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Anorganische Leuchtdioden

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Organische Leuchtdioden (LEDs) sind nach etlichen Jahren der Stagnation wieder in den Fokus der Technologie gerückt. Dieses kam zunächst einmal durch die neuen spezifischen Eigenschaften, die LEDs gegenüber herkömmlichen Lichtquellen haben. So sind LEDs zwar schon immer in Bezug auf Effizienz, Lebensdauer und Robustheit den traditionellen Glühlampen überlegen gewesen, konnten diese aber wegen ihrer relativ geringen Lichtleistung und ihrer Einfarbigkeit außer in dem Bereich der Signalisierung nirgendwo vollständig ersetzen. Neu gefundene Werkstoffe wie die organischen Polymere oder die metallorganischen Verbindungen, die Halbleitereigenschaften haben und neue Verfahren bei der Herstellung von anorganischen Halbleitern (wie Galliumnitrid) können jetzt die Glühbirne in allen Bereichen ablösen.
Aber auch politische Entscheidungen, die auf den ökologischen Erkenntnissen und den ökonomischen Entwicklungen in den ersten Jahren des neuen Jahrtausend beruhen, treiben die Einführung der neuen Techniken schnell voran. Schätzungsweise ein Viertel aller erzeugten elektrischen Energie wird für Beleuchtung aufgewendet. Glühlampen als thermische Strahler haben einen denkbar schlechten Wirkungsgrad (6-18%). LEDs haben gegenüber Glühlampen einen bis zu 15fachen und gegenüber Gasentladungslampen einen bis zu 5fachen Effizienzvorsprung. Der konsequente Ersatz von Glühlampen kann allein in Europa ein Dutzend Kraftwerke einsparen und den Ausstoß von 15 Millionen von Tonnen Kohlendioxid jährlich vermeiden. Die Politiker haben erkannt, dass die Ablösung der thermischen Strahler durch Elektrolumineszenzstrahler unausweichlich wird. Die EU (Richtlinie v. 8.12.2008) und einige außereuropäische Staaten haben daher ab 2009 ein stufenweises Verkaufsverbot von Glühbirnen in ihr Programm aufgenommen und aufwendige Entwicklungsprogramme in der Beleuchtungsindustrie ins Leben gerufen.

2. Anorganische LEDs

2.1. Grundlagen der Elektrolumineszenz

Als Elektrolumineszenz bezeichnet man die Eigenschaft von Stoffen oder Materialkombinationen in einem elektrischen Feld Licht zu emittieren. Die für die Consumer Elektronik wichtigsten Elektroluminanzstrahler sind Leuchtdioden. Leuchtdioden sind Halbleiterdioden, die nach Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung ein meist einfarbiges Licht abstrahlen. Die Farbe des abgestrahlten Lichtes ist abhängig von den verwendeten Halbleitern und von der Konstruktion der LED. Grundsätzlich lassen sich zwei Klassen von Leuchtdioden unterscheiden: Anorganische LEDs und Organische LED (OLEDs). Die klassischen anorganischen LEDs bestehen aus Einkristallen von Halbleiterverbindungen bestimmter Elemente während OLEDs aus mehreren in Schichten angeordneten Polymeren bestehen. Diese Polymere haben ebenfalls Halbleitereigenschaften.

Die für anorganische LEDs verwendeten Halbleiterverbindungen bestehen zumeist aus Elementen der Gruppen III und V (GaP, GaS, InAs, InP, GaN,GaSb, AlN, AlGaAs) oder II und VI (ZnSe). Elementhalbleiter (Si, Ge) und die Verbindungshalbleiter der Gruppe IV werden auch als indirekte Halbleiter bezeichnet. Die Verbindungshalbleiter der Gruppen III/V sind direkte Halbleiter. Nur die direkten Halbleiter können effektiv für eine Strahlungserzeugung eingesetzt werden.
An (stark unreinen) Kristallen der IV-IV-Verbindung Siliziumcarbid (SiC) wurde 1907 von Henry Round das erste Mal das Phänomen der Elektrolumineszenz beobachtet. Durch die unterschiedlichen Verunreinigungen zeigten sich vielfache Farben. Die erste kommerzielle Nutzung von LEDs war erst 1962 (rote LEDs aus GaAsP von General Electric, Stückpreis 200$)

Tab. 1: Ausschnitt des Periodensystems - In LEDs verwendete Elemente
Tab. 1: Ausschnitt des Periodensystems - In LEDs verwendete Elemente

Die Entstehung der Elektrolumineszenz in LEDs beruht auf den Leitungsvorgängen im pn-Übergang der Diode. Die Halbleiter in anorganischen LEDs haben eine kristalline Struktur. Das Basismaterial (Substrat) ist ein Einkristall und wird in mehreren Vorgängen mit Fremdatomen dotiert. Das heißt, es dringen die Atome des Dotierungsmaterials in die Kristallstruktur ein. Die Dotierung verändert die elektrischen Verhältnisse im Kristall. Kann das Dotierungsmaterial freie Elektronen binden (p-Dotierung mit Akzeptoren, entstehen im Kristall positiv geladene Defektstellen, sog. positive Löcher. Kann das Dotierungsmaterial Elektronen im Gitter freisetzen (n-Dotierung mit Donatoren) entsteht ein Elektronenüberschuss. Daraus folgt die Ladungsverteilung so, dass die  Ferminiveaus in die Bandlücke fallen (Das Fermineveau ist eine statistische Größe: Es ist das Energieniveau auf dem die Besetztwahrscheinlichkeit von Ladungsträgern 50% ist).

Abb. 2a
Abb. 2a

Abb. 2a: Die unterschiedlich dotierten Halbleiter sind noch räumlich voneinander getrennt. Das Ferminiveau E des p-dotierten Halbleiters befindet sich nahe des Valenzbandes und das des n-dotierten Halbleiters nahe dem Leitungsband.

Abb. 2b
Abb. 2b

Abb. 2b: Werden beide Halbleiter miteinander in Kontakt gebracht, würden die Ferminiveaus auf unterschiedlichen Energiestufen liegen, was im thermischen Gleichgewicht (=im ansteuerungslosen Zustand) aber ein " verbotener Zustand" ist.

Abb. 2c
Abb. 2c

Abb. 2c: Um in ein Gleichgewicht zu kommen, verschieben sich die Energiebänder bis die Ferminiveaus bis sie auf gleichem Level liegen. Nun können die frei beweglichen Elektronen in das p-Gebiet diffundieren und im Gegenzug die ebenfalls frei beweglichen Löcher in das n-Gebiet. Die entstehenden Diffusionsspannungen kompensieren sich. Der Übergang ist frei von Ladungsträgern.

Abb. 2d
Abb. 2d

Abb. 2d: Mit dem Anlegen einer Gleichspannung in Durchlassrichtung werden durch ein Verschieben der Ferminiveaus die Potentialbarrieren verringert. Mehr Ladungsträger diffundieren in den Übergang. Elektronen und Löcher rekombinieren paarweise unter Abgabe eines Photons. Die LED leuchtet.

2.2 Praktische Anwendung der Elektrolumineszenz in anorganischen LEDS

Abb. 3: Aufbau einer klassischen LED
Abb. 3: Aufbau einer klassischen LED

Auf einem einkristallinen Substrat, hier Galliumphosphid, wird mittels Epitaxie (es gibt mehrere Verfahren) zunächst eine Kristallschicht Aluminiumgalliumarsenid wachsen lassen ("gezüchtet"). Anschließend wird diese mit einem Akzeptorenmaterial (z.B. Selen oder Tellur) dotiert. Es folgt die Epitaxie einer weiteren Schicht AlGaAs und die Dotierung mit einem Donatorenmaterial (z.B. Silizium oder Kohlenstoff). Weitere, hier nicht dargestellte Schichten, verbessern die Stromverteilung im Kristall und erhöhen die Lichtausbeute durch Reflexion. Die elektrischen Anschlüsse werden mit dem Aufbringen des LED-Kristalls auf einen leitenden Träger und mit dem Anbringen eines Goldfadens (Bonddraht) als Oberseitenkontakts realisiert. Nach dem Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung (Plus an die p-Schicht = Kathode, Minus an die n-Schicht = Anode) werden im Übergang zwischen den beiden AlGaAs-Schichten (Aktive Schicht) Photonen erzeugt und die LED leuchtet.

Abb. 4: LED im Expoxidharz-Gehäuse
Abb. 4: LED im Expoxidharz-Gehäuse

Der fertige LED-Kristall wird nach der Montage der elektrischen Anschlüsse z.B. in ein Kunststoffgehäuse vergossen. Dieses schützt den Kristall vor Umwelteinflüssen und macht die LED unempfindlich gegenüber mechanische Beanspruchungen wie Druck oder Stoß. Die entsprechende Gehäuseform verbessert auch die Lichtausbeute, da durch die Form, Farbe und optischen Eigenschaften des Kunststoffmantels die Abstrahlcharakteristik weitgehend bestimmt werden kann.

LED mit Double-Hetero-Struktur

Der in Bild 3 dargestellte zweischichtige Aufbau der LED (sog. Homojunktion) hat den Nachteil, dass die freien Ladungsträger vor der Rekombination in einen weiten Bereich um den Übergang diffundieren. Moderne Hochleistungsdioden vermeiden dies durch den Einsatz von sogenannten Double Hetero-Strukturen (DH). Hierbei werden die freien Ladungsträger durch Beschränkungsschichten (Confinement Layers) in einem kleinen Bereich konzentriert. Die Beschränkungsschichten bestehen aus verschiedenen Halbleitern (hier: GaN und AlGaN) mit unterschiedlicher Dotierung. So entsteht eine Halbleiterschicht mit einer kleinen Bandlücke, die in zwei Schichten mit einer größeren Bandlücke eingebettet ist (siehe auch Abb. 6). Die äußeren Schichten wirken als Potentialbarrieren. So sammeln sich die Ladungsträger in der mittleren Schicht. Die höhere Ladungsträgerkonzentration führt zu wesentlich mehr Rekombinationsprozessen mit Lichtemission.

Abb. 5: LED mit Double Hetero-Struktur
Abb. 5: LED mit Double Hetero-Struktur
Abb. 6: Bändermodell eines DH pn-Übergangs
Abb. 6: Bändermodell eines DH pn-Übergangs

2.3. Monochromatische LEDs

Licht ist ein Teil des elektromagnetischen Strahlungsspektrums. LEDs können sowohl im für Menschen sichtbaren Teilspektrum als auch im unsichtbaren Ultraviolett- (UV-) und Infrarot- (IR-)Bereich emittieren. Die Bandbreite des emittierten Licht ist sehr begrenzt, d.h. es ist monochrom. Die Farbe des von einer LED emittierten Licht ist abhängig von der Größe der Bandlücke des verwendeten Halbleiters. Über die Dotierung mit Fremdatomen lässt sich die Größe der Bandlücke in recht weiten Bereichen beeinflussen. Undotiertes GaAs hat beispielsweise einen Bandabstand von 1,4eV. Dies führt zu einer Emissionswellenlänge von 885nm. Werden durch Dotierung die Hälfte der GaAs-Atome im Kristall durch Phosphor ersetzt, vergrößert sich die Bandlücke auf nahezu 2eV. Damit steigt die Emissionswellenlänge auf 650nm. Mit der Größe der Bandlückenenergie unmittelbar verknüpft ist auch die an die Diode anzulegende Vorwärtsspannung.

Abb. 7: Bandlückenergien und Vorwärtsspannungen für verschiedene Halbleiter (Quelle: E.F. Schubert (efschubert@rpi.edu)
Abb. 7: Bandlückenergien und Vorwärtsspannungen für verschiedene Halbleiter (Quelle: E.F. Schubert (efschubert@rpi.edu)
Tab. 2: Tabelle der wichtigsten Halbleitermaterialien und deren Eigenschaften
Tab. 2: Tabelle der wichtigsten Halbleitermaterialien und deren Eigenschaften

In den letzten Jahren sind durch neue Werkstoffe und neue Verfahren LEDs in nahezu allen Spektralfarben verfügbar geworden. Gleichzeitig stieg auch die Effizienz und die Lichtausbeute. Dadurch wurden viele neue Anwendungen (Anzeigetafeln/Displays, Datenübertragung in Lichtleitern, Abtastlaser für DVD und Blu-ray Disc...)s für den Einsatz von LEDs gefunden.

2.4. Weiße LEDs

Weißes Licht ist ein Gemisch aus allen Wellenlängen des sichtbaren Spektrums. Soll eine weiße LED eine Glühlampe ersetzen, muss diese dem entsprechend dem Verwendungszweck mit der richtigen Farbtemperatur strahlen. Für Beleuchtungszwecke übliche Kategorien sind das "kaltweiße", tageslichtähnliche Licht (Farbtemperatur 5500-6000 K) und das "warmweiße" Licht, ähnlich dem von Glühlampen (2700-3000 K).

Tab. 3: Farbtemperaturen einiger Lichtquellen
Tab. 3: Farbtemperaturen einiger Lichtquellen

Um weiß leuchtende LEDs zu erhalten gibt es mehrere Möglichkeiten:

RGB-LED

RGB-LEDs enthalten drei LED-Chips, Rot, Grün und Blau, in einem Gehäuse. Alle Chips werden einzeln angesteuert. Das weiße Licht entsteht durch additive Farbmischung.

ABB_2815_01-09_Z-POWER-LED
Abb. 10: Prinzip und Spektrum einer RGB-Multi-LED (Quelle: Seoul SemiConductor)
Abb. 10: Prinzip und Spektrum einer RGB-Multi-LED (Quelle: Seoul SemiConductor)
Blau/Gelbe LEDs

Der technisch einfachste Weg weißes Licht mit LED zu erzeugen sind dichromatische LEDs. Diese LEDs erzeugen zwei Komplementärfarben, die gemischt weißes Licht ergeben.  Blau/Gelbe oder Blau/Amber LEDs können weißes Licht auf zwei unterschiedlichen Funktionsprinzipien erzeugen.

● Multichip- / Chip-on Board-LEDs

Abb. 11: Prinzip und Spektrum einer Blau/Amber Multi-LED (Quelle: OSRAM)
Abb. 11: Prinzip und Spektrum einer Blau/Amber Multi-LED (Quelle: OSRAM)

Abb. 11 zeigt eine Multi-LED mit mehreren separaten LED-Chips. Das weiße Licht entsteht durch additive Farbmischung des Licht der blauen und der amber LED. Um ein ausgeglichenes Lichtspektrum zu erhalten, befinden sich in diesem speziellen Typ zusätzlich noch zwei grüne LEDs mit im gleichen Gehäuse. Der COB (Chip-on-Board) befindet sich auf einem Modul, das in Projektoren, Scheinwerfern, Operationslampen oder Verkehrszeichen eingesetzt werden kann.


Single-Chip-LEDs

Abb. 12: Prinzip und Spektrum einer Blau/Gelb emittierenden LED mit Halbleiter-Konverter
Abb. 12: Prinzip und Spektrum einer Blau/Gelb emittierenden LED mit Halbleiter-Konverter

Der Strahler in einem Blau/Gelb oder Blau/Amber LED mit Halbleiter-Konverter besteht nur aus einem LED-Chip. Dieser hat jedoch zwei aktive Schichten. Die untere Schicht (Aktiver Bereich 1) ist ein blauer Strahler, meist aus GaInN/GaN. Die zweite, transparente, aktive Schicht (Aktiver Bereich 2) befindet sich im Strahlungsweg des emittierten blauen Lichts. Die Atome in der zweiten Schicht werden vom blauen Licht erregt und emittieren ihrerseits ein gelbes oder amberfarbenes Licht. Das weiße Licht entsteht durch additive Farbmischung. Beide Lichtfarben entstehen durch Elektrolumineszenz.

Abb. 13: Prinzip und Spektrum einer Blau/Gelb emittierenden LED mit Phosphor-Konverter
Abb. 13: Prinzip und Spektrum einer Blau/Gelb emittierenden LED mit Phosphor-Konverter

Weiße LEDs mit Phosphorkonverter enthalten nur eine, blau strahlende, LED. Das LED-Kristall ist in eine transparente phosphoreszierende, meist Cer-dotiertes YAG (Yttriumaluminiumgranat), Silikonmasse eingegossen. Die YAG-Kristalle absorbieren einen Teil der Photonen des blauen LED-Lichts und geben sie mit niedrigerer Energie als gelbes oder amberfarbiges Licht wieder ab. Das weiße Licht entsteht also durch eine additive Farbmischung aus dem durch Lumineszenz entstandenen blauen Licht und dem durch Phosphoreszenz entstandenen gelben/amber Licht. Diese Weißlicht-LEDs haben oft einen Blaustich und eine hohe Farbtemperatur.

Foto 1: LED-Straßenbeleuchtung vor der Abtei in Wunstorf / Niedersachsen  (Foto: InfoTip)
Foto 1: LED-Straßenbeleuchtung vor der Abtei in Wunstorf / Niedersachsen
(Foto: InfoTip)

3. Laserdioden

Bereits 1917 beschrieb Albert Einstein in seinem Papier "Zur Quantentheorie der Strahlung"  einen theoretisch möglichen Strahlungsvorgang als Umkehrung der Absorption, die stimulierte Emission. Eine stimulierte oder induzierte Emission ist die Emission eines Photon, die nicht spontan, sondern durch ein anderes Photon ausgelöst wird. Der erste funktionierende Laser (LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) wurde am 16.Mai 1960 von Theodore Maiman fertiggestellt. Als Strahlungsquelle diente ein optisch gepumpter Rubinkristall. Es handelte sich somit um einen Feststoff-Laser.

Grundprinzip eines Lasers

Unter normalen Bedingungen wird ein Elektron in einem angeregtem Atom Energie aufnehmen und auf das nächste zulässige höhere Energieband wechseln. Dort kann es aber nicht unendlich lange verweilen. Nach einer bestimmten Zeit fällt es unter Abgabe von Energie auf das niedrigere Energieniveau zurück. Diese spontane Energieabgabe kann als Licht (Photonen) oder Wärme/Bewegungsenergie (Phononen) erfolgen. Die Strahlung ist inkohärent, d.h. sie ist nicht gleichphasig. Werden Atome aber, z.B. durch Zusammenstoß mit anderen Atomen oder durch Pumpen, in eine Nichtgleichgewichtsbesetzung (sog. Besetzungsinversion) gebracht, können sie die überschüssige Energie nicht spontan abgeben und verbleiben für längere Zeit in diesem metastabilen Zustand. Werden jetzt Photonen eingestrahlt, gehen die angeregten Atome eine Wechselwirkung mit den Photonen ein. Sie können den metastabilen Zustand unter Abgabe von einem neuen Photon verlassen. Das den Vorgang auslösende Photon bleibt erhalten und überträgt seine Wellenlänge und Phasenlage auf das neu entstandene. Beide Photonen können nun weitere Photonen auslösen, die in ihren Eigenschaften dem ursprünglichen gleichen. Es wird ein kohärentes Licht erzeugt.

Abb. 14: Stimulierte Emission in einem Laser
Abb. 14: Stimulierte Emission in einem Laser

Die Pumpenergie (Lichtblitze bei Feststofflaser, Farbstofflaser durch andere Laserstrahlung, Spannung bei Halbleiterlasern) kann in geeigneten Medien (Gas , Kristallen) Elektronen vom Grundniveau Eo auf ein drittes (oder noch höheres) Energieniveau, dem Pumpniveau EP heben. Von dort fallen sie strahlungslos spontan auf das nächst niedrigere Energieniveau EM zurück. Ist entsprechend den spezifischen Bandlücken des Mediums ein weiterer Übergang nach EL verboten verbleibt das Atom mitunter für Sekunden in diesem metastabilen Zustand. Nur ein passierendes Photon mit der Energie EM-EL kann kann eine stimulierte Emission auslösen, die das Atom auf das EN-Niveau fallen lässt. Von EL zum Grundzustand E0 kann ein strahlungsloser oder spontan emittierender Übergang erfolgen.

Abb. 15:  Optischer Resonator in einem Halbleiterlaser
Abb. 15: Optischer Resonator in einem Halbleiterlaser

Ist die Anzahl von Atomen im metastabilen Zustand in einem Medium gering, können mittels eines optischen Resonators die Anzahl der für die stimulierte Emission benötigten Photonen vervielfacht werden. Die Photonen werden zwischen zwei Spiegeln immer wieder hin- und her reflektiert. Wie in einem mitgekoppelten Verstärker schaukelt sich eine Schwingung in einer Stehwelle auf. Der Abstand der Spiegel zueinander muss ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge l der Frequenz dieser Stehwelle betragen, da eine Reflexion an den Spiegeln nur im Wellenknoten stattfinden kann.

Halbleiterlaser

Abb. 16: Pumpen eines Halbleiterlasers
Abb. 16: Pumpen eines Halbleiterlasers

In einem Halbleiterlaser entsteht die Lichtemission durch Rekombinationsprozesse von Elektronen und Löchern in einem pn-Übergang. Die Pumpenergie für einen Halbleiterlaser liefert ein Gleichstrom in Durchlassrichtung durch den pn-Übergang. Der Strom liefert einen ständigen Nachschub von Elektronen und Löchern. Die Kennlinie des Vorwärtsstroms lässt zwei Bereiche erkennen. Bei niedrigen Betriebsströmen kommt es bis zum Schwellstrom ITH lediglich zu spontanen Emissionen von Licht. Erst wenn die Spannung über der Diode erhöht wird und der Strom über ITH steigt, kommt es zu einer stimulierten Emission und die Diode lasert. Der optimale Betriebsstrom liegt bei IOP. Höhere Ströme können eine Zerstörung (COD = Catastrophic Optical Damage) des Laserkristalls durch thermische Überlastung bewirken. Beispiel: Die 635nm-Laserdiode DL-4038-031 von Sanyo, wie sie in Laserdruckern eingesetzt wird, hat einen Schwellstrom von 35mA und einen Betriebsstrom von 55mA (bei 2,3V Vorwärtsspannung). Dann liefert die Laserdiode ca. 10mW optische Leistung POP.

Abb. 17: Prinzipieller Aufbau einer Laserdiode
Abb. 17: Prinzipieller Aufbau einer Laserdiode

Die meisten Laserdioden, wie sie z.B. in DVD-Abtasteinheiten eingesetzt werden, enthalten ein Laserkristall mit Abmessungen von ca. 400*300*100mmm. Abb. 17 zeigt die Struktur einer Doppelhetero-Laserdiode. Die nur 50nm dicke aktive Schicht aus p-AlGaAs befindet sich zwischen Beschränkungsschichten aus p-AlGaAS und n-AlGaAs. Der Pumpstrom wird über eine streifenförmige Elektrode und in eine schmale Region des Kristalls injiziert. Die Längsrichtung dieser Region dient als horizontaler Wellenleiter entlang dem die Photonen entstehen und dann in der aktiven Schicht entlang wandern. Der Pumpstrom fließt senkrecht zu den Schichten. Der Laserstrahl tritt an den Kanten des Kristalls aus.

Die Stehwelle des Laserlichts im Kristall besteht aus mehreren Moden:

  • Der Längsrichtungs- (Longitudinal-)Mode beschreibt die Stehwelle im Resonator. Die Wellenlänge des Laserlichts wird, wie oben   beschrieben, von der Länge des Resonators bestimmt. Aber auch harmonische und subharmonische Wellenlängen (Multimodelaser) können entstehen. Halbleiterlaser sind in ihrer Wellenlänge temperaturabhängig. Der Temperaturkoeffizient von AlGaAs beträgt ca. 0,2nm/°C. Die Wellenlängenänderung Dl erfolgt in Sprüngen (Mode Hopping) von ca. 0,16nm. Die Halbleitertemperatur ist abhängig vom Arbeitsstrom und von der Umgebungstemperatur. Monomodelaser, z.B. für LWL-Datenübertragung, müssen daher temperaturstabilisiert werden.
  • Der Querrichtungs- (Traverse-)Mode
    Im Querrichtungsmode wird die Streuung des Laserstrahls beschrieben. Hierbei wird zwischen dem Nahfeldmuster an der Austrittsstelle des Strahls aus dem Kristall und dem Fernmuster unterschieden.
    Die Streuung des Strahls parallel zur aktiven Schicht (Parallel Traverse Mode) wird im Wesentlichen durch Form und Aufbau des Wellenleiters und der streifenförmigen Elektrode bestimmt. Die Lichtmenge, die in der aktiven Schicht eingedämmt werden kann, ist abhängig von der Schichtdicke. Der Brechungsindex der Beschränkungsschichten ist etwas niedriger als der der aktiven Schicht. Daher wird das in der aktiven Schicht erzeugte Licht dort gefangen. Je dünner die aktive Schicht ist, desto mehr Licht kann aber aus der aktiven Schicht ausbrechen, was zu einer zur aktiven Schicht senkrechten Streuung (Perpendicular Traverse Mode) des Laserstrahls führt. Ist die Strahlstreuung anwendungskritisch (z.B. bei Lasernivellierungsgeräten oder Laserpointern) muss sie mit Kollimatorlinsen oder mit Fokussiereinrichtungen (CD/DVD- Abtaster) kompensiert werden. Beispiel: Bei der bereits oben erwähnten Laserdiode DL-4038-031 beträgt die Strahldivergenz senkrecht 30° und parallel 8°.

Laserdioden im praktischen Einsatz

Lasermodul aus einem Laserpointer
Lasermodul aus einem Laserpointer

Wichtige Leistungsparameter einer Laserdiode sind stark abhängig von der Temperatur des Laserkristalls. Diese wiederum ist stark abhängig von einer korrekten Ansteuerung der Diode. Laserdioden müssen immer über einen geregelten Treiber betrieben werden. Je nach Anwendung kommt eine Konstantstromregelung (ACC = Automatic Current Control) oder Konstantleistungsregelung (ACP = Automatic Power Control) zum Einsatz.

APC
In vielen Applikationen sind die Laserdioden starken Temperaturschwankungen ausgesetzt. Um die optische Ausgangsleistung immer konstant zu halten muss der Vorwärtsstrom durch die Laserdiode der optischen Ausgangsleistung nachgeführt werden. Hierzu wird die Ausgangsleistung der Diode mit einer Monitor-Fotodiode überwacht. Die Fotodiode misst die Lichtmenge, die aus der rückwärtigen Kante des Laserkristall austritt. Eine Auswerteschaltung erzeugt aus dem Lichtstrom eine Regelinformation, die den Treiberstrom der Laserdiode steuert.

Abb. 18: Laserdiode im TO5-Gehäuse
Abb. 18: Laserdiode im TO5-Gehäuse
Abb. 19: Prinzipschaltung einer Konstantleistungsregelung (Quelle: Sanyo)
Abb. 19: Prinzipschaltung einer Konstantleistungsregelung (Quelle: Sanyo)

Abb. 19 zeigt eine Prinzipschaltung für eine APC. Wenn die Laserdiode (LD) Licht emittiert, fließt durch die Fotodiode PD ein der optischen Ausgangsleistung proportionaler Lichtstrom. Der ebenfalls proportionale Spannungsabfall über die Widerstände R01 und R02 durchläuft den Buffer OP1 und geht auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärker OP2. Mit der Z-Diode ZD wird eine Referenzspannung erzeugt. Diese geht ebenfalls auf den Operationsverstärker OP2. OP2 vergleicht die beiden Eingangsspannungen und steuert den Basisstrom in den Treibertransistor T1 so, dass die Fotospannung UFF und die Referenzspannung UREF> gleich groß sind. Mit dem Einsteller R04 wird die maximal zulässige Ausgangsleistung der Laserdiode eingestellt, mit Poti R01 wird die Soll-Ausgangsleistung eingestellt.

Abb. 20: Prinzipschaltung einer Konstantstromregelung (ACC)
Abb. 20: Prinzipschaltung einer Konstantstromregelung (ACC)

ACC
Im automatischen Konstantstrombetrieb (ACC) wird der Strom durch die Laserdiode von einer Konstantstromquelle geliefert. Da die Ausgangsleistung der Laserdiode stark abhängig von der Kristalltemperatur ist, kann eine konstante Ausgangsleistung des Lasers nur mit einer zusätzliche Temperaturregelung gewährleistet werden.
Der Strom durch die Laserdiode LD wird als Spannungsabfall über den Emitterwiderstand R06 gemessen. Der Komparator OP1 vergleicht diese Ist-Information mit der als Soll vorgegeben Spannung am Schleifer von R02 und regelt über den Basisstrom von T1 den Strom durch die Laserdiode nach.

REFERENZEN

Abbildungen

 

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