stephan winnerl abteilung halbleiterspektroskopie, fzr · pdf fileca. 20 % wachstum pro jahr....
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Interessante Fragen zu Light Emitting Diodes (LEDs) undHalbleiter-Dioden-Laser (HL-Laser)
Wie funktioniert eine LED?
Wie erhält manverschiedenfarbige LEDs?
OLEDs –Was sind das?
Kann man Si-LEDs bauen?
Wie funktioniert einHL-Laser?
Warum ist die Farbeblau so wichtig?
Wo werden HL-LaserIm Alltag eingesetzt? Gibt es LEDs für den
mittleren und fernenInfrarotbereich?
Inhalt
- Einstieg: Dynamik der LED-Entwicklung
- Funktionsweise von LED und HL-Laser:Prinzip und technische Umsetzung
- Wie erreicht man die verschiedenen Farben?
Einstieg: Dynamik der LED-Entwicklung
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 20000.1
1
10
100
Lich
teffi
zien
z (lm
/W)
Zeit (Jahr)1960
GaAsProt
GaP:Zn,Orot
AlGaAs/GaAsrot
GaAsP:Nrot, gelb GaP:N grün
DH AlGaAs/AlGaAsrot
AlGaInP/GaProt, orange, gelb
TS-AlGaInP/GaPorange
SiCblau
GaNblau
Nitr
ide
GaInNblau, grün
rot gefilterteGlühbirne
gelb gefilterteGlühbirne
GlühbirneHalogenlampe
Leuchtstoffröhre
Einstieg: Produkte am Markt für superhelle LEDs
Markt für LEDs:2002: 3,2 Mrd. $, davon 1.8 Mrd. für superhelle LEDsca. 20 % Wachstum pro Jahr
Grundlage der LED: der pn-Übergang
p-Halbleiter:freie Löcher
n-Halbleiter:freie Elektronenp-Halbleiter:
freie Löchern-Halbleiter:freie Elektronen
++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - - - - - - - -
X
Ladungs-dichte
Verarmungszone
E-Feld
p-Halbleiter:freie Löcher
n-Halbleiter:freie Elektronen
Funktionsweise: vom pn-Übergang zum HL-Laser
X
Leitungsbandkante
p-dotiert n-dotiert
Fermienergie
Valenzbandkante
Ener
gie
X
Ener
g ie
eUeUProblem:
Absorption!
Doppel-Heterostruktur-Laser
X
Ene
rgie
Lösung:Doppel-Heterostruktur-Diode
Leitungsbandkante
Valenzbandkante
Aufbau eines HL-Laser
Elektroden
aktiveSchicht
Wärmesenke
p-Schicht
n-Schicht aktiveSchicht
Bragg-spiegel
Bragg-spiegel
HL-Laser im Alltag:CD (650 MB): λ = 780 nmDVD (4,7 GB): λ = 640 nmOptische Datenübertragung: λ = 1,3 µm; 1,55 µm
Lichtauskopplung in einer LED
LED-Kristall in Form eines Pyramidenstumpfes:
Typische Brechungsindizes: Halbleiterkristall: n = 3,5 Epoxidkapsel: n = 1 ... 1,5
Welches Material? Ein Blick in´s Periodensystem
5B 6C 7N
13Al 14Si 15P
31Ga 32Ge 33As
49In 50Sn 51Sb
III IV V
Verbindungshalbleiter mit direkter Bandlücke: GaAs, InP, GaN,...Ternäre Verbindungen: z.B. AlxGa1-xAs Quarternäre Verbindungen: z.B. (AlxGa1-x)yIn1-yP
Energie
Kristall-impuls
Energie
Kristall-impuls
DirekterHalbleiter
IndirekterHalbleiter z.B Si, Ge
VB
LB LB
VB
Das AlGaInP/GaAs System
Wel
lenl
änge
(nm
)
Ban
dlüc
ke (e
V)
Gitterkonstante (Å)5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6,0
2,5
2,3
2,1
1,9
1,7
1,5
1,3
500
550
600
650
700
750
800850900950
GaAs
(AlxGa1-x)0,5In0,5P(gitterangepasstauf GaAs)
InP
GaP
AlP
AlxIn1-xP
GaxIn1-xP
Das GaInN System
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7
200
300
400
500600700800
Gitterkonstante (Å)
SiC ZnO
AlNIII-V NitrideT = 300 K
InN
GaN
Licht einer weißen LED
300 400 500 600 700 800
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
opt.
Leis
tung
(will
kürl.
Ein
heite
n)
Wellenlänge (nm)
Blaue Lumineszenz
Phosphoreszenz
G
Der Farbraum
Schwarzkörperstrahlung
G: Glühlampe(x,y) = 0,44, 0,41T = 2860 K
W: Tageslicht (weiß)(x,y) = 0,31, 0,33T = 6500 K
Zusammenfassung: nochmals ein Blick auf die LED-Entwicklung
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 20000.1
1
10
100
Lich
teffi
zien
z (lm
/W)
Zeit (Jahr)1960
GaAsProt
GaP:Zn,Orot
AlGaAs/GaAsrot
GaAsP:Nrot, gelb GaP:N grün
DH AlGaAs/AlGaAsrot
AlGaInP/GaProt, orange, gelb
TS-AlGaInP/GaPorange
SiCblau
GaNblau
Nitr
ide
GaInNblau, grün
rot gefilterteGlühbirne
gelb gefilterteGlühbirne
GlühbirneHalogenlampe
Leuchtstoffröhre
ElektronenAbfluss
ElectronenInjektion
Injektor ZoneAktiveZone
AktiveZone
Miniband
Miniband
Minigap
Anhang Quantenkaskadenlaser für das mittlere und ferne IR
Bisher:Interbandübergänge inpn-Übergang
Jetzt:Intersubbandübergänge inspezieller Heterostruktur(nur Elektronen)
Leitungsbandkante
Anhang Quantenkaskadenlaser für das mittlere und ferne IR
Wellenlängenbereich: 3,4 µm – 120 µm
Einsatzgebiete:- Spektroskopie an Gasen z.B. Spurengase in der Atmosphäre- Kommunikation
Anhang Interessante Internetseiten zu LEDs
Unter http://led-info.de finden Sie gut aufbreitete Informationen zu Grundlagen und Anwendungen von Leuchtdioden.
Unter www.LightEmittingDiodes.org findet sich eine Zusammenstellung von 100 Vortragsfolien rund um LEDs. Weiterhin gibt es dort viele Links zu anderen interessanten Seiten.
In den Galeries von Act One Communications (http://www.actone1.com), einem amerikanischen Unternehmen, finden Sie Bilder von Anwendungen von superhellen LEDs (Schriftzüge, Ampel, Videowände, Raumbeleuchtung...).
Ein interessantes Feld, das ich im Vortrag nicht behandeln konnte, sind organische Leuchtdioden (OLEDs). Dresden ist ein Zentrum des Fortschritts auf diesem Gebiet. Informationen finden Sie beispielsweise unter:http://www.ipms.fraunhofer.de/products/oms/oled_d.shtmlhttp://www.iapp.de/iapp/index.php
Schließlich können Sie z.B. bei Conrad Electronic (http://www1.conrad.de) selbst einzelne LEDs - gerade auch superhelle und weiße - kaufen. In der Regel sind sie in der Filiale am Dresdner HBF direkt vorrätig.
Sicher fallen Ihnen und Ihren Schülern viele spannende Experimente, z.B. zur Farbmischung ein. Oder messen Sie einfach die Spannung, ab der eine LED zu leuchten beginnt – und Sie erhalten ein direktes Maß für die Bandlücke des Halbleiters.
Superhelle LEDs können meist mit Dauerströmen von 20 mA betrieben werden. Man sollte aus der Nähe nicht direkt in den Strahl blicken (Gefahr der Netzhautverbrennung)!
Ich wünsche Ihnen und Ihren Schülern viel Spass beim Experimentieren mit LEDs!
Wenn Sie Fragen haben, stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung: [email protected]
Anhang Basteltipps