Optoelektronik Devre Elemanları

Optoelektronik, ışık yayan ve ışık algılayan devre elemanlarının incelendiği;günlük hayat, savunma sanayii, sağlık, iletişim sektörleri başta olmak üzere hızla büyüyen ve her geçen gün hayatımızdaki önemi artan bir teknolojidir.

Öncelikle yarıiletken teknolojisinin optoelektronikle bağdaştırılmasını tanımlamak gerekir.Yarı iletkenler p ve n tabakası olmak üzere iki eklemden oluşur.Optoelektronik devre elemanlarındaki p-n eklemleri uygun dalga boyunda ışığa maruz kaldıklarında yarıiletkenlerin tüketim bölgesinde elektron-delik çiftleri oluşturur.Tükenme bölgesinde elektron-delik çiftleri sayesinde meydana gelen bu elektriksel alan sonucu ışık kaynaklı yük taşıyıcıların hareketinden dolayı fotoakım meydana gelir.

Sürüklenme akımı
Şekil 1.p-n bağlantıları arasında sürüklenme akımı

Optoelektronik elemanlar ışık algılayıcılar ve ışık üreteciler olarak iki grupta sınıflandırılabilirler.Işığa duyarlı elemanlara fotodiyotlar, fototransistörler ve fotodirençler örnek verilebilir.Işık üretici elemanlarına ise LED, katot ışını tüpleri (CRT) ve lazer diyotları örnek verilebilir.

 Genel açıklamalardan sonra daha da ayrıntılı olarak optoelektronik devre elemanlarının her iki başlığına da bakalım:

  • Işığa Duyarlı Devre Elemanları

a. Işığa Bağlı Direnç LDR: Fotodirenç

LDR
Şekil 2.Fotodirenç

Fotodirençler üzerine ışık düştüğünde direnci değişen elemanlardır.Işığa bağlı direcin değeri algıladığı ışık miktarına göre artıp azalmaktadır.Tipik olarak bir fotodirencin değeri karanlıkta birkaç MΩ( MegaOhm ), ışık altında ise ışığın dalga boyuna göre birkaç Ohm olabilir.

Fotodirenç
Şekil 3.Fotodirençlerin iç yapısı

Fotodirençler; dirençleri yüksek olan malzemelerden yapılırlar.Yüksek bir dirence sahip olan malzemelerde serbest yani hareket edebilen çok az elektron bulunur.Bu durumdan dolayı yüksek bir LDR direnci vardır.Işık yarı iletkene düştüğü anda fotonlar yarı iletken tarafından emilir ve enerjilerinin bir kısmı elektronlara iletilir.Elektronlara iletilen enerji miktarı hareket etmeleri için yeterli ölçüdedir bununla birlikte yarı iletkenin direncinin yani LDR direncinin düşmesine neden olur.LDR yarı iletken üzerinde daha fazla ışık düştükçe, elektriği iletmek için daha fazla elektron serbest kalır ve direnç daha da düşer.

Fotodirençler yapısal ve katkılı fotodirençler olmak üzere iki başlıkta incelenebilirler.

-Yapısal Fotodirençler:Yapısal fotodirençler, katkısız yarı iletken malzemeler(silisyum ve germanyum) kullanılarak üretilir.Fotodirenç üzerine ne kadar fazla ışık düşerse o kadar çok elektron serbest kalır ve iletkenlik seviyesi o ölçüde yüksek olur.Bu durumda LDR üzerinde daha az direnç seviyesi gözlenir.

-Katkılı Fotodirençler:Katkılı fotodirençler, katkılı yarı iletken malzemelerden üretilir.Bu katkı malzemeleri nedeniyle daha az enerji seviyeleri nedeniyle elektronlar iletim katmanına geçmek için daha az enerjiye ihtiyaç duyarlar.

b.Fotodiyot

Fotodiyot
Şekil 4.Fotodiyot

Fotodiyotlar üzerlerine düşen ışığı voltaj veya akıma dönüştüren devre elemanlarıdır.Sensörde bulunan P-N katmanları arasında içsel bir bağlantı vardır.Uyarılmış bir foton fotodiyota ulaştığında elektron deliği çiftleri oluşturur.Bu noktadan sonra elektronlar bir elektrik alanı oluşturacak biçimde P-N bağlantısına yayılır.Fotodiyotlardaki fotonun algılandığı alan genişledikçe tepki süresi artar.Düşük seviyedeki ışık sinyallerini algılamak için daha hassas foton algılayacı olan Çığ Fotodiyotlar kullanılır.

Fotodiyot devrelerini etkileyen birçok parametre bulunmaktadır.Bu paramatrelerden en kritiği karanlık akımdır.Karanlık akım fotodiyot üzerine herhangi bir ışık düşmemesine rağmen akıttığı akımdır ve bu akım sistemlerde istenmeyen etkilere yol açabilir.Diyottan akan akım ışığın sebep olduğu akım ve karanlık akımın toplamı olacaktır.Bu noktada teknik müdahalelerle bu etkiyi azaltabiliriz:fotovoltaik modda fotodiyotu kullanmak.

Fotodiyotlar tercihe bağlı olarak fotoiletken ve fotovoltaik modlarda kullanılabilir.Bu iki modun temel farklılığı fotodiyotun polarma gerilimidir.

Opamp
Şekil 5.Fotovoltaik mod fotodiyot devresi

Bu devrede gösterilen op-amp devresi transpempedans yükselteçtir.Geri besleme direnci (Rf) üzerinden akan akımı gerilime dönüştürülür.Yükselteçin evirmeyen girişi ve fotodiyotun anot ucu topraklanmıştır.Fotovoltaik mod karanlık akımı azaltmak için kullanılır.Fotovoltaik mod düşük ışık enerji uygulamaları için idealdir.

Opamp
Şekil 6.Fotoiletken mod fotodiyot devresi

Fotovoltaik modda kurulan fotodiyot devresini fotoiletken moda geçirmek için anot ucunu toprak yerine negatif bir voltaj kaynağı bağlanır.Katot hala 0V fakat anot ucu 0V’un altında bir voltajdadır ve bu nedenle fotodiyot ters polarlanmıştır.Ters polarlanmış bir fotodiyotun tükenme bölgesi daha geniştir ve ışık algılama hassasiyeti daha yüksektir.Fotovolatik mod fotodiyotun bağlantı kapasitansını azaltır ve sonuç olarak tepki süresini azaltır.

c.Fototransistör

Fototransisitör
Şekil 7.Fototransistör

Işığa maruz kaldığında anahtarlama ya da akım yükseltme işlemi yapabilen devre elemanları fototransistör olarak adlandırılır. Amplifikasyon yapabilen bir fotodiyot olarak düşünülebilir.Fototransitörlere ışık düştüğü an ışığın şiddetine orantılı olarak emitör ve kollektör arasında bir akım akmaya başlar. Fototransistörler, fotodiyotlardan daha fazla akım üretir. Normal transistörler gibi, fototransistörler de hem bipolar hem de alan etkili transistörler olabilir. Işık, fototransistörden akım akışını sağlamak için kullanıldığından, genellikle base bağlantısız bırakılır.

Fototransisitör
Şekil 8.Fototransistöre uygulanan gerilim ve çıkış akımı

Yukarıdaki grafikte, x ekseni transistörün kolektör-emitör bölgesine uygulanan voltajı ve y ekseni, mA cinsinden transistör boyunca kolektör akımını göstermektedir.Ayrıca grafikten, gelen ışık şiddeti ile kolektördeki akımının değişimi de gözlemlenebilir.Kolektördeki akım, düşen ışığın yoğunluğuyla arttığı gibi ışığın dalga boyuna göre de değişmektedir.

  • Işık Üretici Devre Elemanları

a.Işık Yayan Diyot(LED)

LED
Şekil 9.Işık Yayan Diyot(LED)

Optoelektronik devre elemanlarından en yaygın kullanılanı ışık yayan diyotlardır.Farklı dalga boylarında ışık yayabilen bu devre elemanı normal diyotlar gibi katot ve anot olmak üzere iki uca sahiptir.Bir LED’in ışık yayabilmesi için anot ucunun voltaj seviyesinin katot ucundan daha pozitif hale gelmesi gerekir.Işık yayan diyotlara bu şekilde voltaj uygulandığında elektronlar LED içindeki deliklerle yeniden birleşir ve fotonlar şeklinde enerji açığa çıkarır.

LED Karaktersitiği
Şekil 10.LED’in şematik sembolü,I-V karakteristik eğrileri

Bir LED’in rengi yapıldığı malzemeye göre değişir.AlInGaP LED’ler kırmızı (626 ila 630 nm), kırmızı-turuncu (615 ila 621 nm), turuncu (605 nm) ve amber (590 ila 592 nm) renkleri üretir.

b.Lazer Diyot

Lazer diyot
Şekil 11.Lazer Diyot

Lazer terimi,uyarılmış radyasyon emisyonu ile ışık amplifikasyonunun kısaltılmış halidir.Lazerler uyarılmış emisyon(gelen foton yarıiletken malzemeye çarptığında yüksek enerji seviyesindeki fotonun düşük enerji seviyesindeki elektronla etkileşime girerek daha düşük bir enerji seviyesine düşmesi) prensibine dayanır.

Lazer diyotlar LED’ler ile aynı prensipte çalışır fakat farkları iç mimarileridir.Lazer diyot içerinde sinyal kaybını önlemek için cam bir mercek bulunduran yüksek güçlü ışık üreten LED’ler gibidir.

Optoelektronik devre elemanları hakkında daha detaylı bilgi sahibi olmak için aşağıdaki dokümanları da inceleyebilirsiniz 🙂

Dilek Karakaya
Dilek Karakaya
Marmara Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği mezunuyum.Şu an bir firmada Gömülü Sistem Mühendisi olarak görev almaktayım.

Son Yazılar

spot_img

Ilgili Yazılar

  • Sign Up
Lost your password? Please enter your username or email address. You will receive a link to create a new password via email.