Optische Halbleiterbauelemente erklärt

In diesem Artikel erläutern wir die Grundlagen von optischen Halbleiterbauelementen, die im Alltag verwendet werden, wie z. B. Ampeln, TV-Fernbedienungen, automatische Türen, Kameras und Smartphones. Wir beginnen damit, zu erklären, was jedes Teil – optisch, Halbleiter und Gerät – bedeutet, und verwenden Diagramme zur Verdeutlichung. Anschließend gehen wir auf die Anwendungen solcher Geräte ein.

Das „optische“ (Licht) in optischen Halbleiterbauelementen

Betrachten wir zunächst Licht, ein entscheidendes Element optischer Halbleiterbauelemente. Wie die Radiowellen in Fernsehern und Smartphones oder die Röntgenstrahlen in der Medizin ist Licht eine Art elektromagnetische Welle. Der Unterschied zwischen Licht- und Radiowellen liegt in ihrer Wellenlänge. Details entnehmen Sie bitte dem folgenden Diagramm.

Der "Halbleiter" in optischen Halbleiterbauelementen

Lassen Sie uns als Nächstes ein weiteres Schlüsselelement optischer Halbleiterbauelemente besprechen: den Halbleiter. Halbleiter haben Eigenschaften, die sie zwischen Leitern, die Elektrizität leiten, und Isolatoren, die keinen Strom leiten, platzieren. Zu den Leitern gehören Metalle wie Gold, Silber, Kupfer und Eisen, während Isolatoren Materialien wie Gummi, Glas, Keramik, Kunststoffe und Öl umfassen.

Zu den Halbleitern zählen Silizium und Germanium sowie Verbindungshalbleitermaterialien wie Galliumarsenid, Galliumphosphid, Galliumnitrid und Indiumphosphid. Silizium ist dabei das am weitesten verbreitete Material und dient als Baustein für Transistoren und integrierte Schaltkreise (ICs), die die Grundlage unserer modernen Gesellschaft bilden.

Das „Gerät“ in optischen Halbleiterbauelementen

Der Begriff „Gerät“ bezeichnet ein Gerät, das einem bestimmten Zweck dient. Optische Halbleiterbauelemente dienen in erster Linie dazu, Strom in Licht und umgekehrt umzuwandeln. Diese Umwandlungsfunktion ist in komplex strukturierte Elemente integriert. Diese Elemente können elektrischen Strom in Licht oder umgekehrt Licht in elektrischen Strom umwandeln. Die Existenz solcher Geräte hat unser Leben erheblich verändert und viele praktische Technologien hervorgebracht, darunter:

Ein optischer Halbleiter (lichtemittierendes Element), der elektrischen Strom in Licht umwandelt

Halbleiter (lichtempfangendes Element), die Licht in elektrischen Strom umwandeln

Was sind optische Halbleiter?

Was genau sind optische Halbleiter? Wie der Name schon sagt, vereinen optische Halbleiter die Eigenschaften von Licht und Halbleitern. Konkret lassen sie sich in zwei Typen unterteilen: lichtemittierende Elemente und Halbleiterlaser, die elektrischen Strom in Licht umwandeln, und lichtempfangende Elemente, die Licht in elektrischen Strom umwandeln. Die Wellenlänge der photoelektrischen Umwandlung variiert je nach Material des optischen Halbleiters.

Halbleiter können aus einem einzigen Element wie Silizium (Si) oder Germanium (Ge) bestehen, aber Halbleiter, die aus mehreren Elementen bestehen, werden als Verbindungshalbleiter bezeichnet. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften werden Verbindungshalbleiter in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.

Eigenschaften und Anwendungen von Verbindungshalbleitern

Einelement-Halbleiter wie Silizium und Germanium haben eine geringe Lichtausbeute und werden hauptsächlich als Photodetektoren eingesetzt. Umgekehrt haben Verbindungshalbleiter eine hohe Lichtausbeute und werden in Leuchtdioden (LEDs) und Halbleiterlasern eingesetzt. Darüber hinaus werden sie aufgrund ihrer Fähigkeit für Hochgeschwindigkeitsoperationen auch in Hochgeschwindigkeits-Fotodioden für die optische Kommunikation eingesetzt.

Kombination von Verbindungshalbleitern aus der Sicht des Periodensystems

Der Ausbau der optischen Halbleitertechnologie

Optische Halbleitertechnologie beeinflusst unser Leben maßgeblich. So nutzen beispielsweise Fernbedienungen von Fernsehern und Klimaanlagen Infrarotstrahlen zum Senden und Empfangen von Informationen. Auch optische Medien wie CDs und DVDs nutzen Licht zum Schreiben und Lesen gespeicherter Informationen.

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Auch im Beleuchtungsbereich ist die Entwicklung optischer Halbleiterbauelemente deutlich spürbar. Bekanntlich werden herkömmliche Glühlampen und Leuchtstofflampen zunehmend durch LEDs ersetzt. LEDs vereinen hohe Lichtausbeute und Langlebigkeit und bieten so Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit.
Die Umstellung auf LEDs hat sich auch auf Bereiche wie Taschenlampen und Autoscheinwerfer ausgeweitet. Darüber hinaus verbessert die Entwicklung zu LED-basierten Verkehrssignalen deren Sichtbarkeit und senkt gleichzeitig den Energieverbrauch. Diese LEDs sind ebenfalls eine Art optischer Halbleiterbauelemente.

Die Entwicklung und Verbreitung optischer Halbleiterbauelemente macht unser Leben komfortabler und nachhaltiger. Für weitere Informationen zu den Funktionen und Anwendungen der in optischen Halbleiterbauelementen verwendeten Technologien wenden Sie sich bitte an Dexerials.