Neueste Entwicklungen im Bereich der Optoelektronik

Eine Erfindung der Forscher aus der Uni Münster geht aktuell durch die Presse. Sie haben einen molekularen Fototransistor erfunden, der in puncto Effizienz seinen baugleichen Konkurrenten um einiges voraus ist. Eigentlich ist die Umwandlung von Licht in elektrische Signale vor allem in der Kommunikationstechnologie und in der Bildgebung von entscheidender Bedeutung, aber auch mit Blick auf die Sensorik der Biomedizin nimmt dies Funktionsweise einen wichtigen Stellenwert sein.

So funktioniert ein Fototransistor – und so nutzen ihn die Forscher aus Münster

Die Funktionsweise eines Fototransistors arbeitet immer gleich – ganz egal in welcher Branche er Anwendung findet. Licht fällt auf eine Fotodiode, die zum lichtempfindlichsten Bereich des Konstrukts gehört. Aus dem geringen Strom wird so ein Kollektorstrom; die Verstärkung beträgt dabei schnell ein 100- oder 1000-Faches. So viel zum Grund-Funktionsprinzip.

Eben dieses Grundprinzip wurde nun zum Ausgangspunkt der Forscher der Universität in Münster. Sie planten, berechneten und konzipierten einen Fototransistor, der nicht etwa wie die baugleichen Artgenossen mit großen Molekülen, sogenannten Polymerketten, arbeiten sollte. Der neue Fototransistor arbeitet mit kleinen, organischen Molekülen. Der Effekt: Die Effizienz der Lichtumwandlung in elektrische Signale kann so deutlich gesteigert werden.

Die Besonderheit an diesem neuen Fototransistor sind die Moleküle, die über eine Anthrazen-Einheit verfügen. Diese hat die Aufgabe eines halbleitenden Kerns. Der Ladungsträger ist mobiler und hat bessere optoelektronische Eigenschaften. Die Lichtempfindlichkeit konnte verstärkt werden, die Reaktion ist sensibler und schneller. Die Wissenschaftler benannten als künftigen Anwendungsbereich die Sensorik und die Datenübertragung, verbannten anorganische Fototransistoren damit auf Rang 2 in der Hitliste der bis dato besten Fototransistoren und verwiesen auf diese Vorteile:

-          gut geeignet für die Entwicklung von faltbaren, biegsamen Komponenten

-          mechanisch flexibel, leicht, preiswert, einfach in der Herstellung

-          physikalische Eigenschaften lassen sich exakt austarieren und einstellen

Abbildung 1: Klassischerweise werden Dioden in der Kommunikationstechnologie und der Bildgebung verortet. Doch auch in Sensorik und Biomedizin finden sie Anwendung.
Quelle: pixabay.com © skeeze (CC0 Public Domain)

Nachschlagewerk: Das verbirgt sich hinter einer Fotodiode

Kaum einer kann es sich in der Praxis vorstellen, aber CD-Player, Messinstrumente, Equipment aus den Bereichen Sicherheit und Medizin haben wahrlich ein Bauteil mit Rauchmelden und Kameras gemeinsam – und zwar die sogenannte Fotodiode. Sie arbeiten als Detektor oder Lichtsensor und tragen bei manchen Hersteller auch eben diese Namen: Lichtdetektor oder Fotodetektor. Die Funktionsweise ist schnell erklärt: Licht kann – durch die Fotodiode – in elektrischen Strom verwandelt werden. Das passiert beim Eintreffen des Lichts. Zunächst wird dieses zu elektrischer Energie, dann zu ele

Fotodioden gibt es in ganz unterschiedlicher Form am Markt: Der Dinosaurier unter den Fotodioden, also das erste dieser Produkte, das es am Markt gab, war die sogenannte PN-Fotodiode. Es gibt sie noch im Handel, allerdings ist sie weniger verbreitet, weil neuere Technologien eine bessere Leistung aufweisen. Eine dieser neueren Modelle ist die PIN-Fotodiode. Vor allem in ihrer Bauart unterscheidet sie sich vom ersten Modell: Die Oberfläche ist breiter. So kann die Fotodiode mehr Photone aufnehmen und das trotz niedrigerer Kapazität. Das macht die PIN-Fotodiode heute zu dem Bauteil, das am häufigsten nachgefragt wird. Spezialformen aus der Riege der Fotodioden sind Avalanche-Fotodioden. Sie sind eine gute Wahl, wenn die Lichtausbeute schwach ist und die Umkehrvorspannung hoch. Mit Zusatzfunktionen in puncto Geschwindigkeit und Wellenlängenerkennung ist die Schottky-Fotodiode ausgestattet.

Wer nach einer speziellen Fotodiode sucht, unterscheidet nach diesen Kriterien:

-          Anzahl der Pins

-          Diodenmaterial

-          Durchmesser

-          erkennbare Spektren (ultraviolettes Licht, sichtbares Licht, Infrarot)

-          Gehäusetyp

-          Länge, Breite, Höhe

-          Montage-Typ

-          Wellenlänge (Minimum/Maximum)

-          Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit

Zur Anwendung kommt die Fotodiode in zwei unterschiedlichen Betriebsarten. Um die Fotodiode in ihrem eigenen Wirkungsbereich anwenden zu können, ist sie als Fotoelement im Betrieb. Der Spannungsbereich ist größer-gleich Null, der Stromfluss ist kleiner-gleich Null. Im Sperrbereich-Betrieb sind Stromfluss und Spannung kleiner-gleich Null. Im Kurzschluss-Bereich liegt die Spannung bei Null, der Stromfluss liegt bei kleiner-gleich Null.

Die Optoelektronik im Wandel

Die Grundfunktionen bleiben, die Technologien werden effizienter. So lassen sich die Entwicklungen im Bereich der Optoelektronik aktuell beschreiben. Die Optoelektronik umfasst alles, was die Halbleiterelektronik und die Optik unter einem Deckmantel vereint. Das heißt auch: Immer dann, wenn es eine Wechselbeziehung von Licht zu Strom und andersherum geht, sind Innovationen der Optoelektronik im Spiel. Was in der Forschertheorie durchaus abgehoben klingt, ist bei vielen Endverbrauchern tagtäglich in Gebrauch – auf optischen Speichern, Datenträgern, Computern, Bildschirmen und bei der Verwendung von Lasern.

Die wichtigsten zwei Komponenten, die nötig sind, um Optoelektronik überhaupt zu ermöglichen, sind der Detektor und der Aktor, sprich: der Empfänger und der Sender. Dahinter verbergen sich sogenannte Halbleiterbauelemente. Und an eben diesen Bauteilen wird auch immer dann geschraubt, wenn es gilt die Effizienz zu optimieren. Jenoptik ist einer der wohl bekanntesten Firmen in dieser Branche.

Abbildung 1: pixabay.com © skeeze (CC0 Public Domain)