3. Fotodedektör Nedir?
Fotoelektrik olay
FOTODEDEKTÖR ÇEŞİTLERİ
P-N EKLEM FOTODEDEKTÖR
P-I-N FOTODEDEKTÖRLER
SCHOTTKY ENGELLİ FOTODEDEKTÖRLER
FOTODEDEKTÖRLER NASIL ÇALIŞIR?
Fotodedektörlerin Tarihi
FOTODEDEKTÖRLERİN AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI
FOTODEDEKTÖR KULLANIM ALANLARI
ÜLKEMİZDE FOTODEDEKTÖR KULLANIM ALANLARI
KONU BAŞLIKLARI
4. FOTODEDEKTÖR NEDIR?
Fotodedektörler, fotoelektrik olaya dayanarak yapılan dedektörlerdir veya
sensörlerdir. İç fotoelektrik etkiye (metal yerine yarı iletken) ve yarı iletken
teknolojisine dayanan bu dedektörler, üzerlerine gelen optik gücü elektriksel
güce çeviren ekipmanlardır. Fotodedektörler verimli, hızlı ve entegre edilebildiği
için optoelektronik ve fotonik alanlarında kullanılmaktadır.
5. FOTOELEKTRIK OLAY
• Bir kaynaktan yayılan elektromanyetik dalganın, bir madde (katı, sıvı veya gaz metal veya
ametaller) yüzeyine çarpması sonucu maddeden elektron yayınlanması olayıdır.
Maddeden yayınlanan bu elektronlar “fotoelektron” olarak adlandırılır.
• Bir fotoelektron iletken bir yüzeye çarptığında o yüzeye hareket enerjisini büyük oranda
aktararak başka bir elektromanyetik dalga üretebilir.
7. • Fotovoltaik dedektörlerin en yaygın
kullanılanlarından birisi de, p-n eklem
fotodiyot olarak da adlandırılan p-n
eklem fotodedektörlerdir. Yasak enerji
aralığından daha büyük enerjiye sahip
fotonlar, p-n eklemin her iki tarafında da
elektron-boşluk çiftleri oluşturur.
Oluşturulan bu elektron-boşluk çiftleri,
güçlü elektrik alan vasıtasıyla
birbirlerinden ayrılarak, uzay-yük
bölgesinden difüzyon derinlikleri kadar
uzaklaşır. Azınlık taşıyıcıları, p-n eklemin
diğer tarafında çoğunluk taşıyıcıları
olacak şekilde kolayca hızlandırılır.
Böylece, negatif veya ters akım boyunca,
akım-gerilim özelliklerini değiştirecek
biçimde fotoakım oluşur.
P-N EKLEM
FOTODEDEKTÖR
8. P-I-N FOTODEDEKTÖRLER
• P-İ-N fotodedektörler, optik iletişimde daha hızlı foto
algılama özelikleri nedeniyle, P-N eklem
fotodedektörlerden daha fazla tercih edilmektedir. P-İ-N
fotodedektörlerde, p-n eklem fotodedektörlerden farklı
olarak, p ve n tipi katkılı yarıiletkenler arasına katkısız (İ
Tipi) bir yarıiletken büyütülür. Katkısız yarıiletken
bölgesinin çok düşük taşıyıcı yoğunluğuna ve yüksek
dirence sahip olması nedeniyle, dedektöre uygulanan
gerilim tamamen bu bölgeye düşer. Bu nedenle tüketim
bölgesi olan katkısız bölgenin kalınlığının iyi ayarlanması
önemlidir.
9. • Schottky engelli fotodedektörler, katkılı
yarıiletkenin üzerini kaplayan çok ince metalden
oluşturulur. Yarıiletkenin bir metal ile teması
durumunda yarıiletkenin Fermi enerji düzeyi ile
metalin Fermi enerji düzeyi ile aynı hizaya gelir.
Fermi enerji düzeyleri aynı hizaya geldiğinde metal
yarıiletken yüzeyinde bir potansiyel bariyer
meydana gelir. Dedektöre gönderilen ışıma sonucu
oluşan fotonlar metal katmanda soğurulur ve
elektron-delik çifti oluşur. Uyarılmış elektronlar,
metal-yarıiletken yüzeye ulaşıncaya kadar metal
içerisinde rastgele taşınır. Sadece yeterli enerjiye
sahip elektronlar bariyeri geçerek yarıiletkene
ulaşır. Böylelikle ışıma soğurularak elektriksel
sinyale çevrilir. Schottky engelli fotodedektörler,
kullanılan metal kaplamaya bağlı olarak geniş
10. FOTODEDEKTÖRLER NASIL ÇALIŞIR?
• Fotodedektörlerin çalışma prensibini anlayabilmemiz için
fotodiyotların çalışma biçimini anlamalıyız çünkü
fotodedektörler bir nevi fotodiyotlardan oluşmaktadır.
Çalışma şekilleri görselle ifade edilmiştir.
• Uygun şekilde oluşturulan bir P-N ekleminin üzerinden geçen
akım ters gerilim altında, eklem üzerine düşen ışık şiddeti
ile modüle edilebilir.
12. FOTODEDEKTÖRLERIN TARIHI
• Fotodedektör, öncelikle elektrik sinyalleri,
fotonik sinyallere çevirip ve bunları optik
iletimlerle göndermek için tasarlandılar.
Fotodedektörler için geçerli olan prensip, ışığın
ikili doğasından kaynaklanan ve o zaman
açıklanmaya çalışılan fotoelektrik efekttir. 1900
yılında Max Planck enerjinin küçük ayrı bir birimi
“kuanta” adı verilen yapılarla yayıldığını keşfetti,
bu da PLANCK sabiti (h) olarak bilinen, doğanın
evrensel bir sabiti olarak bilim dünyasında yerini
almıştır. Planck’ın kuantum mekaniğini keşfi ile
E= hv olarak bilinen planck sabiti’nin,
radyasyonun frekansı ile çarpımı bizleri fiziğin
yeni ufuklarına götürmektedir.
13. AVANTAJLARI DEZAVANTAJLARI
• Yarıiletkenin bant aralığı
ayarlanarak dedektörün hassas
olduğu dalga boyu
değiştirilebilmektedir.
• Malzeme işlemede zorluklar
bulunmaktadır
• Yüksek algılama yeteneğine
sahiptir
• Üretim maliyetleri yüksektir.
• Teorik ve pratik çalışmalar
oldukça fazladır
• Malzeme özellikleri iyidir
• Birçok uygulama için hızlı tepki
verir
FOTODEDEKTÖRLERİN AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI
15. 1)- EMNIYET VE GÜVENLIK
Uzaktan algılama uygulamaları en basit türleri sadece durum
tespiti veya bir nesne veya emniyet ve güvenlik izleme gibi
uygulamalar içerir. Bu tür uygulamalar genellikle
fotokondüktörlerin kullanımı, dedektör teknolojileri ve en
dayanıklı en ucuz teknolojileri sunar. Bu tür uygulamalar en
yaygın ev güvenlik sistemleri için IR hassas hareket
dedektörlerinde kullanılır. Son zamanlarda geliştirilen örnekler
ise çarpışma dedektörleri gibi otomotiv alanında kullanır, bir
sürücü nesneleri izlemek için bir "kör nokta" belirleyen
dedektörleri, yolcu hava yastığını etkinleştirmek için kullanır.
Fabrikalarda, güvenlik dedektörleri görünür ya da ultraviyole
(UV) dalga boyuna duyarlı elektrik ark algılama gibi görevleri
otomatik olarak ark oluştuğu geçerli yerleri keserek gözlem
yapar.
16. • 2)- Fabrikasyon
• Fabrikasyon işlemlerinde kesme, taşıma, uzunluk ölçüm, sıcaklık vb. gibi işlemleri
fotodedektörlerle daha az maliyetle ve çok daha az hatalarla kusursuz üretim yapmak için
fotodedektörler kullanılmaktadır.
17. 3)- ÇEVRESEL ALGILAMA
Çevresel algılama sistemleri bugün IR için UV ışık algılayıcıları,
geniş bir yelpazede kullanır. Genellikle, sinyalleri birincil
dedektörleri PMTS ve çığ foto diyot (solid-state photo
multipliers) çok düşük yoğunluklu, kirlilik algılama dedektörleri
genellikle sülfür dioksit, nitrojen oksit ve ozon gibi kirleticiler
için soğurma çizgileri spektrum ölçüm ile UV spektroskopisine
dayanır. Floresan spektroskopisi parça başına bir milyar
düzeyinde ölçülebilir benzen, toluen, ksilen ve sülfür dioksit
gibi kirletici maddelerin çok küçük miktarlarda tespitini sağlar.
Hassas bir teknik olan bir kirletici ile, zayıf bir ışıldama üreten
birleştiren kemilüminesans olarak adlandırılır. Büyük aktif
alanları ve düşük gürültü seviyeleri, bu tür uygulamalarda
dedektörler için gereklidir.
18. • 4)- İletişim
• Fiber optik teknolojisinde cam kablonun içinden gelen sinyalleri algılayıp yada gidecek elektriksel sinyalleri
ışık sinyallerine çevirmede kullanılır. Ayrıca astronomi alanında kullanımı büyüktür. Çünkü uzayda bir uydu
düşünecek olursak uzayda birden çok sinyaller olacağından, istenilen sinyallerin yakalanıp ki, bu sinyaller
mor ötesi, kızıl ötesi, radyo dalgaları gibi dalgalar ve farklı dalga boylarından olacağından istenilen frekans
ve dalga boyundaki bilgilerin alınması fotodedektörler sayesinde mümkün olmuştur.
19. ÜLKEMİZDE FOTODEDEKTÖR KULLANIM ALANLARI
• Fotodedektör Projesi kapsamında, Yarı İletken Teknolojileri Araştırma Laboratuvarı (YİTAL)
olanaklarıyla ülkemizde ihtiyaç duyulan fotodedektörlerin üretim teknolojilerinin geliştirilmesi
ve üretimi yapılmaktadır. Sivil ve askeri uygulamalarda yaygın olarak kullanılan
fotodedektörlerin diğer kullanım alanları ise aşağıdaki gibidir.
* Darbeli ve sürekli lazer algılayıcılar,
* Optik haberleşme
* Barkod okuyucuları
* Optik uzaktan kontrol
* Tıbbi elektronik uygulamaları
* Yüksek hızlı fotometri
20. • Lazer arayıcı başlık uygulamaları için TÜBİTAK BİLGEM’de özel olarak
geliştirilen fotodedektörler, yüksek dirençli silisyum kristali üzerinde,
geniş alanlı PIN yapısında üretilmektedir. BİLGEM’de üretilen farklı tipteki
dedektörler ROKETSAN, TÜBİTAK SAGE ve ASELSAN tarafından yaygın bir
şekilde kullanılmaktadır. Cirit, L-UMTAS, MAM-L, MAM-C, TEBER, BOZOK
ve HGK gibi ürünler bunlara örnektir. Yerel sanayimizin ihtiyaçlarına
paralel olarak 2019 yılında dedektörlerimizin yurt dışına satışına da
başlanmıştır. BİLGEM’de geliştirilen en son fotodedektör, HİSAR hava
savunma füzesinin Lazer Yaklaşma Sensörü’nde başarı ile kullanılmıştır.
