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Mikroelektronik II: Leuchtdioden laserlike

Eine kleine Anleihe bei Halbleiterlasern verleiht Leuchtdioden außergewöhnliche Eigenschaften.


Leuchtdioden (LEDs) verwandeln elektrischen Strom wesentlich effektiver in sichtbares Licht, als es Glühbirnen vermögen (bis auf wenige Prozent entsteht dort vor allem Infrarot- und Wärmestrahlung). Sie wären also die idealen Lichtquellen, minderte nicht Totalreflexion die Ausbeute: Immer wenn Licht aus einem optisch dichteren in ein dünneres Medium austritt, wird es ab einem kritischen Winkel auf der Grenzfläche zurückgeworfen. Aus einer herkömmlichen LED, die in Epoxidharz vergossen ist, entkommen deshalb nur etwa fünf Prozent des im Halbleiter erzeugten Lichts.

Ein neuer Typus macht nun Anleihen bei den "feineren Verwandten", den Halbleiterlasern, um dem abzuhelfen: Die Licht erzeugende Halbleiterschicht wird zwischen zwei Spiegel gepackt, einen hochreflektierenden unterhalb und einen zur Lichtauskopplung halbdurchlässigen oben drauf. In einem solchen "Resonator" kann sich Licht nicht in jeder Richtung gleichermaßen ausbreiten, denn auf Grund der Reflexionen interferieren die Wellen; manche werden dabei verstärkt, andere gelöscht.

Dieses Prinzip der resonant-cavity light emitting diode (RCLED) sowie einige Feinheiten bei der geometrischen Auslegung gibt vielen Lichtquanten von vornherein eine Richtung vor, die innerhalb des Auskoppelkegels liegt, den der kritische Winkel der Totalreflexion vorgibt. Somit schaffen mehr Photonen den Ausstieg. Den Effizienz-Weltrekord für rote RCLEDs hält unsere Entwicklungsabteilung von OSRAM Opto Semiconductors mit 12 Prozent.

Solch ein Bauelement eignet sich prinzipiell für jede LED-Anwendung. Seine Stärke spielt es freilich dort aus, wo viel Licht in einem engen Raumwinkel benötigt wird, beispielsweise bei Lichtschranken und Barcodescannern (Spektrum der Wissenschaft 9/2001, S. 104) oder zur Dateneinspeisung in Kommunikationsnetze aus Plastikfasern (plastic optical fiber, POF; Spektrum der Wissenschaft 6/2001, S. 89). Dafür Halbleiterlaser zu verwenden wie bei Glasfasern wäre mit Kanonen auf Spatzen geschossen, denn die preisgünstigeren Plastikleitungen erlauben nur Datenraten bis 500 Megabit pro Sekunde, und das schafft eine RCLED allemal. Typische Anwendungsfelder solcher Datenleitungen wären Videokameras, Laptops und die Fahrzeugelektronik.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 2001, Seite 79
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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