Page 98 - bilgem-teknoloji-dergisi-12

Yarı İletken Teknolojileri
YİTAL ve ODTÜ İVMER,
Radyasyon Ölçer(SB)’in
duyarlılığını geliştirmek amacıyla çığ
fotodedektörler üzerine Ar-Ge
çalışmalarına başlamıştır.
nan çığ fotodiyot, yüksek hassasiyetle ve düşük
gürültüyle çalışma avantajıyla otonom sistem-
lere maliyet etkin özgün çözümler sunmaktadır.
Gerek LIDAR teknolojilerine gerek askeri lazer
mesafe ölçüm sistemlerine alternatif olma an-
lamında, çığ fotodiyot güçlü ve etkin bir adaydır.
Otomotiv sektöründen askeri teknolojilere, uzay
teknolojilerinden sağlık sektörüne kadar birçok
çiftini çoğaltma işlemi sonucunda yüksek ku- alanda otonom kabiliyetlerin artması, algılayıcı-
antum verimliliğine sahip olunmaktadır. Saf böl- lara düşen görevleri daha da önemli kılmaktadır.
gede oluşan elektron-delik çiftinin çığ bölgesine Hata oranını düşürmek ve hızlı karar verebilmek
ulaştığında yüksek elektriksel alanla karşılaş- adına, çığ fotodiyotlar gerek maliyet gerek tek-
ması sonucu çarpışma iyonizasyonu etkisi or- nolojik açıdan tercih edilmektedir.
taya çıkmaktadır. Bu etki sonucunda, elektronlar
enerjilerini çarptığı elektronlara aktararak iletim Silisyum Çığ Fotodiyot Üretim Parametreleri
durumuna geçirmektedir. Bu sayede düşük güç- 1100 nm dalga boyuna kadar yüksek kuantum
lere sahip bir sinyal dahi kazanç sayesinde algı- verimliliğiyle algılama avantajı sunan silisyum
lanabilmektedir. 1,12 eV (300 K) yasak bant aralığına sahiptir.
Bu enerji düzeyi ve üzerindeki elektromanyetik
Işık enerjisini ve radyasyonu elektrik enerjisine radyasyon silisyum çığ fotodiyot tarafından so-
çevirmede çığ fotodiyodu diğer algılayıcılardan ğurulur (absorption). Belirli bir dalga boyunda
ayıran en önemli parametre, şüphesiz çığ böl- soğurulan foton akısı (Q) yarıiletken içerisine
gesi tasarımı ve üretimidir. n+ tipi yarıiletken nüfuz ederken soğurma katsayısına (α) bağlı
ile p tipi yarıiletken arasında oluşabilecek bir olarak sönüme uğramaktadır [2]:
çığ bölgesinin 105–106 V/cm mertebelerinde
elektriksel alana sahip olabilmesi için bu böl- Q(x)=Q .e〗 -αx
genin silisyum katkı profili önem arz etmektedir. 0 turduğu elektron ve delik akımlarına bağlıdır. Çığ
Ayrıca, katkılama miktarlarıyla bağlantılı olarak Yarıiletken malzeme içerisinde üstel olarak sö-
oluşacak tıkamada kutuplu p-n jonksiyonunun nen foton akısı elektron–delik çiftinin üretimini
fakirleşme bölgesinin geniş olması nedeniyle, gerçekleştirmektedir. Optik olarak üretilmiş ta-
yüksek tıkama gerilimi altında düşük kapasite şıyıcılar, yüksek tıkama gerilimi altında kırını-
elde edilmesi, yüksek kesim frekansı düzeylerine ma uğrayıp terminallere (anot, katot) ulaşarak
ulaşmada önemli avantaj sağlamaktadır. elektrik akımını oluşturur. Bu nedenle, dedektöre
gelen fotonların elektron-delik çifti oluşturma
Pek çok uygulama için efektif bir spektral bölge- yüzdesi olarak tanımlanan kuantum verimliliği
ye sahip olan silisyum çığ fotodiyotlar 100-400V (η) ve aygıtın giriş-çıkış arasındaki ilişkisini ta-
arası ters besleme gerilimlerine, 1 nA’in altında nımlayan tepkiselliği (responsivity, S) etkin bir
karanlık (gürültü) akımına, 2 ns altında tepki sü- çığ fotodiyot üretimi için önem arz eden para-
relerine sahip olmalarıyla geniş kullanım alanı metrelerdir:
bulmaktadır. 1,5 mm, 3 mm, 5 mm gibi küçük bo-
yutlarıyla büyük işler başararak üzerine literatür η =(1-R )〗.η
i
λ
e
çalışmalarının yapıldığı yarıiletken ailesinin bir R : Yansıma katsayısı
parçası olan bu yapıların, gelecek teknolojilere λ
şimdiden çözümler üreteceği aşikârdır. Çığ fotodiyot üzerine yasak bant aralığından
yüksek enerjili ışık düşürüldüğünde elektronlar
Elektromanyetik tayfın morötesi, kızılötesi veya fotonların enerjisini soğurur ve iletim bandına
görünür ışık bölgelerinde çalışma olanağı su- geçer. İletime geçen elektronlar elektriksel alan
96
BILGEM
TEKNOLOJI
altında ilerleyerek kontaklardan toplanır ve elektrik sürecinde çoğunluk taşıyıcıların elektronlar olduğu
akımını oluşturur. Sonuç olarak, uygulanan birim çığ fotodiyot tasarımlarının gürültü düzeyleri dü-
optik güce karşı oluşan fotoakım olarak tanımla- şüktür. Ayrıca, elektron hareketliliğinin (mobilitesi-
nin) deliğe göre yüksek olması nedeniyle çığ pro-
nan, tepkisellik parametresi ortaya çıkmaktadır:
sesinde çoğunluk taşıyıcı olarak elektronların baz
S =η(λ⁄1240) , alınması, yüksek hızlı tepki süresine sahip olmada
λ0
ve gürültü akımının (I_N) düşük olmasında önemli
λ : Dalga boyu [nm]
bir parametredir [2], [3].
Çığ fotodiyodu diğer algılayıcılardan farklı kılan en
önemli özelliği çığ bölgesi etkisidir. Optik güç kar- I =2qI M F
2
2
p0
şısında oluşan elektron-delik çiftinin çığ bölgesin- I_p0 : Fotoelektrik akımı
de yüksek elektriksel alanla karşılaşması sonucu q : Elektron yükü
çığ etkisi denilen multiplikasyon olayı gerçekleş- F=I ⁄(I +I )
e
h
e
mektedir. Elektronlar çarpışma iyonizasyonu etki- I e : Elektron akımı
si sonucunda çarptığı elektronu iletim durumuna I h : Delik akımı
geçirerek akım kazancını sağlamaktadır. Çarpışma
iyonizasyon katsayısına (α) bağlı olarak oluşan Sonuç olarak, yüksek hızlı tepki sürelerine sahip,
multiplikasyon faktörü (M), p-n jonksiyonu içeri- yüksek hassasiyetli algılayıcıların gün geçtikçe
sinde yükselen elektriksel alanın bir fonksiyonudur: öneminin arttığı teknoloji çağında, bahsedilen üre-
tim parametreleri kullanıcı odaklı optimize edilerek
M=I ⁄I , üretilmiş yerli bir çığ fotodiyodun günümüzde ve
p
m
I : Multiplikasyon sonrası oluşan akım, gelecekte askeri ve sivil alanlarda birçok devreye
m
I : Gelen fotonun oluşturduğu akım etkin bir algılama avantajı sunacağı açık olarak
p
α=1⁄(L )av , görülmektedir.
int
(L )av : İki çarpışma arası ortalama uzaklık
int
Kaynakça
Yüksek multiplikasyon katsayısına sahip olabilmek [1] A. Albarodi, “LEO’da uzay aracı için uzay radyasyon monitö-
için çığ bölgesi kalınlığını ve bu bölgenin elektrik-
rünün tasarımı ve ilk Türk sonda roketinde bir prototip uçuşunun
sel alanını olabildiğince yüksek tutmak gerekir. Bu sonuçları,” Yüksek Lisans Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi,
sayede akım kazancının yüksek olması mümkün
olmakta, ancak, multiplikasyon katsayısına bağlı Ankara, 2021. Erişim adresi: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMer-
önemli bir parametre olan gürültü faktörü ortaya kezi/TezGoster?key=9MiDp3x86xrwjpi5-14w-SHAhj4Ee55Y31X-
çıkmaktadır. PIN fotodiyotlara nazaran yüksek gü- teKIvhWbIiIkj6uBemtxZrVfIY123
rültülere sahip çığ fotodiyotlarda, çığ bölgesi nede- [2] I. Węgrzecka et al., “Design and properties of silicon avalanche
niyle oluşan gürültü, multiplikasyon katsayısına ve photodiodes,” Opto-Electron. Rev., vol. 12, no. 1, pp. 95 104, 2004.
diyot üzerine gelen fotonların birincil olarak oluş- [3] S. VK Arora, Proximity Fuzes: Theory and Techniques. New
Delhi: Metcalfe House, 2010.
Şekil 2. Çığ Fotodiyot Kesit Alan Örneği
97