Nederlands
Menu

Led versus laserdiode: lichtopwekking, eigenschappen van het licht en toepassingen vergeleken

Leds en halfgeleiderlasers zenden allebei licht uit wanneer een stroom in doorlaatrichting door een pn-junctie loopt en elektronen en gaten recombineren. Het licht van een led ontstaat door spontane emissie, heeft een breed golflengtebereik en straalt in allerlei richtingen uit. Een halfgeleiderlaser heeft een resonator waarin het licht heen en weer gaat en versterkt het licht door gestimuleerde emissie, waardoor een sterke, rechtlijnige bundel met gelijke golflengte en fase ontstaat. Leds worden gebruikt voor verlichting en weergave, lasers voor optische communicatie, optische schijven en sensing.

KenmerkLedHalfgeleiderlaser
Principe van lichtopwekkingSpontane emissie. Elektronen en gaten recombineren elk op een willekeurig moment en zenden licht uitGestimuleerde emissie. Licht wekt extra licht op met dezelfde golflengte, fase en richting en wordt zo versterkt
Optische resonatorGeenWel. Het licht gaat heen en weer tussen gekliefde eindvlakken (kantemitters) of meerlaagse spiegels (VCSEL)
Golflengtebereik (spectrale breedte)Breed (in de orde van enkele tientallen nm)Smal (1 nm of minder mogelijk; DFB-lasers werken op één golflengte)
BundelspreidingStraalt onder een grote hoek uitSmal. Kan tot een dunne bundel worden gefocust of over grote afstand worden gestuurd
FasecoherentieLaagHoog
Stroom en lichtvermogenLicht direct op zodra er stroom loopt en wordt vrijwel evenredig met de stroom helderderBoven de drempelstroom begint de laserwerking en neemt het lichtvermogen sterk toe. Onder de drempel is er alleen zwak spontaan emissielicht
ModulatiesnelheidRelatief langzaamSnel. Voor optische communicatie zijn er typen die direct via de stroom worden gemoduleerd en signalen van enkele tientallen Gb/s versturen
Invloed van temperatuurBij stijgende temperatuur daalt het rendement van de lichtopwekkingBij stijgende temperatuur neemt de drempelstroom toe en verschuift de golflengte, dus soms wordt temperatuurregeling gebruikt
GebruiksgemakEenvoudige aansturing en lange levensduurVaak is regeling nodig om het lichtvermogen constant te houden. Sterk licht is gevaarlijk voor de ogen, daarom bestaan er veiligheidsnormen (klassenindeling) voor lasers
Belangrijkste toepassingenVerlichting, achtergrondverlichting van displays, indicatielampjes, afstandsbedieningenGlasvezelcommunicatie, optische schijven, laserprinters, lidar, sensoren voor gezichtsherkenning, laserbewerking

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Led
Wanneer een groot gebied helder moet worden verlicht of voor indicatie. Goedkoop, lange levensduur en eenvoudig aan te sturen.
Halfgeleiderlaser
Wanneer licht tot een dunne bundel moet worden gefocust en ver moet reiken, wanneer informatie met snelle modulatie moet worden verzonden of wanneer licht met één golflengte nodig is. Gebruikt voor optische communicatie, afstandsmeting en bewerking.
Gemeenschappelijk
Bij beide wordt de kleur (golflengte) van het licht vooral bepaald door de bandgap van de halfgeleider in de actieve laag. Er worden samengestelde halfgeleiders met een directe bandgap en een hoog rendement gebruikt, zoals op basis van GaN, GaAs en InP; silicium heeft een indirecte bandgap en is niet geschikt voor lichtbronnen.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen het licht van een led en dat van een laser?

Laserlicht heeft dezelfde golflengte en fase, gaat rechtdoor en spreidt nauwelijks; ledlicht heeft een breed golflengtebereik en straalt in allerlei richtingen uit. Dat komt doordat een led licht opwekt door spontane emissie en een laser door gestimuleerde emissie in een resonator.

Wat is de drempelstroom van een halfgeleiderlaser?

De stroom waarbij de laserwerking begint. De laser gaat werken wanneer de versterking van licht door gestimuleerde emissie in de resonator groter wordt dan de verliezen; boven die stroom neemt het lichtvermogen sterk toe met de stroom. Onder de drempelstroom komt er alleen zwak spontaan emissielicht vrij, zoals bij een led.

Waardoor wordt de kleur van een led bepaald?

Vooral door de bandgap van de halfgeleider in de actieve laag, volgens het verband golflengte λ (nm) ≈ 1240 / Eg (eV). Voor blauw en groen wordt onder meer InGaN gebruikt, voor rood onder meer AlGaInP. De meeste witte leds zetten een deel van het licht van een blauwe led met een fosfor om naar onder meer geel en mengen dat.

Waarom is het moeilijk om leds en lasers van silicium te maken?

Silicium is een halfgeleider met een indirecte bandgap: om licht uit te zenden wanneer elektronen en gaten recombineren, moeten ook fononen (roostertrillingen) meedoen, waardoor het rendement van de lichtopwekking zeer laag is. In siliciumfotonica worden daarom lasers van samengestelde halfgeleiders zoals InP gecombineerd.

Test uw begrip

Welke uitspraak over het verschil tussen een halfgeleiderlaser en een led is juist?

  1. AEen led heeft een smallere golflengtebreedte en een hogere monochromaticiteit
  2. BEen halfgeleiderlaser zendt door gestimuleerde emissie en een optische resonator licht met gelijke golflengte en fase en een hoge richtingsgevoeligheid uit
  3. CEen halfgeleiderlaser zendt licht uit zonder dat er stroom vloeit
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Een halfgeleiderlaser zendt door gestimuleerde emissie en een optische resonator licht met gelijke golflengte en fase en een hoge richtingsgevoeligheid uit

Een led zendt licht uit door spontane emissie, heeft een golflengtebreedte van enkele tientallen nm en spreidt in vele richtingen. Een halfgeleiderlaser laat in een optische resonator, bijvoorbeeld gemaakt met splijtvlakken, bij een stroom boven de drempel gestimuleerde emissie optreden en zendt licht uit met gelijke golflengte en fase, smal (zelfs 1 nm of minder mogelijk) en zeer richtingsgevoelig. Het wordt gebruikt voor optische communicatie, optische schijven, laserprinters, LiDAR en bewerking.

Welke factor bepaalt hoofdzakelijk de lichtkleur (golflengte) van een led?

  1. ADe vorm van de behuizing
  2. BDe richting van de aandrijfstroom
  3. CDe bandkloof van de halfgeleider die in de lichtgevende laag wordt gebruikt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. De bandkloof van de halfgeleider die in de lichtgevende laag wordt gebruikt

In een led komt bij recombinatie van elektronen en gaten licht vrij met een energie die overeenkomt met de bandkloof. De golflengte is λ(nm) ≈ 1240/Eg(eV); GaN (InGaN) heeft bijvoorbeeld circa 2,7 eV en geeft blauw van circa 460 nm, en AlGaInP circa 1,9 eV en geeft rood van circa 650 nm. Door de samenstelling van de lichtgevende laag te wijzigen kan de bandkloof worden ingesteld, en ook bij hetzelfde InGaN wordt het groen als meer In wordt toegevoegd. Een witte led is een combinatie van een blauwe led en een gele fosfor.

Wat is het juiste werkingsprincipe van het licht van een LED?

  1. ALicht wordt uitgezonden wanneer elektronen en gaten die door voorwaartse voorspanning zijn geïnjecteerd, recombineren
  2. BDoor de doorslagstroom in sperrichting wordt het warm en straalt het licht door warmtestraling uit
  3. CEr vloeit stroom wanneer er licht op valt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Licht wordt uitgezonden wanneer elektronen en gaten die door voorwaartse voorspanning zijn geïnjecteerd, recombineren

Wordt een voorwaartse spanning aan een LED aangelegd, dan worden elektronen vanaf de n-zijde en gaten vanaf de p-zijde in de junctie geïnjecteerd en wordt bij recombinatie een energie gelijk aan de bandkloof als licht uitgezonden. De kleur wordt bepaald door het materiaal: rood met AlGaInP, blauw en groen met InGaN. Witte LED’s combineren een blauwe LED met een gele fosfor. Voor efficiënte lichtuitzending is een materiaal met directe overgang nodig, en van silicium kan geen praktische LED worden gemaakt.

  1. Welke halfgeleiderlaser met een ingebouwd diffractierooster wordt in optische communicatie gebruikt om stabiel op één golflengte te oscilleren?
  2. Wat is de juiste reden dat bij een halfgeleider met indirecte overgang zoals silicium de kans klein is dat elektron en gat recombineren onder uitzending van licht?
  3. Welke waarde ligt het dichtst bij de energie van één foton van licht met een golflengte van 620 nm? (E [eV] ≈ 1240 / λ [nm])

Oefenvragen over Beeldsensoren en optische componenten

Belangrijke termen uitgelegd

Voorwaartse voorspanning (forward bias)
Een positieve spanning aan de p-kant en een negatieve aan de n-kant. De barrière wordt lager en er loopt gemakkelijk stroom. In omgekeerde richting spreekt men van sperrichting (reverse bias), waarbij nauwelijks stroom loopt.
Directe bandovergang (direct bandgap)
Bandstructuur waarin de onderkant van de geleidingsband en de bovenkant van de valentieband bij dezelfde golfvector liggen. Recombinatie van elektronen en gaten zendt efficiënt licht uit. Voorbeeld: GaAs.
Bandgap (bandkloof)
Energieverschil tussen de bovenkant van de valentieband en de onderkant van de geleidingsband. Silicium heeft bij kamertemperatuur ongeveer 1,12 eV. Hoe groter, hoe beter het bestand is tegen hoge temperaturen en hoge spanningen.
Quantum well
Structuur waarbij een dunne laag van enkele nm met een kleine bandgap tussen lagen met een grote bandgap ligt. Sluit ladingdragers op en bevordert recombinatie, dus wordt gebruikt als lichtemitterende laag in leds en lasers.
VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser)
Halfgeleiderlaser die licht loodrecht op het substraat uitzendt. Kan op de wafer worden getest en gemakkelijk tweedimensionaal worden gerangschikt; wordt gebruikt als lichtbron voor onder meer datacommunicatie en gezichtsherkenning.

Verwante vergelijkingen