Halbleiter- Optoelektronik

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1 Wolfgang Bludau Halbleiter- Optoelektronik Die physikalischen Grundlagen der LED's, Diodenlaser und pn-photodioden mit 114 Bildern Carl Hanser Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis 1. Wellen- und Quantennatur des Lichtes Modellvorstellungen Lichtpulse, Wellenpakete und Photonenpakete Energietransport und Intensität Energiezustände in Halbleitern Wellenfunktionen und Quantenzahlen Energiebandstrukturen Direkte und indirekte Halbleiter Die Bandstrukturen der Halbleiter Si, Ge, GaAs und InP Effektive Massen und parabolische Bandverläufe Thermische Geschwindigkeit und "Kristallimpuls" eines Elektrons Elektronische Eigenschaften undotierter und dotierter Halbleiter Energieband-Ortsdiagramm und Löcherkonzept Spektrale Zustandsdichten in den Bändern Besetzungswahrscheinlichkeiten und Quasiferminiveaus Verknüpfung der Konzentration der freien Ladungsträger in einem Band mit der energetischen Lage der zugeordneten Quasiferminiveaus Thermodynamisches Gleichgewicht und Ferminiveau Dotierte Halbleiter pn-übergänge und Halbleiterdioden pn-übergang im thermodynamischen Gleichgewicht pn-übergänge in Vorwärtspolung: physikalische Beschreibung pn-übergänge in Vorwärtspolung: elektrische Eigenschaften pn-übergänge in Rückwärtspolung Übergänge in Hetero-Strukturen Störung des Gleichgewichtes: Elektronenübergänge Bilanzgleichungen Energieerhaltung und k-erhaltung bei elektronischen Übergängen Bezeichnung der Übergänge Generation und Rekombination im Nichtgleichgewicht Rekombination ausschließlich über Band-Band-Übergänge Rekombination ausschließlich über Band-Term-Übergänge Rekombination bei parallelgeschalteten Rekombinationskanälen Mit Strahlung gekoppelte Generation und Rekombination: Absorption und Emission von Licht in Halbleitern Beer'sches Gesetz und Dämpfungskoeffizient oc Fundamentalabsorption 79

3 6.3 Weitere mit Strahlungsabsorption verbundene Übergänge; Einfluß der Dotierung Emission optischer Strahlung Strahlende Band-Band-Übergänge Strahlende Übergänge unter Störstellenbeteiligung Strahlende Rekombination von an isoelektronische Störstellen gebundenen Exzitonen Spontane und stimulierte Emission Lichtemittierende Dioden: LED und IRED Spontane Lichtemission aus pn-übergängen: die LED Materialauswahl Bauformen Die verschiedenen Wirkungsgrade Optisches Spektrum und Abstrahlcharakteristik Elektrooptische Kennlinie, Modulationsverhalten Strom-Spannungs-Kennlinie Grundlagen der Lichtverstärkung in Halbleitern Stimulierte Emission Die Inversionsbedingung (1.Laserbedingung) Halbleiterlaser als Verstärker für optische Strahlung Abhängigkeit des Gewinnkoeffizienten von der Trägerdichte; Transparenzdichte Berücksichtigung der intrinsischen Verluste; Schwellenbedingungen für den Laser im Verstärkerbetrieb Stromanregung und Schwellenstromdichte Eine mögliche technische Realisierung der Stromanregung Halbleiterlaser als Oszillator für optische Strahlung Rückkoppelung und Selbsterregung Schwellenbedingung für den Laser im Oszillatorbetrieb; 2.Laserbedingung Die Einmoden-Bilanzgleichungen Stationäre Lösungen der Einmoden-Bilanzgleichungen Mehrmoden-Bilanzgleichungen Technischer Aufbau von Diodenlasern Homostruktur-Diodenlaser, Schichtenfolge p + n Heterostruktur-Diodenlaser Einfach-Heterostrukrur-Diodenlaser; Schichtenfolge Ppn Doppel-Heterostruktur-Diodenlaser; Schichtenfolge PpN Lichtführung in der aktiven Zone und transversale Eingrenzung Laterale Eingrenzung: Gewinnfuhrung und Indexführung. Streifenlaser Materialauswahl für Heterostruktur-Streifenlaser 165

4 Inhalt Kenngrößen und Eigenschaften von Diodenlasern Elektro-optische Kennlinie, differentieller Wirkungsgrad Optisches Spektrum und Kohärenz Abstrahlcharakteristik und Polarisation Temperaturverhalten Modulationsverhalten Strom-Spannungs-Kennlinie Weiterführende Laserkonzepte DBR-Laser und DFB-Laser MQW-Laser und GRINSCH-Laser Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) Nachweis optischer Strahlung mit dem Sperrschicht-Photoeffekt: pn-photodiode pn-übergänge mit zusätzlicher Paargeneration in der RLZ Der Sperrschicht-Photoeffekt: Photostrom und Photospannung pn-photodioden Der externe Wirkungsgrad (Quantenausbeute) Gütekriterien für Photodioden Solarzelle und pin-photodiode Solarzelle (Photoelement) pin-photodiode Demodulationsbandbreite (3-dB-Grenzfrequenz) von pin-dioden pin-photodioden mit HeteroÜbergängen Bauformen Lawinen-Photodiode (Avalanche-Photodiode, APD) Stoßionisation und Lawineneffekt Wirkungsweise von Lawinen-Photodioden; Ersatzschaltbild Berechnung der Stromverstärkung M; elektrischer Durchbruch Grundkonzept zur Auslegung von Lawinenphotodioden Zeitverhalten Verbesserter APD-Aufbau: pin-struktur, reach-through-struktur Heterostruktur-APD 's mit S AM-Aufbau Einige weitere Eigenschaften realer APD's Bauformen Rauschen in Photodioden und optischen Empfängern Elektrische Leistung des Rauschns; Rauschersatzschaltung Elementare Rauschprozesse Innere Rauschursachen in nichtverstärkenden Photodioden Zusatzrauschen durch die Lawinenmultiplikation in APD's 257

5 4 Inhalt 16.5 Vollständige Rauschersatzschaltung eines optischen Empfängers Signal/Rausch-Verhältnis in optischen Empfängern Rauschäquivalente optische Leistung und Nachweisvermögen 267 Anhang 270 Literaturverzeichnis 274 Sachverzeichnis 275