Kein Folientitel - KIT

I. Einleitung
I.0
Allgemeine Informationen:
Prof. Uli Lemmer
Lichttechnisches Institut, Geb. 30.34, Raum 223
Tel: 0721-608-2530
E-Mail: [email protected], URL: www.lti.uni-karlsruhe.de
Übungen: nach Vereinbarung
Vorlesungsfolien sind von von der LTI-Homepage herunterzuladen,
Erweiterte Unterlagen werden ausgeteilt bzw. können heruntergeladen
werden
Prüfung: mündl., Termin nach Vereinbarung
Vorkenntnisse: Halbleiterbauelemente hilfreich
I. Einleitung
I.1: Einordnung in die Studienmodelle:
• festes Modellfach für das Studienmodell „Optische Technologien“
(Studienmodell 10)
• wählbares Modellfach für andere Studienmodelle
• Nebenfach für Physiker, Informatiker ... (?)
Studienmodell „Optische Technologien“
Optoelektronische
Bauelemente
Lichttechnik
Wählbare Modellfächer
Messtechnik
Optische Systeme
BWL, Soft Skills
Optoelektronische
Bauelemente
Lichttechnik
Optische Systeme
Hella – LED-Technology
System approach considering DRL in headlamps as example
LED module
Interface
to optics
Interface to
headlamp /
body electronic
Audi A8 L 6.0 Quattro
LED-Know-how, Thermal Management,
Design, Electronics, Interconnection Technology
1
LED-Modul/2004-02-02/Lukas Schwenkschuster
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Messtechnik
z.B. Biophotonik
(Fa. evotec OAI)
z. B. Objekte
vermessen
(Fa. Sick)
Empfohlene Literatur
I.2: Empfohlene Literatur:
J. Singh, Semiconductor Optoelectronics: Physics and Technology,
Mc Graw Hill, 1995 (leider zur Zeit vergriffen, vorhanden in Uni-Bib)
Semiconductor Optoelectronic Devices
von Pallab Bhattacharya (€ 74,10)
J. Jahns, Photonik, Oldenbourg
...weitere Hinweise im Laufe der Vorlesung
Skript der Vorlesung von Prof. D.A.B. Miller in Stanford:
http://www.stanford.edu/class/ee243/handouts.htm
Übersicht über die Vorlesung
I. Einleitung
II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik
III. Optische Eigenschaften von Halbleitern
IV. Halbleiterleuchtdioden
V. Technologie optoelektronischer Bauelemente
VI. Laserdioden
VII. Optik in Halbleiterbauelementen
VIII. Betrieb und Anwendung von Laserdioden
IX. Optische Modulatoren
X. Optoelektronische Bauelemente in der Nachrichtentechnik
XI. Weitere Festkörperstrahlungsquellen
XII. Grundlagen der Lichttechnik
XIII. Displaytechnologien
XIV. Nichtlineare Optik
I. Einleitung
I.3 Was ist Optoelektronik?
→ Optoelektronik ist die Nahtstelle zwischen Optik und Elektronik
Optik
Optoelektronik
Elektronik
Abb. I.1: Schema zur Optoelektronik
I.3: Was ist Optoelektronik ?
Die Optoelektronik umfasst viele Facetten des Wechselspiels zwischen Strom und
Licht:
Optoelektronik
Modulation
Erzeugung
Übertragung
Anwendung
Detektion
Sichtbar
Mikrowellen
Radiowellen
10
7
10
8
10
9
10
10
“THz”
10
11
10
Infrarot
12
10
13
10
Ultraviolett Röntgen
14
10
15
10
16
10
17
Frequenz (Hz)
Abb I.2: Das elektromagnetische Spektrum
Bsp. zur Erzeugung von Licht: Halbleiterlaser und
Gasentladungslampe
Abb. I.3: Halbleiterlasers
Abb. I.4: Moderne
Frontscheinwerferlampe
Beispiel zur Erzeugung von Licht: Display
Abb. I.5: Autoradio/Navigationssystems mit Flachbildschirm aus organischen (Kunststoff-) Halbleitern
Beispiel zur Modulation und Übertragung von Licht:
Telekommunikation
Abb. I.6: Schemabild zur Telekommunikation
Beispiel zur Detektion: Solarzellen
Abb. I.7: Solarzellenfelder
Beispiel zur Anwendung: Laserschweißen
Abb. I.8: Laserschweißnaht
I. Einleitung
Optoelektronik beruht auf dem Zusammenspiel verschiedenster Materialien
PPV
GaN
KTP
Ge2Sb2Te2
GaAs/AlAs
a-Si
SOI
LiNbO3
InP
SiGe
Abb. I.9: Materialien der Optoelektronik
etc.
I.4 Technische und wirtschaftliche Bedeutung der Optoelektronik
(Si)-Elektronik (integrierte Schaltkreise)
nahezu „unschlagbar“ in der „lokalen“ Informationsverarbeitung
Optik (Photonik)
Visualisierung, Übertragung und Speicherung
von Informationen, Beleuchtung, Materialbearbeitung,
Messtechnik, ...
Vorteile von Licht :
• immun gegen elektromagnetische Störstrahlung
• keine gegenseitige Beeinflussung von Licht durch Licht
• hochgradig parallel
• vielfältige Nichtlinearitäten
Weltmarkt Optische Technologien
5%
4%
2%
Sensoren
Laser
37%
14%
Photovoltaik
Optische Komponenten
Flat Panel Displays
23%
Lampen
Optoelektronik
15%
Gesamt: ca. 125 Mrd. EUR
Quelle: OIDA
Abb. I.10: Märkte für optische Technologien 1999
Quelle: OIDA
Weltmarkt Optische Technologien
5%
4%
2%
Sensoren
Laser
37%
14%
Photovoltaik
Optische Komponenten
Flat Panel Displays
23%
Lampen
Optoelektronik
15%
Gesamt: ca. 125 Mrd. EUR
Quelle: OIDA
Abb. I.10: Märkte für optische Technologien 1999
Weltmarkt Laserstrahlquellen
Andere
Diodenlaser
2001
2000
1999
1998
1997
Mrd. US $
1996
14,000
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0,000
Quelle: Laser Focus World (01/2001)
Abb. I.11: Weltmarkt Laserstrahlquellen
Quelle: Laser Focus World 2004
Marktbeispiele in der Informations- und Kommunikationstechnik
Quelle: Photonics Spectra (Mai 2001)
• Verkauf von 8.5 Mio. DVD-Laufwerken in 2000 (Steigerung 109%)
• Verkauf von 4.1 Mio. Digitalkameras in 2000 (Steigerung 123%)
• DWDM--Komponenten: 7.4 Mrd US $ in 2000
Prognose: 36.5 Mrd. US $ in 2005
DWDM=Dense Wavelength Division Multiplexing: Hochgradig
parallele optische Datenübertragung mit Licht verschiedener
Farbe (Wellenlänge) über Glasfasern.
Quelle: Laser Focus World 2004
Quelle: Laser Focus World 2004
Weltmarkt Optische Technologien
5%
4%
2%
Sensoren
Laser
37%
14%
Photovoltaik
Optische Komponenten
Flat Panel Displays
23%
Lampen
Optoelektronik
15%
Gesamt: ca. 125 Mrd. EUR
Quelle: OIDA
Abb. I.10: Märkte für optische Technologien 1999
SCHOTT Spezialglas GmbH,
Luminescence Technology
Segmentation of the illumination market and volumes
…the OLED technology offers various application for lighting
…focusing is important
display world
variability of information
General
Lighting
Variable
Message
Signs
(VMS )
7500 Mio €
Low
Information
Content
Display
(LICD)
1000 Mio €
Mainz, 31.10.2003, Seite 7
SG -FTL - Bge /Hpn - SEMICON -03.04.03
Digital
Hoarding
pixel size
20000 Mio €
Illuminated
Advertisement
Automotive
Hella , Visteon ,
FER , R&S
J.W. Speaker ...
TV/Video Displays
focus
to be continued
stop
Marktbeispiel: Beleuchtung-Leuchtdioden
Lampen
Weltmarkt:
ca. 12,5 Mrd. EUR
Deutschland:
ca. 0,65 Mrd. EUR
72% Allgemeinbeleuchtung
28% Auto- und Spezialanwendungen
Gesamter Lichtmarkt Deutschland: ca. 3,3 Mrd. EUR
Quelle: OSRAM
II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik
II.1: Erinnerung an die Quantenmechanik
Das Verhalten von Teilchen (insbesondere Elektronen (e‘s)) wird stattdessen
beschrieben durch eine Wellenfunktion Ψ(x,t):
Massepunkt
Wellenpaket Ψ(x,t)
Abb. II.1: Von der klassischen
Mechanik zur Quantenmechanik
II.1: Erinnerung an die Quantenmechanik
II.1.1: Die Schrödinger-Gleichung
Die zeitliche Entwicklung wird bestimmt durch die Schrödinger-Gleichung:
⎡ −= 2 ∂ 2
⎤ ∂ j = Ψ ( x, t ) = ⎢
+ V ( x, t ) ⎥ Ψ ( x, t )
2
∂t
⎣ 2m0 ∂x
⎦
mit V(x): äußeres Potential, m0: Elektronenmasse
Ist das Potential zeitunabhängig, so kann die Wellenfunktion in einen
Phasenfaktor und einen zeitunabhängigen Term separiert werden:
( x, t ) = Ψ( x)e
Ψ
− jωt
mit
E
ω=
=
II.1: Erinnerung an die Quantenmechanik: Die zeitunabhängige Schrödinger-Glg.
Aus der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung wird dann eine
zeitunabhängige Gleichung und es ergibt sich eine stationäre
Lösung für die Wellenfunktion ψ(x).
⎡ −= 2 ∂ 2
⎤ ∂ j = Ψ ( x, t ) = ⎢
+ V ( x, t ) ⎥ Ψ ( x, t )
2
∂t
⎣ 2m0 ∂x
⎦
(t-abhängig)
( x,t ) = Ψ( x )e− jωt
mit Ψ
ergibt sich dann
⎡ −= 2 ∂ 2
⎤
0=⎢
+ (V ( x) − E ) ⎥ Ψ ( x)
2
⎣ 2m0 ∂x
⎦
(t-unabhängig)
II.1.1: Erinnerung an die Quantenmechanik: Die Schrödinger-Gleichung
Diese Gleichung kann in eine Eigenwertgleichung umgeschrieben werden:
⎛ −=2 ∂ 2
⎞
+ V ( x) ⎟ Ψ ( x) = E Ψ ( x)
⎜
2
⎝ 2m0 ∂x
⎠
−=2 ∂ 2
H=
+ V ( x)
2
2m0 ∂x
wird hierbei als Hamiltonoperator bezeichnet und
es ergibt sich die Schrödingergleichung in
allgemeinerer Form:
ψ(x) ist Eigenfunktion zum Operator H
Eigenwert E: Energie des Elektrons
H Ψ ( x) = E Ψ ( x) .
II.1: Erinnerung an die Quantenmechanik
II.1.2: Das freie Elektron
Im Falle eines freien Elektrons (V(x)=0) sind die stationären Zustände
ebene Wellen:
Ψ ( x) = e jkx .
k
Die Energieeigenwerte werden nach der Wellenzahl k
(oder allgemeiner dem Wellenvektor k) klassifiziert und
berechnen sich gemäß:
2
( =k )
Ek =
2m0
k ist hierbei direkt mit dem Impuls des Elektrons
verknüpft:
p = =k
Abb. II.2: Energie-Impulsrelation des
freien Elektrons
Nächste Vorlesung: Di., d. 27.04.2004