Grundlagen der Optoelektronik

Optoelektronische Bauelemente nutzen die Wechselwirkung zwischen Licht und Halbleitern in beide Richtungen: Bei der Emission wandeln LEDs und Laserdioden elektrische Energie in Photonen um, bei der Detektion wandeln Photodioden Licht zurück in elektrische Signale. Elektronen aus dem Leitungsband rekombinieren mit Löchern im Valenzband, die freiwerdende Energie wird als Photon abgestrahlt. Bei der Detektion läuft der Prozess umgekehrt – ein absorbiertes Photon hebt ein Elektron ins Leitungsband und erzeugt so ein Elektron-Loch-Paar, das als Photostrom messbar wird.

Diese drei Bauelementklassen – LED, Laserdiode, Photodiode – bilden zusammen die Grundlage praktisch jeder optischen Datenübertragung, vieler Sensorik-Anwendungen und der modernen Displaytechnik. Anders als bei den bisher behandelten Bauelementen (MOSFET, Bipolartransistor) steht hier nicht das Schalten von Strömen im Vordergrund, sondern die kontrollierte Wandlung zwischen elektrischer und optischer Energie.

Ob ein Halbleiter effizient Licht emittieren kann, entscheidet sich an der Bandstruktur im k-Raum, also der Auftragung der Energie über dem Kristallimpuls der Elektronen. Bei einem direkten Halbleiter wie GaAs liegen das Minimum des Leitungsbands und das Maximum des Valenzbands beim gleichen k-Wert. Ein Elektron kann beim Übergang ins Valenzband rekombinieren, ohne seinen Impuls ändern zu müssen – die Impulserhaltung übernimmt allein das emittierte Photon, dessen Impuls im Vergleich zum Elektronenimpuls vernachlässigbar klein ist.

Bei einem indirekten Halbleiter wie Silicium liegen Leitungsband-Minimum und Valenzband-Maximum bei unterschiedlichen k-Werten. Die Rekombination erfordert zusätzlich ein Phonon, das die Impulsdifferenz aufnimmt oder liefert. Da ein Dreiteilchenprozess (Elektron, Loch, Phonon) erheblich unwahrscheinlicher ist als ein Zweiteilchenprozess, liegt die strahlende Rekombinationsrate in Silicium um mehrere Größenordnungen niedriger als in GaAs – die interne Quanteneffizienz liegt bei Si typischerweise im Bereich von 10⁻⁶, bei GaAs nahe 1. Das ist der physikalische Kern, warum Si-LEDs praktisch nicht existieren und III-V-Verbindungshalbleiter für Lichtemission alternativlos sind.