Gunter Winstel

Anwendungen von Lumineszenz- und Laserdioden

LED werden fast ausschlieslich fur Anzeigezwecke eingesetzt. Ihre Aufgabe ist es, bei moglichst geringer elektrischer Leistung beim Beobachter einen optimalen visuellen Eindruck zu erzeugen. Neben der Lichtausbeute der LED mussen physiologische Effekte, aber auch psychologische Momente — beispielsweise bedeutet rotes Licht in der Regel Gefahr — berucksichtigt werden. Diese Fragen, die LED-Anzeigelampen und LED-Displays gleichermasen betreffen, sollen daher vor einer Beschreibung bestimmter Diodentypen fur verschiedenartige Anwendungen zunachst kurz diskutiert werden.

Strahlende und nichtstrahlende Rekombination in Halbleitern

Dieses Kapitel gibt einen Uberblick uber die verschiedenen strahlenden und nichtstrahlenden Rekombinationsprozesse in Halbleitern. Als Modellhalbleiter dienen dabei die beiden fur Lumineszenz- und Laserdioden wichtigsten Werkstoffe GaAs und GaP. Die relative Haufigkeit der einzelnen Rekombinationsprozesse hangt von deren Ubergangswahrscheinlichkeiten ab. Diese wiederum sind abhangig von der Bandstruktur des Halbleiters und der Art und Dichte von eventuell vorhandenen Rekombinationszentren. Im Falle der optischen Ubergange — das sind jene Ubergange, die mit der Absorption und Emission von Photonen verbunden sind — lassen sich die Ubergangswahrscheinlichkeiten aus der Wechselwirkung der Ladungstrager in Leitungs- und Valenzband des Halbleiters mit einem elektromagnetischen Strahlungsfeld berechnen. Fur Halbleiter mit direkter Bandlucke liegen sie um Grosenordnungen uber denen von Halbleitern mit indirekter Bandlucke. Durch Einbau von isoelektronischen Rekombinationszentren last sich jedoch auch bei indirekten Halbleitern die Wahrscheinlichkeit fur strahlende Ubergange betrachtlich erhohen.

Physik der Lumineszenzdioden

Die zur Erzeugung von Licht notwendige Anregung eines Halbleiterkristalls wird am einfachsten in einer in Flusrichtung betriebenen Lumineszenzdiode erzielt. Diese enthalt einen pn-Ubergang, uber den jeweils Minoritatstrager in das neutrale p- bzw. n-Gebiet injiziert werden, wo sie sich durch strahlend oder nichtstrahlend erfolgende Rekombinationsprozesse wieder der Gleichgewichtszustand einstellt. Ein der Messung unmittelbar zugangliches Mas fur die dabei erzielte Umwandlung von elektrischer in Strahlungsenergie ist der externe Quantenwirkungsgrad, der sich als Quotient aus der Zahl der die Diode in der Zeiteinheit verlassenden Photonen und der in der gleichen Zeit transportierten Ladungstrager ergibt. Dieser Wirkungsgrad wird durch den Quantenwirkungsgrad der strahlenden Rekombination der Minoritatstrager, den Injektionswirkungsgrad und durch den optischen Wirkungsgrad beim Austritt des Lichtes aus dem Kristall bestimmt.

Materialherstellung und -technologie

Die Materialherstellung spielt bei Lumineszenzdioden eine besondere Rolle, da der Einbau der strahlenden und nichtstrahlenden Rekombinationszentren und damit auch der Quantenwirkungsgrad der Dioden empfindlich vom Herstellverfahren abhangen.

Langzeitverhalten von Lumineszenz- und Laserdioden

Beim Langzeitverhalten von Lumineszenz- und Laserdioden spielen die zeitlichen Veranderungen ihrer Emissionseigenschaften die entscheidende Rolle. Im allgemeinen nimmt die Intensitat der Emissionsstrahlung einer unter konstanten Bedingungen betriebenen Lumineszenzdiode kontinuierlich ab: Dieses Verhalten wird als Alterung oder Degradation bezeichnet. Eine abrupte Abnahme der Emission, wie sie von Gluhlampen her bekannt ist, wird bei Halbleiterlichtquellen nur bei der Laserdiode beobachtet, wenn infolge der weiter unten beschriebenen Kettenreaktion der Schwellenstrom so hoch wird, das es zu einer Zerstorung der Diode kommt.