I. Einleitung. I.1: Einordnung in die Studienmodelle: festes Modellfach für das Studienmodell Optische Technologien (Studienmodell 10)

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Ferdinand Schmid
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1 I. Einleitung I.0 Allgemeine Informationen: Prof. Uli Lemmer Lichttechnisches Institut, Geb , Raum 223 Tel: URL: 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

2 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... (?)

3 Studienmodell Optische Technologien

4 Optoelektronische Bauelemente Lichttechnik Wählbare Modellfächer Messtechnik Optische Systeme BWL, Soft Skills

5 Optoelektronische Bauelemente

7 Lichttechnik

8 Optische Systeme

9 Hella LED-Technology System approach considering DRL in headlamps as example LED module Interface to optics Interface to headlamp / body electronic LED-Know-how, Thermal Management, Design, Electronics, Interconnection Technology Audi A8 L 6.0 Quattro LED-Modul/ /Lukas Schwenkschuster 1 Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.

11 Messtechnik

12 z.b. Biophotonik (Fa. evotec OAI) z. B. Objekte vermessen (Fa. Sick)

13 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:

14 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

15 I. Einleitung I.3 Was ist Optoelektronik? Optoelektronik ist die Nahtstelle zwischen Optik und Elektronik Optik Optoelektronik Elektronik Abb. I.1: Schema zur Optoelektronik

16 I.3: Was ist Optoelektronik? Die Optoelektronik umfasst viele Facetten des Wechselspiels zwischen Strom und Licht: Optoelektronik Erzeugung Modulation Übertragung Detektion Anwendung Sichtbar Radiowellen Mikrowellen THz Infrarot Ultraviolett Röntgen Frequenz (Hz) Abb I.2: Das elektromagnetische Spektrum

17 Bsp. zur Erzeugung von Licht: Halbleiterlaser und Gasentladungslampe Abb. I.3: Halbleiterlasers Abb. I.4: Moderne Frontscheinwerferlampe

18 Beispiel zur Erzeugung von Licht: Display Abb. I.5: Autoradio/Navigationssystems mit Flachbildschirm aus organischen (Kunststoff-) Halbleitern

19 Beispiel zur Modulation und Übertragung von Licht: Telekommunikation Abb. I.6: Schemabild zur Telekommunikation

20 Beispiel zur Detektion: Solarzellen Abb. I.7: Solarzellenfelder

21 Beispiel zur Anwendung: Laserschweißen Abb. I.8: Laserschweißnaht

22 I. Einleitung Optoelektronik beruht auf dem Zusammenspiel verschiedenster Materialien KTP GaN Ge 2 Sb 2 Te 2 PPV SOI GaAs/AlAs LiNbO 3 a-si InP SiGe etc. Abb. I.9: Materialien der Optoelektronik

23 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

24 Weltmarkt Optische Technologien 5% 4% 2% 37% 23% 14% Sensoren Laser Photovoltaik Optische Komponenten Flat Panel Displays Lampen Optoelektronik 15% Gesamt: ca. 125 Mrd. EUR Quelle: OIDA Abb. I.10: Märkte für optische Technologien 1999

25 Quelle: OIDA

26 Weltmarkt Optische Technologien 5% 4% 2% 37% 23% 14% Sensoren Laser Photovoltaik Optische Komponenten Flat Panel Displays Lampen Optoelektronik 15% Gesamt: ca. 125 Mrd. EUR Quelle: OIDA Abb. I.10: Märkte für optische Technologien 1999

27 Weltmarkt Laserstrahlquellen 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0,000 Mrd. US $ Andere Diodenlaser Quelle: Laser Focus World (01/2001) Abb. I.11: Weltmarkt Laserstrahlquellen

28 Quelle: Laser Focus World 2004

29 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.

30 Quelle: Laser Focus World 2004

31 Quelle: Laser Focus World 2004

32 Weltmarkt Optische Technologien 5% 4% 2% 37% 23% 14% Sensoren Laser Photovoltaik Optische Komponenten Flat Panel Displays 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

33 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 Illuminated Advertisement Variable Message Signs (VMS ) Digital Hoarding Mio 7500 Mio Low Information Content Display (LICD) TV/Video - Displays pixel size 1000 Mio Mainz, , Seite 7 Automotive Hella, Visteon, FER, R&S J.W. Speaker... focus to be continued stop SG-FTL FTL-Bge/Hpn -SEMICON

34 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

39 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

40 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 ( xt, ) = + V( xt, ) Ψ ( xt, ) 2 t 2m0 x mit V(x): äußeres Potential, m 0 : Elektronenmasse Ist das Potential zeitunabhängig, so kann die Wellenfunktion in einen Phasenfaktor und einen zeitunabhängigen Term separiert werden: Ψ (,) xt =Ψ()e x j t ω mit E ω =

41 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 ( xt, ) = + V( xt, ) Ψ ( xt, ) 2 t 2m0 x mit Ψ ( xt, ) =Ψ( x)e ergibt sich dann jωt (t-abhängig) = + ( V( x) E) ( x) 2 Ψ 2m0 x (t-unabhängig)

42 II.1.1: Erinnerung an die Quantenmechanik: Die Schrödinger-Gleichung Diese Gleichung kann in eine Eigenwertgleichung umgeschrieben werden: + V x Ψ x = E Ψ V( x) Ψ = x 2 ( ) 2m 0 x ( x) H 2 2 = + V( x) 2 2m x 0 es ergibt sich die Schrödingergleichung in wird hierbei als Hamiltonoperator bezeichnet und allgemeinerer Form: HΨ ( x) = EΨ( x). ψ(x) ist Eigenfunktion zum Operator H Eigenwert E: Energie des Elektrons

43 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: E k ( k) = 2m 0 2 k ist hierbei direkt mit dem Impuls des Elektrons verknüpft: p = k Abb. II.2: Energie-Impulsrelation des freien Elektrons

44 Nächste Vorlesung: Di., d

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