Lichtempfänger und Lichtsender

Bei Halbleiterbauelementen kann man zwischen Lichtempfängern und Lichtsendern unterscheiden. Lichtempfänger sind solche Bauelemente, bei denen durch Auftreffen von Licht die elektrische Leitfähigkeit verändert wird. Zu ihnen gehören Fotowiderstände (Bild 1), Fotodioden und Fototransistoren.
Lichtsender sind solche Bauelemente, die bei Stromfluss selbst Licht aussenden und demzufolge als Lichtquellen genutzt werden können. Zu ihnen gehören Lichtemitterdioden (LED) für den sichtbaren und den infraroten Bereich sowie Laserdioden. Nachfolgend werden diese Bauelemente in Aufbau und Wirkungsweise dargestellt.

Fotowiderstände
Fotowiderstände (Bild 1) gehören zu den Halbleiterbauelementen, die keinen pn-Übergang besitzen, sondern aus einheitlich dotiertem Halbleitermaterial bestehen. Ihr Funktionsprinzip gründet sich auf den inneren lichtelektrischen Effekt. Durch Bestrahlung mit Licht werden schwach gebundene Elektronen aus den Atomhüllen der Halbleiteratome freigesetzt und stehen anschließend als Ladungsträger für Leitungsvorgänge zur Verfügung.
Fotowiderstände müssen im Unterschied zu Fotodioden stets in einen Stromkreis mit Spannungsquelle eingeschaltet werden. Fällt Licht auf den Fotowiderstand, dann verkleinert sich sein ohmscher Widerstand. Demzufolge erhöht sich - eine konstante Spannung vorausgesetzt - die Stromstärke im Stromkreis. Die Stromstärke kann dann als Maß für die Beleuchtungsstärke angesehen werden. Wahlweise könnte man auch die am Fotowiderstand abfallende Spannung mit einem Voltmeter ermitteln. Diese wird - eine Konstantspannungsquelle vorausgesetzt - immer kleiner, wenn mehr Licht auf den Fotowiderstand trifft.
Fotowiderstände reagieren meist auf einen recht großen Bereich des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums und erfassen daher Licht aller Wellenlängen weitgehend vollständig. Deshalb sind sie besonders für Messungen geeignet, bei denen die Gesamtintensität des Lichtes aller Wellenlängen von Interesse ist. Aus diesem Grund verwendet man Fotowiderstände bevorzugt zum Bau von Belichtungsmessern, die in Fotoapparaten und Videokameras eingebaut sind.

Fotodioden
Der Sperrstrom einer Diode (auch "Rückwärtsstrom" genannt) ist ein Eigenleitungsstrom Er besteht also aus den Minoritätsträgern der n- und der p-Schicht. Deren Konzentration innerhalb der Grenzschicht ist stark von der äußeren Energiezufuhr abhängig. Dominierend ist hierauf der Einfluss der thermischen Energie. Gestaltet man jedoch den Aufbau der Diode derart, dass ihr pn-Übergang dicht an der Oberfläche liegt und das außen liegende p-Gebiet nur eine solche Dicke hat, dass Licht hindurchtreten kann (Bild 2), wird durch die Lichtenergie eine zusätzliche Anzahl von Minoritätsträgern erzeugt. Dadurch erhöht sich die Stärke des Sperrstroms mit der Lichtmenge. Dabei werden neben Silicium auch Verbindungshalbleiter genutzt. Eine solche Diode wird als pn-Fotodiode oder einfach als Fotodiode bezeichnet.

Um möglichst hohe Sperrströme zu erhalten, versucht man die beleuchtete p-Zone möglichst groß zu halten. Wegen der für Halbleiterbauelemente angestrebten geringen Größe sind dem jedoch Grenzen gesetzt.
Deshalb entwickelte man eine Form, in der sich an die dotierte   p-Zone eine undotierte Eigenleitungszone, die Intrinsic-Schicht, anschließt (Bild 3).
Da durch diese Schicht der Abstand der p- und n-Gebiete einerseits vergrößert wird und sie andererseits sehr hochohmig ist, können jetzt wesentlich höhere Sperrspannungen Verwendung finden und damit die durch die Lichteinwirkung gebildeten Minoritätsträger stark beschleunigt werden. Das führt zu einem deutlich höheren Sperrstrom bei gleicher Lichteinwirkung. Eine solche Diode nennt man pin-Fotodiode. Bild 3 zeigt ihren Aufbau.

Das Maximum der spektralen Empfindlichkeit der Fotodioden liegt in der Regel im Infrarotbereich. Für Tageslichtanwendungen werden vor die Lichteintrittsöffnung Tageslichtfilter herstellerseitig eingebaut, sodass sich die Fotodioden auch im Bereich des sichtbaren Lichtes sicher einsetzen lassen und keine Störung der angestrebten Funktion, etwa durch Wärmestrahlung, eintritt.
Typische Vertreter für hochempfindliche Fotodioden sind die Typen
BPW 33, die den Strahlungsbereich von 350 nm bis 1100 nm bei einem Empfindlichkeitsmaximum von 800 nm überdecken, bzw. BPW 34 mit einer Empfindlichkeit von bei einer Sperrspannung von 32 V.
Eine Universaldiode ist der Typ BPW 43 mit einer Empfindlichkeit von und ebenfalls 32 V Sperrspannung.
Hinweise zu Fotodioden findet man auch unter dem Stichwort "Sensoren".

Lichtemitterdioden
Lichtemitterdioden (LED) werden auch als Lumineszenzdioden oder als Leuchtdioden bezeichnet.
Lichtausssendung aus Festkörpern kann grundsätzlich durch verschiedene äußere Maßnahmen verursacht werden: Durch thermische Anregung wird der Körper über 500 °C hinaus erwärmt. Er sendet dann Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum aus, dessen kurzwellige Grenze mit wachsender Temperatur immer mehr in Richtung Blau verschoben wird.
Daneben gibt es die Möglichkeit, Lichtaussendung auch ohne thermische Anregung auszulösen, also "kaltes Licht" zu erzeugen. Ein derartiger Vorgang heißt Lumineszenz. Sie kann in allen kristallinen Festkörpern außer den Metallen auftreten. Ausgelöst werden kann sie durch Licht (Fotolumineszenz), durch elektrische Felder (Elektrolumineszenz) und durch sehr schnelle freie Ladungen beim Aufprall auf ein Kristallgitter (Katodolumineszenz und Ionolumineszenz).

In den Lichtemitterdioden (LED) wird die Elektrolumineszenz zur Lichterzeugung genutzt. Ihren Aufbau zeigt Bild 4. Wichtig ist dabei eine solche konstruktive Gestaltung des Kristalls, dass die entstehende Strahlung heraustreten kann. Das wird einerseits durch eine sehr dünne p-Schicht, andererseits durch transparente Substrate erreicht.
Durch Metallisierung eines großen Teils der Kristallaußenfläche wird eine Abstrahlung in einem begrenzten Öffnungswinkel möglich. Die winzige Kristallzone wird von einem schützenden Material umgeben, das mit seiner lichtbrechenden Eigenschaft die Gestaltung der Lichtaustrittsfläche in vielfältiger Form (Linse, Dreieck, Rechteck,...) ermöglicht.

LED werden in Flussrichtung betrieben. Die durch das anliegende elektrische Feld in den Grenzbereich gelangenden Majoritätsträger rekombinieren dort in beträchtlichem Umfang. Die dabei entstehende Energie wird als Strahlungsenergie frei, wenn die beiden dotierten Zonen Materialien der Gruppen III und V (z.B. GaAs, InP) bzw. II und VI (etwa ZnS, CdS) enthalten. Je kurzwelliger das abgestrahlte Licht werden soll, umso höher ist die aufzuwendende elektrische Energie, um die Ladungen in das Leitungsband zu bringen, damit die Rekombination möglich wird.

Deutlich wird das vor allem an den Kennlinien für die Flussrichtung, deren Schleusenspannung mit der Strahlungsfrequenz steigt (Bild 5). Natürlich verlangen verschiedene Farben auch unterschiedliche Materialzusammensetzungen in den optisch aktiven Zonen.
Da während des Rekombinationsprozesses nur sehr wenig Energie vom Kristallgitter aufgenommen wird, besteht die Lichtstrahlung aus Photonen, deren Energiewerte sich nur wenig voneinander unterscheiden. Deshalb ist das von einer LED abgestrahlte Licht auf einen engen Frequenzbereich beschränkt, es ist nahezu einfarbig (monochromatisch).

Die große Zahl von kombinierbaren Stoffen in den LED ermöglicht heute die Bereitstellung einer breiten Angebotspalette. Neben Infrarot-Dioden gibt es LED für alle Farben des sichtbaren Spektrums. Die Intensität des abgegebenen Lichtes konnte inzwischen so gesteigert werden, dass man LED auch für Beleuchtungszwecke, z.B. für Taschenlampen, nutzt.

Laserdioden
Der prinzipielle Aufbau von Laserdioden gleicht dem der Lichtemitterdioden. Bild 6 zeigt ihren Aufbau. Sie bestehen wie LED aus p- und n-Gebiet, in dessen Grenzschicht eine Energie auf Elektronen übergeben wird, sodass diese auf ein höheres Energieniveau gelangen können. Für dieses Energieniveau sowie an die konstruktive Gestaltung der optisch aktiven Schicht sind aber zusätzliche Forderungen zu richten.
Zunächst müssen die anzuregenden Atome ein metastabiles Energieniveau besitzen. Während die mittlere Verweildauer von Elektronen in einem "normalen" angeregten Niveau beträgt, liegt sie in einem metastabilen Niveau zwischen , ist also bis zu so lang.

Während bei den "normalen" Energieniveaus wegen der kurzen Verweildauer die tieferen (energieärmeren) Niveaus stärker besetzt sind, kommt es bei metastabilen Energieniveaus zu einer Besetzungsinversion, d.h. sie enthalten mehr Elektronen als in den Grundzuständen verblieben sind. Der Vorgang, der die Elektronen in das metastabile Niveau befördert, heißt "Pumpen" und wird durch den Flussstrom kontinuierlich ausgelöst. Aus einem angeregten Gitterpunkt geht ein Elektron spontan unter Aussendung eines Lichtquants (Photon) in das Grundniveau zurück. Dieses spontan gebildete Photon löst durch induzierte Emission ein weiteres Elektron aus dem metastabilen Niveau heraus, sodass nun zwei existieren, die wiederum Elektronen zum Übergang in den Grundzustand anregen. Dadurch wächst lawinenartig die Zahl der Photonen. Da das Pumpen kontinuierlich fortgesetzt wird, kommt es zu einer andauernden "Photonenproduktion".

Natürlich bewegen sich die Photonen in alle Richtungen, sodass sie ohne zusätzliche Maßnahmen nicht mehrere Elektronen nacheinander zur Emission anregen könnten. Deshalb ist die lasernde Schicht als optischer Resonator gebaut: Ihre einander gegenüberliegenden Endflächen sind verspiegelt. Ein Spiegel reflektiert vollständig, der andere zu 99%. Nur Photonen, die sich im Augenblick ihrer Entstehung zufällig senkrecht zur Spiegelfläche bewegen, werden mehrfach durch die optisch aktive Zone laufen und sie nach mehreren Durchläufen verlassen. Das austretende Licht enthält damit nur solche Photonen, deren Bewegungsrichtung praktisch identisch ist. Deshalb ist das austretende Licht von äußerst geringer Divergenz. Die beiden spiegelnden Flächen müssen einen Abstand voneinander haben, der ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge ist.
Alle Photonen, die sich nicht in der Achse des optischen Resonators bewegen, sind spätestens nach wenigen Reflexionen seitlich aus der optisch aktiven Zone herausgetreten und werden von der Umhüllung absorbiert.

Damit die Strahlung exakt aus Photonen gleicher Energie besteht, werden die Elektronen zunächst in ein "normales" Energieniveau dicht über dem metastabilen gehoben. Durch spontane strahlungsfreie Übergänge gelangen sie dann in das metastabile Niveau. Die darauf folgende induzierte Emission bringt sie in ein Niveau dicht über ihrem Grundniveau, in das sie dann ebenfalls durch strahlungsfreien Übergang gelangen. Bild 7 skizziert diese Übergänge schematisch. Die in den strahlungsfreien Übergängen abgegebene Energie wirkt mechanisch durch Verstärkung der Schwingungen der Gitterpunkte, was zu einer Erwärmung des Gitters führt. Um zu hohe Gittertemperaturen zu vermeiden, wird der Strom durch die Laserdiode durch eine entsprechende Außenbeschaltung unterhalb einer kritischen Grenze gehalten.

In der Regel werden Laser für eine technische Erfindung der moderneren Physik gehalten, denn erst 1960 wurden die ersten Laser von amerikanischen und sowjetischen Physikern gebaut. Weniger bekannt sein dürfte, dass A. EINSTEIN bereits um 1911 die induzierte Emission beschrieb und strahlungsfreie Übergänge sowie metastabile Niveaus in Gasgemischen bereits Ende der 30er Jahre des 20. Jahrhunderts gut bekannt und quantitativ exakt vermessen waren.

Hinweise auf Anwendungen
Anwendungen sind für Fotodioden und Fototransistoren im Beitrag "Sensoren" beschrieben.
LED sind mit einem großen Typenspektrum auf dem Markt. Ihr Hauptanwendungsgebiet ist der Einsatz als Signal- und Anzeigenlichtquelle.
Wegen ihrer geringen Stromaufnahme, ihrer hohen Lichtintensität und neuerdings ihrer preiswerten Verfügbarkeit praktisch für alle Spektralfarben haben sie für Anzeige- und Signalzwecke andere Lichtquellen fast vollständig ersetzt.

Ihre Grundschaltung zeigt Bild 8. Der Vorwiderstand (in einigen Typen bereits integriert) wird aus der Flussspannung und dem Flussstrom ermittelt: . Falls die LED in
Standard-TTL ( ) eingesetzt werden, können sie Vorwiderstände (220 Ohm) für jede LED haben. Zum Signalisieren eines L- oder H-Pegels in der Standard-TTL-Reihe gibt es folgende Schaltungsvarianten ( Bild 9):

Da bei L am TTL-Ausgang dieser nach Masse durchgeschaltet ist, kann die Schaltung nach Bild 8 genutzt werden. Liegt H am Ausgang, so sind das sicher 2,4 V. Da in der Ausgangsstufe ein Kollektorwiderstand den Strom intern begrenzt, kann die LED direkt nach Masse geschaltet werden. Um aber auch Dioden mit relativ hohen Strom sicher einzusetzen, verwendet man die Variante mit einem zusätzlichen Transistor.
Zur Berechnung der entsprechenden Widerstände können die folgenden Angaben als Richtlinien benutzt werden:

Farbe des Lichtes	mittlere Wellenlänge in nm	Flussspannung bei 10 - 20mA
IR	900	1,3 ... 1,5 V
Rot	640	1,6 ... 1,8 V
Gelb	590	2,0 ... 2,2 V
Grün	570	2,2 ... 2,4 V
Blau	470	etwa 4 V

LED können als Einzelbauelement, aber auch in Gruppen zusammengefasst eingesetzt werden. Da die Lichtaustrittsöffnung in einigen Typen rechteckig bzw. dreieckig ist, lassen sich durch Aneinanderreihen bestimmte geometrische Formen realisieren. Andere Typen sind als Mehrsegmentdisplays angeordnet und gestatten Zahlen- und Zeichendarstellung.

Besonders variabel einsetzbar sind Matrixanordnungen von Dioden, die durch spezielle Ansteuerungen feste oder laufende Bild- oder Textdarstellung gestatten.
Eine interessante Form ergibt sich, wenn in einem Gehäuse zwei LED für verschiedene Farben zusammengefasst sind. Sie gestatten einen Farbwechsel, wenn die Spannung sich ändert. Dazu sind natürlich von jeder Einzeldiode Anschlüsse herausgeführt.

Die neueste Entwicklung ist eine LED, welche in allen drei Grundfarben Rot, Grün, Blau gleichzeitig mit einzeln wählbarer Intensität leuchten kann. Dadurch ist durch Mischung jeder Farbton realisierbar.

Laserdioden sind bereits so preiswert, dass neben wichtigen und sinnvollen Anwendungen auch weniger sinnvolle für Umsatz sorgen. Wegen ihrer großen Helligkeit können sie auch bei vollem Tageslicht eingesetzt werden.
Hauptanwendungsbereiche sind: Bauwesen (Fluchtlinien, Lote,...), Sicherungstechnik (weitreichende Strahlschranken insbesondere mit IR-Lasern), Informationsübertragung in Verbindung mit Lichtwellenleitern, denn das Laserlicht einer Diode lässt sich mit geringem Aufwand modulieren, Entfernungsmessung, Lesen und Brennen von CDs, Lichtquelle in der Forschung, wobei es hier wegen der erforderlichen Leistung meist zum Einsatz von Festkörperlasern (z.B. Rubinlaser) oder Gaslasern kommt.
Laserdioden werden über eine Steuerelektronik in ihrer Lichtleistung beeinflusst. Dabei wird als Sensorelement eine Fotodiode (Monitordiode) eingesetzt.