Sexl Physik 7, Schulbuch

| 98 4.3 Optoelektronische Bauelemente Die Umwandlung von Licht in Elektrizität mit Halbleiterbauelementen (z. B. mit- tels Photowiderständen, Photodioden und Solarzellen) und von Elektrizität in Licht (mittels Leuchtdioden oder Halbleiterlasern) gewinnt immer größere Bedeutung. Als Sensoren werden sie zu „Sinnesorganen“ elektronischer Schaltungen (z. B. in der Belichtungssteuerung von Kameras). In der Nachrichtentechnik ermöglichen Halbleiterlaser den Ersatz von Kupferkabeln durch Lichtleiter und damit die Über- tragung wesentlich größerer Datenmengen. Photowiderstand (oft als LDR , „light dependent resistor“ , bezeichnet) ist ein homo- gener Halbleiter ohne pn-Übergang. Wenn Licht auf die Oberfläche eines LDR fällt, werden durch den „inneren Photoeffekt“ Elektronen von den Gitteratomen gelöst und dadurch frei bewegliche Elektronen und Löcher geschaffen. Der Widerstand typischer Photoleiterbauelemente liegt zwischen einigen Gigaohm bei Dunkelheit und 1 kΩ bei Tageslicht. Durch Auswahl der Materialien und gezielte Dotierung lässt sich der Wellenlängenbereich wählen, in dem der LDR seine höchste Emp- findlichkeit zeigt. Cadmiumsulfid (CdS) hat eine ähnliche spektrale Empfindlich- keit wie das menschliche Auge und wird daher zur Belichtungssteuerung in Kame- ras verwendet. Photoleiter finden auch als Steuerbausteine bei Helligkeitsreglern Verwendung. Photodiode: Durch Lichteinfall werden Elektronen und Löcher gebildet. Die im p- Leiter produzierten Elektronen (und die im n-Leiter produzierten Löcher) wandern unter dem Einfluss einer in Sperrrichtung angelegten Spannung zur Sperrschicht und erhöhen den Sperrstrom. Es wird also Licht in elektrische Spannung (bzw. elektrischen Strom) umgewandelt. Anwendung findet die Photodiode in der Licht- messung (Kamera), bei Lichtschranken und z. B. in der Steuerung von TV-Geräten mittels Infrarot-Fernbedienung (Empfang von mit Licht übertragener Information). Solarzelle ( 98.2 ): Sie ist eine für ihren Zweck optimierte großflächige Photodio- de ohne angelegte Spannung. Durch Lichteinfall werden Paare freier Ladungsträ- ger erzeugt. Im Bereich des pn-Übergangs werden sie durch das dort bestehende Feld der Donator- und Akzeptor-Ionen getrennt. Im p-Leiter gebildete Elektronen wandern in den n-Leiter, im n-Leiter gebildete Löcher in den p-Leiter. Dadurch baut sich im Inneren ein elektrisches Feld auf, das bei offenem Stromkreis die Trennung und Wanderung weiterer Ladungsträgerpaare verhindert: es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Neubildung und Rekombination ein. Diese sogenannte Leerlaufspannung nimmt mit zunehmender Beleuchtungsstärke zu. Schließt man die Elektroden kurz, so werden alle im pn-Übergang gebildeten Ladungsträger- paare getrennt, der Kurzschlussstrom ist der Beleuchtungsstärke proportional. Der für die Funktion der Solarzelle grundlegende physikalische Vorgang ist der Photoeffekt (siehe Seite 42): In der Wechselwirkung mit Materie verhält sich Licht wie ein Schauer von teilchenartigen Energiepaketen („Photonen“), wobei die Ener- gie jedes Photons proportional zur Frequenz f der Lichtwelle ist ( E Photon = h · f ). Kurzwelliges Licht ist energiereicher als langwelliges. Da zur Bildung eines frei beweglichen Elektrons in Silicium ein Energiebetrag von 1,1 eV benötigt wird, kann nur Licht mit Wellenlängen unter 1100 nm (Infrarot, sichtbares Licht) zur Freisetzung von Elektronen führen. Aber auch der kurzwellige Anteil der Strah- lung der Sonne kann nur unvollständig ausgenützt werden. Was geschieht bei Absorption eines energiereichen Photons – etwa im Maximum des Sonnenspektrums bei einer Wellenlänge von 500 nm ? Obwohl die Energie des Photons zur Bildung von zwei Elektron-Loch-Paaren ausreichen würde, wird nur eines freigesetzt: den Energieüberschuss erhält das Paar als Bewegungsenergie, die durch Stöße mit dem Kristallgitter in Wärme umgewandelt wird. Zusammen mit Ohm’schen Verlusten in der Solarzelle führt dies bei der Siliciumzelle auf einen maximal erzielbaren Wirkungsgrad von etwa 30 % . Kommerzielle Solarzellen er- reichen Wirkungsgrade von 10 bis 20 % . 98.1 Die Fernsteuerung des TV-Geräts erfolgt mit infraroten Lichtsignalen. Sie sind mit freiem Auge nicht sichtbar, doch ist eine Video- kamera auch für dieses Licht empfindlich und registriert die Lichtblitze. Deckelektrode n (Bor) 0,3 m 1 m ~300 m pn p (Arsen) Rückseitenelektrode µ µ µ 98.2 Aufbau der Solarzelle: durchsichtige Deckelektrode, dünne n-leitende Schicht, pn- Übergang, p-leitende Schicht, Elektrode. Interessante Experimente zur Solarzelle unter: physikplus.oebv.at 98.3 Solaranlage als Lärmschutzwand Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv