Optoelektronik

Optoelektronik ist die Schnittstelle zwischen Elektronik und Licht. Ein Teil der Bauelemente wandelt elektrische Energie in Licht um – Leuchtdioden und Laserdioden. Der andere Teil macht aus Licht wieder einen elektrischen Strom – Fotodioden, Fototransistoren und Solarzellen. Beides beruht auf demselben Vorgang im Halbleiter: Ein Elektron wechselt zwischen zwei Energieniveaus und gibt dabei ein Lichtteilchen ab oder nimmt eines auf.

Licht als Energiepaket

Licht ist eine elektromagnetische Welle, tauscht Energie aber nur in festen Portionen aus, den Photonen. Die Energie eines Photons hängt allein von seiner Frequenz f bzw. Wellenlänge λ ab:

Dabei ist h ≈ 6,626 · 10^-34 Js das Plancksche Wirkungsquantum und c ≈ 3 · 10⁸ m/s die Lichtgeschwindigkeit. Rechnest du die Energie in Elektronenvolt (eV) und die Wellenlänge in Nanometern, gibt es eine handliche Faustformel:

Kurze Wellenlängen (blau, ultraviolett) tragen also mehr Energie als lange (rot, infrarot). Sehen kannst du nur einen schmalen Ausschnitt: etwa 380 nm (Violett) bis 780 nm (Tiefrot). Am empfindlichsten ist das Auge bei rund 555 nm, im Gelbgrün – deshalb wirkt eine grüne LED bei gleicher Strahlungsleistung viel heller als eine blaue oder tiefrote. Wie man diese Helligkeitswirkung misst, erklärt Lichtstrom. Wo das sichtbare Licht im elektromagnetischen Spektrum liegt, siehst du dort. Mehr zur Quantennatur des Lichts steht unter Quantenphysik.

Lichtquellen: LED und Laserdiode

Eine Leuchtdiode ist ein in Durchlassrichtung betriebener pn-Übergang. Elektronen aus dem n-Gebiet treffen in der Grenzschicht auf Löcher aus dem p-Gebiet und rekombinieren. Die frei werdende Energie entspricht ungefähr der Bandlücke des Materials – und damit bestimmt das Material die Farbe:

Silizium eignet sich dagegen kaum als Lichtquelle: Es ist ein sogenannter indirekter Halbleiter, bei dem die Rekombination fast nur Wärme erzeugt. Weiße LEDs sind meist blaue InGaN-LEDs mit einer gelb leuchtenden Leuchtstoffschicht (Phosphor), die zusammen weiß wirken. Eine Sonderform ist die OLED (organische LED): Hier leuchten dünne Schichten aus organischen Halbleitermolekülen. Sie lassen sich großflächig auftragen und sind die Grundlage vieler Smartphone- und Fernsehdisplays.

Die Laserdiode ist im Kern eine LED mit verspiegelten Endflächen. Oberhalb eines Schwellstroms verstärkt sich das Licht durch stimulierte Emission – es entsteht ein schmalbandiger, gebündelter Strahl, wie ihn Laserpointer, Glasfaser-Sender und Lidar nutzen.

Lichtempfänger: Fotodiode, Fototransistor, Solarzelle

Trifft ein Photon mit genügend Energie auf einen Halbleiter, hebt es ein Elektron vom Valenz- ins Leitungsband – es entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Im elektrischen Feld der Raumladungszone werden die beiden getrennt, und es fließt ein Fotostrom, der der Lichtmenge sehr genau proportional ist.

• Die Fotodiode wird meist in Sperrrichtung betrieben. Sie ist schnell (Nanosekunden) und linear, liefert aber nur kleine Ströme im µA-Bereich.
• Der Fototransistor ist ein Transistor, dessen Basisstrom vom Licht erzeugt wird. Er verstärkt den Fotostrom um den Faktor 100 bis 1000, ist dafür langsamer.
• Der Fotowiderstand (LDR) hat keinen pn-Übergang: Licht erzeugt in einer Halbleiterschicht (z. B. Cadmiumsulfid) zusätzliche freie Ladungsträger, sein Widerstand sinkt von einigen MΩ im Dunkeln auf wenige hundert Ω bei Helligkeit. Er ist billig, aber träge – typisch für Dämmerungsschalter.
• Die Solarzelle ist eine großflächige Fotodiode ohne äußere Spannung. Sie arbeitet als Spannungsquelle – eine Silizium-Zelle liefert im Leerlauf etwa 0,6 V.

Wie empfindlich ein Empfänger für welche Farbe ist, legt wieder die Bandlücke fest: Photonen mit weniger Energie als die Bandlücke gehen einfach hindurch. Silizium (1,12 eV) erkennt deshalb Licht bis etwa 1100 nm, also auch nahes Infrarot – ideal für Fernbedienungen.

Optokoppler: Signale ohne elektrische Verbindung

Ein Optokoppler sitzt in einem Gehäuse mit einer Infrarot-LED auf der Eingangsseite und einem Fototransistor (oder einer Fotodiode) auf der Ausgangsseite. Das Signal geht als Licht über einen Spalt, der mehrere Kilovolt isoliert. So trennst du zum Beispiel eine Mikrocontroller-Schaltung galvanisch vom Netzteil-Primärkreis oder von einer langen Feldleitung mit eigener Masse.

Wichtige Kennwerte sind das Stromübertragungsverhältnis (CTR, Ausgangsstrom geteilt durch LED-Strom), die Isolationsspannung und die Schaltzeit.

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