Page 99 - bilgem-teknoloji-dergisi-12
P. 99
Yarı İletken Teknolojileri BILGEM
TEKNOLOJI
YİTAL ve ODTÜ İVMER, altında ilerleyerek kontaklardan toplanır ve elektrik sürecinde çoğunluk taşıyıcıların elektronlar olduğu
Radyasyon Ölçer(SB)’in akımını oluşturur. Sonuç olarak, uygulanan birim çığ fotodiyot tasarımlarının gürültü düzeyleri dü-
duyarlılığını geliştirmek amacıyla çığ 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:
fotodedektörler üzerine Ar-Ge sesinde çoğunluk taşıyıcı olarak elektronların baz
çalışmalarına başlamıştır. 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
nan çığ fotodiyot, yüksek hassasiyetle ve düşük önemli özelliği çığ bölgesi etkisidir. Optik güç kar- I =2qI M F
2
2
p0
gürültüyle çalışma avantajıyla otonom sistem- şısında oluşan elektron-delik çiftinin çığ bölgesin- I_p0 : Fotoelektrik akımı
lere maliyet etkin özgün çözümler sunmaktadır. de yüksek elektriksel alanla karşılaşması sonucu q : Elektron yükü
Gerek LIDAR teknolojilerine gerek askeri lazer çığ etkisi denilen multiplikasyon olayı gerçekleş- F=I ⁄(I +I )
e
h
e
mesafe ölçüm sistemlerine alternatif olma an- mektedir. Elektronlar çarpışma iyonizasyonu etki- I e : Elektron akımı
lamında, çığ fotodiyot güçlü ve etkin bir adaydır. si sonucunda çarptığı elektronu iletim durumuna I h : Delik akımı
Otomotiv sektöründen askeri teknolojilere, uzay geçirerek akım kazancını sağlamaktadır. Çarpışma
teknolojilerinden sağlık sektörüne kadar birçok iyonizasyon katsayısına (α) bağlı olarak oluşan Sonuç olarak, yüksek hızlı tepki sürelerine sahip,
çiftini çoğaltma işlemi sonucunda yüksek ku- alanda otonom kabiliyetlerin artması, algılayıcı- multiplikasyon faktörü (M), p-n jonksiyonu içeri- yüksek hassasiyetli algılayıcıların gün geçtikçe
antum verimliliğine sahip olunmaktadır. Saf böl- lara düşen görevleri daha da önemli kılmaktadır. sinde yükselen elektriksel alanın bir fonksiyonudur: öneminin arttığı teknoloji çağında, bahsedilen üre-
gede oluşan elektron-delik çiftinin çığ bölgesine Hata oranını düşürmek ve hızlı karar verebilmek tim parametreleri kullanıcı odaklı optimize edilerek
ulaştığında yüksek elektriksel alanla karşılaş- adına, çığ fotodiyotlar gerek maliyet gerek tek- M=I ⁄I , üretilmiş yerli bir çığ fotodiyodun günümüzde ve
p
m
ması sonucu çarpışma iyonizasyonu etkisi or- nolojik açıdan tercih edilmektedir. I : Multiplikasyon sonrası oluşan akım, gelecekte askeri ve sivil alanlarda birçok devreye
m
taya çıkmaktadır. Bu etki sonucunda, elektronlar I : Gelen fotonun oluşturduğu akım etkin bir algılama avantajı sunacağı açık olarak
p
enerjilerini çarptığı elektronlara aktararak iletim Silisyum Çığ Fotodiyot Üretim Parametreleri α=1⁄(L )av , görülmektedir.
int
durumuna geçirmektedir. Bu sayede düşük güç- 1100 nm dalga boyuna kadar yüksek kuantum (L )av : İki çarpışma arası ortalama uzaklık
int
lere sahip bir sinyal dahi kazanç sayesinde algı- verimliliğiyle algılama avantajı sunan silisyum Kaynakça
lanabilmektedir. 1,12 eV (300 K) yasak bant aralığına sahiptir. Yüksek multiplikasyon katsayısına sahip olabilmek [1] A. Albarodi, “LEO’da uzay aracı için uzay radyasyon monitö-
için çığ bölgesi kalınlığını ve bu bölgenin elektrik-
Bu enerji düzeyi ve üzerindeki elektromanyetik rünün tasarımı ve ilk Türk sonda roketinde bir prototip uçuşunun
Işık enerjisini ve radyasyonu elektrik enerjisine radyasyon silisyum çığ fotodiyot tarafından so- sel alanını olabildiğince yüksek tutmak gerekir. Bu sonuçları,” Yüksek Lisans Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi,
sayede akım kazancının yüksek olması mümkün
çevirmede çığ fotodiyodu diğer algılayıcılardan ğurulur (absorption). Belirli bir dalga boyunda olmakta, ancak, multiplikasyon katsayısına bağlı Ankara, 2021. Erişim adresi: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMer-
ayıran en önemli parametre, şüphesiz çığ böl- soğurulan foton akısı (Q) yarıiletken içerisine önemli bir parametre olan gürültü faktörü ortaya kezi/TezGoster?key=9MiDp3x86xrwjpi5-14w-SHAhj4Ee55Y31X-
gesi tasarımı ve üretimidir. n+ tipi yarıiletken nüfuz ederken soğurma katsayısına (α) bağlı çıkmaktadır. PIN fotodiyotlara nazaran yüksek gü- teKIvhWbIiIkj6uBemtxZrVfIY123
ile p tipi yarıiletken arasında oluşabilecek bir olarak sönüme uğramaktadır [2]: rültülere sahip çığ fotodiyotlarda, çığ bölgesi nede- [2] I. Węgrzecka et al., “Design and properties of silicon avalanche
çığ bölgesinin 105–106 V/cm mertebelerinde niyle oluşan gürültü, multiplikasyon katsayısına ve photodiodes,” Opto-Electron. Rev., vol. 12, no. 1, pp. 95 104, 2004.
elektriksel alana sahip olabilmesi için bu böl- Q(x)=Q .e〗 -αx diyot üzerine gelen fotonların birincil olarak oluş- [3] S. VK Arora, Proximity Fuzes: Theory and Techniques. New
genin silisyum katkı profili önem arz etmektedir. 0 turduğu elektron ve delik akımlarına bağlıdır. Çığ Delhi: Metcalfe House, 2010.
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 Şekil 2. Çığ Fotodiyot Kesit Alan Örneği
96 97