Bu bölümde CD teknolojisinde kullanılan yarı iletken lazer tipi hakkında genel verilecek.

Yarı iletken Lazerler

CD sürücülerde kullanılan lazerler yarı iletken lazerlerdir. Bu lazerler pompalama metodu olarak elektrik akımını kullanırlar.

N Tipi Malzemeler

Valans elektron sayısı bir elementin en dıştaki elektron sayısını belirten kavramdır. Valans elektron sayısı antimon, arsenik ve fosfor gibi katkı maddeleri silisyum veya germanyum gibi yarı iletkenelere eklenerek N tipi malzeme elde edilir. Şekil 8’de Silisyum elementine fosfor eklenmiştir. Kovalent bağı oluşturan elektronlar serbest kalır. Oda sıcaklığında iletim bandına geçerler. Bu sayede iletim bandındaki serbest elektron sayısı saf silisyum malzemeye göre daha fazladır. Şekil 8 (b)’de iletim bandındaki elektronlar ve enerji seviyeleri gösterilmiştir.

Şekil 8 (a) Fosfor atomu eklenmiş Silisyum (b) Eklenmiş atomlar için enerji seviyeleri[4].

P Tipi Malzemeler

Valans elektron sayısı üç olan bor, alüminyum ve galyum gibi katkı maddelerinin silisyum ve germanyuma eklenmesi ile elde edilen malzemelere P tipi malzemeler denir. Şekil 9(a)’da silisyum atomlarının içerisine bor atomu eklenerek p tipi malzeme oluşturulmuştur. Silisyum elementi dört bağ, bor elementi üç bağ yaptığı için boş kalan kovalent bağlarda delik oluşur. Bu deliğin doldurulması için gereken enerji son yörüngedeki elektronların boşluk bandını atlayarak iletime geçmesinden çok düşüktür. Bu nedenle Silisyum elementinin valans elektronları delikleri kolayca doldurur. İletimdeki elektron sayısı bu nedenle çok azdır veya hiç yoktur. Şekil 9(b)’de gösterilmiştir.

Şekil 9 (a) Boron katkılı P tipi yarı iletken (b) Eklenen atomların enerji seviyeleri[4].

P-N Jonksiyonu

P ve N tipi malzemeler bir kristal yapı içerisinde biraraya getirildiğinde P-N Jonksiyonu meydana gelir. Arada, bir boşluk bölgesi meydana gelir ve gerilim uygulandığında tek yönde akım geçirir. Bu eleman diyot olarak isimlendirilir. Diyot lazerlerde ve ledlerde de bu elemanın özel şekilleri kullanılır.

Şekil 10 P-N birleşimi[4].

P-N Jonksiyonuyla Lazerler

Şekil 11’de gösterildiği gibi fotonları jonksiyon üzerinden sürekli göndererek kararlı bir durum elde edilebilir. Led’in çalışma mantığı Şekil 11’deki gibidir.

Şekil 11 P-n jonksiyonundaki kararlı durum[5].

Şekil 11’deki Led örneğini lazer diyota çevirmek için Lazer şartı da denilen iki şart gerekir. “Birincisi popülasyon tersinmesi ve ikincisi feedback. Popülasyon tersinmesi oluşturmak için üst seviyede alt seviyeden daha fazla popülasyon olması gerekir. Bu genellik çok yüksek akım gerektirir. Feedback’i sağlamak için ise jonksiyonun sonlarına reflektör konulmalıdır. [5] ”

Şekil 12’de jonksiyon sonucu lazer ışın demetinin oluşma örneği bulunmaktadır. Yukarıda elektrik akımını sağlayan bir kordon ortada p-n jonksiyon yapısı ve aşağıda soğutucu düzeneği görülmektedir. Jonksiyonun başında ve sonunda reflektanslar bulunmaktadır. Lazer ışın demeti reflektansın yansıtma oranının yüzde olarak düşük olduğu bölgeden çıkmaktadır.

Şekil 12 Yarı iletkene lazer ışın demeti oluşumu.

Yarı iletken lazerler homojen yapılı veya heterojen yapılı olabilmektedir. İlk lazer örnekleri homojen yapılı lazerlerdi. Bu lazer türünün akım yoğunluğu eşik değerinin yüksek olması düşük optik ve taşıma sınırlarıyla açıklanabilir[4]. Bu nedenle heterojen yapılı yarı iletken lazerler, homojen yapılıların yerine CD, DVD gibi optik okuyucularda kullanılmaktadır. Heterojen yapılı yarı iletken lazerler akım yoğunluğu eşik değerinin oda sıcaklığında dramatik olarak düştüğü lazerlerdir[4].

Yarı İletken Lazerler İçin Lazer Şartı ve Temel Kavramlar

Yarı iletken lazerlerde diğer lazer çeşitlerinde olduğu gibi bazı temel özellikler vardır. Sönümleme, emisyon ve uyarılmış emisyon(yayılım) lazerler için temel kavramlardır. Sönümleme Denklem 1’deki şartı sağlamak için atom uyarıldığında gerçekleşir. Foton enerji alarak bir üst seviyeye geçer.

Denklem 1

Şekil 13 Sönümleme[6].

Emisyon ise uyarılmış atomun bir alt seviyeye geçişine verilen isimdir. Alt seviyeye geçerken bir foton fırlar ve bu fotonun enerjisi de Denklem 1’deki enerji formülüne eşittir.

Uyarılmış emisyon ise uyarılmış bir atomun enerji verilerek bir alt enerji seviyesine düşmesidir. Hem verilen enerjiyle hem de kendisinde var olan enerjiyle birlikte daha fazla elektron fırlatılır. Lazerler bu yöntemle çalışırlar. E_2, E₁‘den büyük olması gerekir. Bunun içinde N₂ > N₁ olmalıdır. Bu lazer şartı olarak isimlendirilir.

Kaynakça

[1] S. G. Stan, THE CD-ROM DRIVE. Boston, MA: Springer US, 1998.

[2] Explainthatstuff.com, “How do CD and DVD players work? – Explain that Stuff.” [Online]. Available: http://www.explainthatstuff.com/cdplayers.html. [Accessed: 15-Apr-2018].

[3] A. Optics, “Aluminum Gallium Arsenide Lasers – Properties and Applications.” [Online]. Available: https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=520. [Accessed: 15-Apr-2018].

[4] J. Wilson and J. Hawkes, “Optoelectronics.pdf.” p. 575, 1998.

[5] B. Hitz, J. J. Ewing, and J. Hecht, Introduction to Laser Technology, no. 1. 2014.

[6] G. Simin, “Semiconductor laser fundamentals.” [Online]. Available: http://www.ee.sc.edu/personal/faculty/simin/ELCT566/11 Semiconductor laser fundamentals.pdf. [Accessed: 15-Apr-2018].