LEDs und Laserdioden: die Lichtrevolution

Stephan WinnerlAbteilung Halbleiterspektroskopie, FZR

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

Problem der Gitteranpassung

Ungesättigte Bindung

Gitter-konstante a0

Gitter-konstante a1

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

Aufbau einer weißen LED

LED Chip

Phosphor

Blaue Lumineszenz

Phosphoreszenz

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

Anhang Aufbau des menschlichen Auges

Anhang Spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges

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: s.winnerl@fz-rossendorf.de

Anhang Basteltipps