlerin çalışma prensibini anlamak için enerjileri E ve E olan iki enerji
1 2
seviyesini göz önüne alalım. Enerji seviyelerindeki elektron yoğunluklarının
sırası ile N ve N olduğunu, bu sistemin aynı zamanda ρ(hv) foton alanı
ı 2
içinde olduğunu düşünelim.
E
2
E =E -E hv=E -E
foton 2 1 2 1
ρ(hv) E
1
∆E=E -E
2 1
8
Lazerler-Genel Kavramlar-1
ρ(hv) foton alanının varlığında soğurma ve kendiliğinden geçişin yanı sıra lazer olayı
için kritik olan uyarılmış geçişin oluşur.
N
2
E B N ρ(hv) = Uyarılmış geçiş oranı
ρ(hv) 2 21 2
B N ρ(hv) A N B N ρ(hv) = Soğurma oranı
21 2 21 2
B N ρ(hv) 12 1
12 1 A N = Kendiliğinden geçiş oranı
21 2
E
N 1
1
Uyarılmış geçiş oranı B N ρ(hv) B
Foton alanı durumunda = 21 2 = 21ρ(hv) .......1
Kendiliğinden geçiş oranı A N A
21 2 21
Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için N > N
2 1
Uyarılmış geçiş oranı B N ρ(hv) B N
21 2 21 2 .......2
= =
Soğurma oranı B N ρ(hv) B N
12 1 12 1
Lazer için 1 (uyarılmış geçişin kendiliğinden geçişe oranı) ve 2 nolu (uyarılmış
geçişin soğurmaya oranı) eşitliklerin değerini mümkün olduğu kadar büyük
tutmak gerekir.
1 nolu şart (ρ(hv)↑) rezonans kovuğu ile, 2 nolu şart (N >N ) ise dış
2 1
pompalama ile gerçekleştirilir.
9
Lazerler-Genel Kavramlar-2
N
2
E
ρ(hv) 2 B N ρ(hv) = Uyarılmış geçiş oranı
B N ρ(hv) A N 21 2
21 2 21 2 B N ρ(hv) = Soğurma oranı
B N ρ(hv)
12 1
12 1
A N = Kendiliğinden geçiş oranı
E 21 2
N 1
1
Denge durumunda
B N ρ(hv)=A N + B N ρ(hv)
12 1 21 2 21 2
B , A , B : Einstein katsayıları
12 21 21
Isıl denge durumunda ve siyah cisim ışıma denklemini kullanarak
B = B
12 21
A 8πhν3 8πh
21 = = elde edilir.
B c3 λ3
21
( Kendiliğinden geçiş (A ) / Uyarılmış geçiş (B )
21 21
Lazer olayı için A /B oranını küçük tutmak gerekir. Bu oran dalgaboyunun
21 21
küpü ile ters orantılı (frekans ile doğru) olduğu için yüksek frekanslarda
(gama-ışınlarında) lazer yapmak teknik olarak daha zordur.
10