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LED vs. Laserdiode: Lichterzeugung, Lichteigenschaften, Einsatz

LEDs und Halbleiterlaser senden beide Licht aus, wenn ein Durchlassstrom durch einen PN-Übergang fließt und Elektronen und Löcher rekombinieren. Das Licht einer LED entsteht durch spontane Emission; es hat eine große spektrale Breite und breitet sich in viele Richtungen aus. Ein Halbleiterlaser besitzt einen Resonator, in dem das Licht hin- und herläuft und durch stimulierte Emission verstärkt wird. So entsteht intensives, gerichtetes Licht mit einheitlicher Wellenlänge und Phase. LEDs werden für Beleuchtung und Anzeigen eingesetzt, Laser für optische Kommunikation, optische Datenträger und Sensorik.

MerkmalLEDHalbleiterlaser
Prinzip der LichterzeugungSpontane Emission. Elektronen und Löcher rekombinieren jeweils zu zufälligen Zeitpunkten und senden Licht ausStimulierte Emission. Licht erzeugt weiteres Licht mit gleicher Wellenlänge, Phase und Richtung und wird so verstärkt
Optischer ResonatorKeinerVorhanden. Das Licht läuft zwischen gespaltenen Endflächen (Kantenemitter) oder Mehrschichtspiegeln (VCSEL) hin und her
Spektrale BreiteGroß (etwa einige zehn nm)Schmal (1 nm und weniger möglich; DFB-Laser emittieren auf einer einzigen Wellenlänge)
StrahldivergenzBreitet sich über einen großen Winkel ausGering. Lässt sich eng bündeln und über große Entfernungen übertragen
PhasenkohärenzGeringHoch
Strom und LichtleistungLeuchtet sofort bei Stromfluss; die Helligkeit steigt nahezu proportional zum StromOberhalb des Schwellenstroms setzt die Laseremission ein und die Lichtleistung steigt sprunghaft. Unterhalb der Schwelle nur schwaches spontan emittiertes Licht
ModulationsgeschwindigkeitRelativ langsamSchnell. Für die optische Kommunikation gibt es Laser, die über den Strom direkt moduliert werden und Signale mit einigen zehn Gb/s übertragen
TemperatureinflussMit steigender Temperatur sinkt die LichtausbeuteMit steigender Temperatur steigt der Schwellenstrom und die Wellenlänge verschiebt sich, daher wird teils eine Temperaturregelung eingesetzt
HandhabungEinfache Ansteuerung, lange LebensdauerOft ist eine Regelung für konstante Lichtleistung nötig. Intensives Licht ist gefährlich für die Augen, daher gibt es Lasersicherheitsnormen (Laserklassen)
Typische AnwendungenBeleuchtung, Hintergrundbeleuchtung von Displays, Anzeigeleuchten, FernbedienungenGlasfaserkommunikation, optische Datenträger, Laserdrucker, LiDAR, Sensoren zur Gesichtserkennung, Lasermaterialbearbeitung

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

LED
Wenn große Flächen ausgeleuchtet werden sollen oder für Anzeigen. Günstig, langlebig und einfach anzusteuern.
Halbleiterlaser
Wenn Licht eng gebündelt über große Entfernungen übertragen, schnell moduliert zur Informationsübertragung genutzt werden soll oder Licht mit einheitlicher Wellenlänge benötigt wird: optische Kommunikation, Entfernungsmessung, Materialbearbeitung.
Gemeinsamkeiten
Bei beiden wird die Farbe (Wellenlänge) des Lichts hauptsächlich durch die Bandlücke des Halbleiters in der aktiven Schicht bestimmt. Verwendet werden direkte Verbindungshalbleiter mit hoher Lichtausbeute wie GaN-, GaAs- und InP-basierte Materialien; das indirekte Silizium eignet sich nicht für Lichtemitter.

Häufige Fragen

Worin unterscheidet sich das Licht von LED und Laser?

Laserlicht hat eine einheitliche Wellenlänge und Phase, verläuft geradlinig und weitet sich kaum auf, während LED-Licht eine große spektrale Breite hat und sich in viele Richtungen ausbreitet. Der Grund: Die LED sendet Licht durch spontane Emission aus, der Laser durch stimulierte Emission im Resonator.

Was ist der Schwellenstrom eines Halbleiterlasers?

Der Strom, bei dem die Laseremission einsetzt. Sobald im Resonator die Verstärkung durch stimulierte Emission die Verluste übersteigt, beginnt die Laseremission, und oberhalb dieses Stroms steigt die Lichtleistung steil mit dem Strom an. Unterhalb der Schwelle entsteht nur schwaches spontan emittiertes Licht wie bei einer LED.

Wodurch wird die Farbe einer LED bestimmt?

Hauptsächlich durch die Bandlücke des Halbleiters in der aktiven Schicht; es gilt etwa Wellenlänge λ(nm) ≈ 1240 / Eg(eV). Für Blau und Grün wird InGaN verwendet, für Rot z. B. AlGaInP. Die meisten weißen LEDs wandeln einen Teil des Lichts einer blauen LED mit einem Leuchtstoff in Gelb o. Ä. um und mischen es.

Warum lassen sich aus Silizium kaum LEDs oder Laser herstellen?

Silizium ist ein indirekter Halbleiter: Damit Elektronen und Löcher unter Lichtaussendung rekombinieren, müssen zusätzlich Phononen (Gitterschwingungen) beteiligt sein, weshalb die Lichtausbeute sehr gering ist. In der Siliziumphotonik werden daher Laser aus Verbindungshalbleitern wie InP kombiniert.

Verständnis prüfen

Welche Aussage zum Unterschied zwischen Halbleiterlaser und LED ist richtig?

  1. ADie LED hat eine schmalere Wellenlängenbreite und eine höhere Monochromasie
  2. BDer Halbleiterlaser emittiert durch stimulierte Emission und einen optischen Resonator Licht mit einheitlicher Wellenlänge und Phase und hoher Richtwirkung
  3. CDer Halbleiterlaser emittiert Licht ohne Stromfluss
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Antwort: B. Der Halbleiterlaser emittiert durch stimulierte Emission und einen optischen Resonator Licht mit einheitlicher Wellenlänge und Phase und hoher Richtwirkung

Eine LED strahlt durch spontane Emission, hat eine Wellenlängenbreite von einigen zehn nm und breitet sich in verschiedene Richtungen aus. Ein Halbleiterlaser erzeugt in einem optischen Resonator, z. B. aus Spaltflächen, bei einem Strom oberhalb der Schwelle stimulierte Emission und gibt Licht mit einheitlicher Wellenlänge und Phase, schmaler Linienbreite (auch unter 1 nm möglich) und hoher Richtwirkung ab. Er wird in der optischen Kommunikation, bei optischen Datenträgern, Laserdruckern, LiDAR und der Materialbearbeitung eingesetzt.

Was bestimmt hauptsächlich die Emissionsfarbe (Emissionswellenlänge) einer LED?

  1. ADie Form des Gehäuses
  2. BDie Richtung des Ansteuerstroms
  3. CDie Bandlücke des Halbleiters der Emissionsschicht
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Antwort: C. Die Bandlücke des Halbleiters der Emissionsschicht

Bei einer LED wird bei der Rekombination von Elektronen und Löchern Licht mit der Energie der Bandlücke abgegeben. Die Wellenlänge beträgt λ(nm) ≈ 1240/Eg(eV); GaN-basiertes Material (InGaN) hat beispielsweise etwa 2,7 eV und emittiert blau bei etwa 460 nm, AlGaInP etwa 1,9 eV und emittiert rot bei etwa 650 nm. Die Bandlücke lässt sich über die Zusammensetzung der Emissionsschicht einstellen; auch bei InGaN wird das Licht mit mehr In grün. Weiße LEDs sind eine Kombination aus einer blauen LED und einem gelben Leuchtstoff.

Welcher Mechanismus lässt eine LED leuchten?

  1. ASie sendet Licht aus, wenn bei Durchlassvorspannung injizierte Elektronen und Löcher rekombinieren
  2. BSie leuchtet durch Wärmestrahlung, weil der Durchbruchstrom in Sperrrichtung sie stark erhitzt
  3. CEs fließt Strom, wenn Licht auf sie fällt
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Antwort: A. Sie sendet Licht aus, wenn bei Durchlassvorspannung injizierte Elektronen und Löcher rekombinieren

Wird an eine LED eine Durchlassspannung angelegt, werden Elektronen von der n-Seite und Löcher von der p-Seite in den Übergang injiziert und geben bei der Rekombination die der Bandlücke entsprechende Energie als Licht ab. Die Leuchtfarbe wird vom Material bestimmt: Rot durch AlGaInP, Blau und Grün auf InGaN-Basis. Weiße LEDs kombinieren eine blaue LED mit gelbem Leuchtstoff. Für effizientes Leuchten sind Materialien mit direktem Bandübergang nötig, weshalb sich aus Silizium keine praxistauglichen LEDs herstellen lassen.

  1. Welcher Halbleiterlaser enthält in der optischen Kommunikation ein Beugungsgitter, um stabil bei einer einzigen Wellenlänge zu schwingen?
  2. Warum ist bei indirekten Halbleitern wie Silizium die Wahrscheinlichkeit gering, dass Elektronen und Löcher unter Lichtemission rekombinieren?
  3. Welcher Wert kommt der Energie eines Photons von Licht der Wellenlänge 620 nm am nächsten? (E [eV] ≈ 1240 / λ [nm])

Übungsfragen zu Bildsensoren und optische Bauelemente

Wichtige Begriffe erklärt

Durchlassvorspannung (Vorwärtsspannung)
Anlegen von Plus an der p-Seite und Minus an der n-Seite. Die Barriere sinkt, und es fließt gut Strom. Bei umgekehrter Polung spricht man von Sperrvorspannung, und es fließt kaum Strom.
Direkter Bandübergang
Bandstruktur, bei der Leitungsbandminimum und Valenzbandmaximum bei demselben Wellenvektor liegen. Die Rekombination von Elektronen und Löchern strahlt effizient Licht ab, z. B. bei GaAs.
Bandlücke (Bandgap)
Energiedifferenz zwischen Valenzbandoberkante und Leitungsbandunterkante. Silizium hat bei Raumtemperatur etwa 1,12 eV. Je größer sie ist, desto besser ist die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und hohe Spannungen.
Quantentopf (Quantum Well)
Struktur, in der eine wenige nm dünne Schicht mit kleiner Bandlücke zwischen Schichten mit großer Bandlücke eingebettet ist. Sie schließt Ladungsträger ein und begünstigt die Rekombination; daher dient sie als aktive Schicht in LEDs und Lasern.
VCSEL (oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator)
Halbleiterlaser, der Licht senkrecht zum Substrat abstrahlt. Auf dem Wafer testbar und leicht zweidimensional anzuordnen; Lichtquelle u. a. für Datenübertragung und Gesichtserkennung.

Verwandte Vergleiche