Grundlagen der optoelektronischen Bauelemente - Cheatsheet

Grundlagen der optoelektronischen Bauelemente

Definition:

Grundlagen der optoelektronischen Bauelemente: Interaktion von Licht und Halbleitern zur Erzeugung optischer Effekte und elektronischer Signale.

Details:

• Photonen erzeugen Elektronen-Loch-Paare in Halbleitern.
• Wichtige Bauelemente: LEDs, Laserdioden, Photodioden, Solarzellen.
• LED: Elektrolumineszenz durch Rekombination von Elektronen und Löchern.
• Laserdioden: Verstärkung von Licht durch stimulierte Emission.
• Photodioden: Umwandlung von Licht in elektrischen Strom.
• Solarzellen: Photovoltaischer Effekt zur Energiegewinnung.
• Gängige Materialien: GaAs, InP, Si, Ge.
• Formeln:
• Emission: $E_{photon}=hu$.
• Stromdichte: $J=qn\mu E$.
• Quanteneffizienz: $\eta =\frac{n_e}{n_{photon}}$.

Elektronische Bandstruktur und Bandlücke in Halbleitern

Definition:

Verband freier und gebundener Elektronenzustände in einem Festkörper. Bandlücke (band gap) entspricht dem Energiebereich ohne Zustände zwischen Valenzband und Leitungsband.

Details:

• Elektronenbandstruktur bestimmt die elektrischen und optischen Eigenschaften von Halbleitern.
• Valenzband: Besetzte Zustände, in denen Elektronen Energie haben.
• Leitungsband: Unbesetzte Zustände, die Elektronen annehmen können.
• Bandlücke $E_g$ bestimmt Halbleitercharakter: $E_g$ klein (Leiter) vs. $E_g$ groß (Isolator).
• Direkte Bandlücke: Elektronenübergang ohne Impulsänderung.
• Indirekte Bandlücke: Elektronenübergang erfordert Phononen zur Impulsänderung.

Absorption und Emission von Photonen

Definition:

Absorption und Emission von Photonen bezieht sich auf die Prozesse, bei denen ein Elektron in einem Material Energie in Form von Licht (Photonen) aufnimmt oder abgibt.

Details:

• Absorption: Ein Elektron nimmt ein Photon auf und bewegt sich von einem niedrigeren in ein höheres Energieniveau.
• Emission: Ein Elektron fällt von einem höheren in ein niedrigeres Energieniveau und gibt dabei ein Photon ab.
• Spontane Emission: Emission ohne äußere Anregung.
• Stimulierte Emission: Ein Photon induziert die Emission eines weiteren Photons gleicher Energie.
• Energie des Photons: $E=h\cdot f$, wobei $h$ das Plancksche Wirkungsquantum und $f$ die Frequenz ist.
• Photonenenergie in Halbleitern: $E=E_C-E_V$, wobei $E_C$ und $E_V$ die Energieniveaus des Leitungs- und Valenzbandes sind.

Aufbau und Funktionsprinzip von LEDs

Definition:

LEDs (Licht emittierende Dioden) basieren auf Halbleitermaterialien und erzeugen Licht durch Elektrolumineszenz, wenn durch sie Strom fließt.

Details:

• Halbleitermaterialien: Typischerweise Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP) oder Indium-Gallium-Nitrid (InGaN).
• P-N-Übergang: Elektronen rekombinieren mit Löchern in der p-Schicht und emittieren Photonen.
• Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial.
• Energiebandlücke: Bestimmt die Energie (und somit die Farbe) der emittierten Photonen.
• Anwendung: Beleuchtung, Anzeigen, Infrarot-Übertragung, u.v.m.
• Formel zur Berechnung der emittierten Photonenenergie: $E=hf$ wobei $E$ die Energie, $h$ das Plancksche Wirkungsquantum und $f$ die Frequenz des emittierten Lichtes ist.

Aufbau und Funktionsweise von Fotodetektoren

Definition:

Optoelektronische Bauelemente, die Licht in elektrische Signale umwandeln; Photodioden, Phototransistoren, CCDs.

Details:

• Wichtige Materialien: Halbleiter wie Silizium, Germanium, GaAs.
• Funktionsweise: Absorption von Photonen erzeugt Elektron-Loch-Paare.
• Photostrom: $$I_{ph}=\frac{q\times \text{Photonenzahl}\times \text{Quanteneffizienz}}{\text{Photonenenergie}}$$
• Dunkelstrom: Störstrom ohne Licht; temperaturabhängig.
• Sensitivität: Abhängig von Material und Wellenlänge.
• Typen:
  • Photodiode: schnelle Responsezeit.
  • Phototransistor: Verstärkungseffekt, höhere Empfindlichkeit.
  • CCD: hohe Auflösung, geeignet für Bildsensoren.

Photovoltaische Prinzipien und Solarzellentechnologie

Definition:

Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mittels des photovoltaischen Effekts.

Details:

• Photovoltaischer Effekt: Elektronen-Loch-Paare durch Absorption von Photonen in Halbleitern
• PN-Übergang: Trennt Elektron-Loch-Paare und erzeugt eine elektrische Spannung
• Wirkungsgrad: Verhältnis der umgewandelten zur eingestrahlten Energie
• Materialien: Silizium (mono- und polykristallin), Dünnschichtzellen (z.B. CdTe, CIGS), organische Zellen
• Gleichung für Strom-Spannungs-Kennlinie: $$I(V)=I_L-I_0(e^{\frac{qV}{n{k}_{B}T}}-1)$$
• Leistungsmaximierung durch Maximum Power Point Tracking (MPPT)

Laserarten und Grundlagen der optischen Verstärkung

Definition:

Verschiedene Lasertypen basieren auf unterschiedlichen Mechanismen der optischen Verstärkung. Grundlagen: stimulierte Emission, Besetzungsinversion.

Details:

• Laserarten: Halbleiterlaser, Faserlaser, Festkörperlaser, Gaslaser
• Optische Verstärkung durch stimulierte Emission: Photonen regen emittierende Elektronen an
• Besetzungsinversion: Notwendig für Verstärkung, mehr Elektronen im angeregten Zustand als im Grundzustand
• Bedingungen für Laseroszillation: Verstärkung > Verluste, Resonanzkavität
• Wichtige Parameter: Emissionswellenlänge, Verstärkungsspektrum, Schwellenstrom
• Mathematisch: Verstärkung gegeben durch $\frac{\text{d}I}{\text{d}z}=\beta I$, wobei $\beta$ der Verstärkungskoeffizient ist
• Einheiten: Verstärkungskoeffizient ${\text{cm}}^{-1}$

Nichtlineare optische Effekte in Halbleitern

Definition:

Änderung der optischen Eigenschaften von Halbleitern durch hohe Intensitäten einfallender Lichtwellen.

Details:

• Treffen einer hohen Lichtintensität: Änderungen in Polarisation
• Zweite und dritte harmonische Generation: \text{H(2)} und \text{H(3)}
• Kerr-Effekt: Brechungsindexänderung proportional zur Intensität: \Delta n = n_2 I
• Selbstphasenmodulation: Frequenzmodulation innerhalb des Pulses
• Zwei-Photonen-Absorption (TPA): Gleichzeitige Absorption zweier Photonen: \alpha_{TPA} = \beta I