Halbleitertechnik Der LED fehlt der Doppelpfeil

Jeder Elektrotechniker kennt die physikalischen Eigenschaften des p-n-Übergangs. Sie lassen sich in eine Richtung maximieren, um spezielle Bauelemente zu schaffen, ganz unterdrücken lassen sie sich aber nicht. Dies gilt auch für den photovoltaischen Effekt.

Allen bekannt, die LED mit ihrem Schaltzeichen (Bild 1). Eindeutig zeigen die Pfeile von der LED weg.

Daher rührt ja der Name: lichtemittierende Diode. Bisher wurde die LED auch hauptsächlich zu dem Zweck eingesetzt, Licht zu emittieren. Physikalisch ist der umgekehrte Effekt, der photoelektrische Effekt, ebenso lange bekannt. Jedoch wurde und wird er ignoriert oder maximal als halbleiterphysikalischer, skurriler Nebeneffekt in Grundlagenwerken erwähnt. Selten, aber immer wieder wird die LED als preisgünstiges Messelement für Licht eingesetzt. Nun schlägt der Autor vor, die LED umzubenennen, da der photoelektrische Effekt schaltungstechnisch an Bedeutung gewinnen wird. Aus der LED wird die LEAD (Bild 2), die lichtemittierende und -absorbierende Diode. Vielleicht in Analogie zur Zener-Diode, die in den 70er Jahren zur Z-Diode wurde.

 

 

 

 

 

Mit modernen LEADs werden bei der Lichterzeugung um die 25 % und mehr an Wirkungsgrad erreicht. Diese Wirkungsgrade lassen sich aktuell mit LEADs zur Energieerzeugung nicht erreichen. Ein Grund ist sicher, dass die LEADs nicht für die Energieerzeugung ausgelegt sind. Jedoch ist der photovoltaische Effekt vorhanden und sogar nutzbar. Haupttreiber hierfür sind vor allem

  • niedriger Preis,
  • kompakte und robuste Bauweise,
  • einfache Bestückung,
  • vielfältige spektrale Auslegungen,
  • integrierte Optik.

Aufgrund des aktuell geringen Wirkungsgrades bei der Wandlung von Licht zu Elektrizität sind aktuell vor allem Applikationen im Bereich Energy Harvesting attraktiv, z.B. zur Funkübertragung von Sensorsignalen.

 

 

Einsatz in energieautarken Funksensoren

Für die Übertragung von Sensorsignalen per Funk ist es besonders interessant, die Sensorknoten energieautark zu betreiben, da dadurch alle Verbindungskabel entfallen können und auch keine Batterien notwendig sind. Da die reine Übertragung von Informationen in erster Näherung keine Energie benötigt, sind hierfür auch sehr leistungsschwache Energiequellen geeignet – eben auch die LEAD.

Diese untypische Betriebsart wird sogar durch die ständige Verbesserung der Halbleitertechnik gefördert. Aktuell sind Spannungswandler-ICs verfügbar, die mit ca. 100 mV und bei 20 nA am Eingang arbeiten und einen Energiespeicher füllen können. Beim Erreichen einer vorgegebenen Energiemenge geben sie die Energie an einen Verbraucher ab. Wir sprechen hier also über 2 nW minimale Eingangsleistung, die die Schaltungstechnik nutzen kann. Ein guter Funksender im oberen Sub-Gigahertz-Bereich kann bei einer Versorgungsspannung von 2 V und einer Stromaufnahme von 8 mA bei einer Sendedauer von 3 ms und einer Sendeleistung von 0 dBm bereits ein Funkprotokoll mit einer Nutzdatenmenge von ein paar Byte übertragen. Er benötigt hierfür also 48 µJ.

Eine einzelne LEAD kann bei einer Beleuchtungsstärke von ca. 250 lx eine Spannung von 0,4 V bei einem Strom von ca. 50 nA bereitstellen, also 20 µW. Als Gesamtwirkungsgrad für die Stufen LEAD zu DC/DC-Wandler (60 %), DC/DC-Wandler zu Speicherkondensator (30 %), Speicherkondensator zu Sendeelektronik (60 %) ergibt sich ein Wert von rund 11 %. Das bedeutet in diesem Beispiel, dass alle 24 s ein Funksignal gesendet werden kann, z.B. ein Temperaturmesswert.