Inhaltsverzeichnis
Geleitwort V
Vorwort VII
1 Sensoren 1
Bearbeiter: Prof. Dr.-Ing. C. Reuber
1.1 Einleitung 1
1.1.1 V o m W e r k z e u g z u m D e n k z e u g 1
1.1.2 Sensoren u n d M i k r o c o m p u t e r 1
1.1.3 Sensoren u n d Funktionsbereiche 2
1.2 Übersicht 3
1.2.1 Aktive u n d passive Sensoren 3
1.2.2 F u n k t i o n u n d Material 4
1.2.3 Effekte für aktive Sensoren 4
1.2.4 Effekte für passive Sensoren 6
1.2.5 Transistoren u n d Q u a r z e als Sensoren 8
1.2.6 Lorentz-Kraft für Sensoren 9
1.3 Resistanz-Sensoren 9
1.3.1 Temperatur-Sensoren 9
1.3.1.1 Metallische W i d e r s t a n d s - T h e r m o m e t e r 9 1.3.1.2 Halbleiter-Widerstands-Thermometer, N T C 11 1.3.1.3 Halbleiter-Widerstands-Thermometer, P T C 13 1.3.1.4 Halbleiter-Thermometer m i t pn-Schichten 15
1.3.1.5 Steile N T C - S e n s o r e n 17
1.3.1.6 K r y o t h e r m o m e t e r 18
1.3.1.7 A n w e n d u n g e n v o n Temperatur-Sensoren 18
1.3.2 Dehnungs-Sensoren 19
1.3.2.1 G r u n d l a g e n 20
1.3.2.2 Metallische Dehnungsmeßstreifen 21
1.3.2.3 Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen 22
1.3.2.4 A n w e n d u n g e n v o n Dehnungs-Sensoren 22
1.3.3 Feuchte- u n d Gas-Sensoren 24
1.3.3.1 Hygrometer-Sensoren 24
1.3.3.2 Gas-Sensoren 2 6
1.3.3.3 Integrierte Feuchte- u n d Gas-Sensoren 2 7
1.3.4 F o t o - S e n s o r e n 27
1.3.4.1 F o t o w i d e r s t ä n d e 28
1.3.4.2 F o t o d i o d e n 28
1.3.4.3 F o t o t r a n s i s t o r e n 29
1.3.4.4 E i n Datenvergleich 29
1.3.5 Magnetfeld-Sensoren 30
1.3.6 Stellungs-Sensoren 32
1.4 Reaktanz-Sensoren 35
1.4.1 Kapazitive Sensoren 35
1.4.1.1 K o n d e n s a t o r - T h e r m o m e t e r 35
http://d-nb.info/880304618
X Inhaltsverzeichnis 1.4.1.2 K o n d e n s a t o r - H y g r o m e t e r 35
1.4.1.3 Mechano-kapazitive Sensoren 37
1.4.1.4 Füllstands-Sensoren 37
1.4.2 Induktive Sensoren 38
1.4.2.1 Material-Beeinflussung 38
1.4.2.2 Geometrie-Beeinflussung 39
1.5 Lorentz-Kraft-Sensoren 39
1.5.1 H a l l - G e n e r a t o r e n 39
1.5.1.1 Hall-Sensoren 4 0
1.5.1.2 Si-Hall-ICs 4 1
1.5.1.3 Trägerdomänen-Magnetfeld-Sensoren 4 2
1.5.2 I n d u k t i v e Durchfluß-Sensoren 4 2
1.6 Generator-Sensoren 4 3
1.6.1 Thermoelemente 4 3
1.6.2 F o t o e l e m e n t e 4 4
1.6.3 Piezo-Sensoren 4 4
1.6.4 Pyro-Sensoren 4 6
1.6.5 W i e g a n d - D r ä h t e 4 7
1.6.6 Elektrochemische Elemente 4 7
1.6.6.1 Elektrochemische T h e r m o m e t r i e 4 8
1.6.6.2 Sauerstoff-Sonden 48
1.7 Oszillator-Sensoren 4 9
1.7.1 Q u a r z - T h e r m o m e t e r u n d -Waage 4 9
1.7.2 Schwingsaiten-Sensoren 50
1.8 Sensor-Zukunft 51
1.8.1 „Intelligente" o d e r s m a r t e Sensoren 51
1.8.2 Glasfaser-Sensoren 52
1.8.2.1 Lichtschranken 52
1.8.2.2 Faserenden-Verbiegung 53
1.8.2.3 Strahlungssensoren 54
1.8.2.4 Glasfaser i m „ K r o k o d i l m a u l " 56
1.8.2.5 Laufzeitoszillatoren 56
1.8.2.6 Interferometer 57
1.8.2.7 Sagnac-Kreisel 58
1.9 S c h l u ß b e m e r k u n g 59
1.10 Literatur 59
1.10.1 Allgemeine Berichte 59
1.10.2 Spezielle Berichte 60
2 Hall-Generator und Feldplatte 6 3
Bearbeiter: U . v. B o r c k e
2.1 Hall-Effekt u n d Widerstandseffekt 6 3
2.2 H a l l - G e n e r a t o r e n 65
2.2.1 A u f b a u d e r Hall-Generatoren 66
2.2.2 M a t e r i a l f ü r Hall-Generatoren 68
Inhaltsverzeichnis XI
2.2.3 H a l l;K o n s t a n t e 68
2.2.4 Leerlauf-Hall-Spannung U20 69
2.2.5 Induktionsempfindlichkeit i m Leerlauf KB O 69
2.2.6 Abschlußwiderstand RL L 69
2.2.7 Linearitätsfehler u n d Empfindlichkeit 71
2.2.8 O h m s c h e N u l l k o m p o n e n t e R0 72
2.2.9 Induktive N u l l k o m p o n e n t e A2 73
2.2.10 T e m p e r a t u r v e r h a l t e n 74
2.2.11 Feldmessung 74
2.2.12 Feldregelung 75
2.2.13 Potentialfreie S t r o m m e s s u n g 75
2.2.14 Ansteuerung v o n H a l l - G e n e r a t o r e n mit D a u e r m a g n e t e n 77 2.2.15 A n s t e u e r u n g v o n H a l l - G e n e r a t o r e n d u r c h Eisenteile 79 2.2.16 A b t a s t u n g v o n magnetisierbaren Folien 80
2.3 F e l d p l a t t e n 81
2.3.1 A u f b a u 81
2.3.1.1 Raster-Feldplatte 82
2.3.1.2 Feldplatte aus InSb —NiSb 82
2.3.2 Feldplattensystem 8 3
2.3.3 Feldplatten-Sensoren 84
2.3.4 G r u n d w i d e r s t a n d 84
2.3.5 W i d e r s t a n d RB i m Magnetfeld 85
2.3.6 Vormagnetisierung 86
2.3.6.1 Offener magnetischer Kreis 86
2.3.6.2 Geschlossener magnetischer Kreis 87
2.3.7 Arbeitspunkt v o n vormagnetisierten Differential-Feld
platten 88
2.3.8 Feldplattenpotentiometer 89
2.4 Integrierte Silizium-Hall-Sensoren 89
2.5 Literatur 9 4
3 Optoelektronische Halbleiterbauelemente 9 7 Bearbeiter: Prof. Dr.-Ing. M . Bleicher
3.1 Optische A b s o r p t i o n u n d Emission in Halbleitern . . . . 97
3.1.1 Spektralbereiche 9 7
3.1.2 P h o t o n e n u n d P h o n o n e n 100
3.1.3 Strahlungsabsorption (Generationsprozesse) 102
3.1.3.1 B a n d - B a n d - Ü b e r g ä n g e 102
3.1.3.2 Band-Störstellen-Übergänge 110
3.1.4 Strahlungsemission (Rekombinationsprozesse) 112
3.1.4.1 B a n d - B a n d - Ü b e r g ä n g e 112
3.1.4.2 Band-Störstellen-Übergänge 115
3.1.4.3 D o n a t o r - A k z e p t o r P a a r - Ü b e r g ä n g e 117
3.1.4.4 Excitonenrekombination 118
3.1.4.5 R e k o m b i n a t i o n ü b e r isoelektronische Störstellen 119
XII Inhaltsverzeichnis
3.1.4.6 Strahlungslose Rekombinationsprozesse 121
3.1.5 D e r p n - Ü b e r g a n g 122
3.2 Charakteristische G r ö ß e n v o n Q u a n t e n d e t e k t o r e n . . . . 124
3.2.1 Gütekriterien 124
3.2.2 Rauschursachen bei Halbleiterdetektoren 126
3.2.3 Spektralverhalten v o n Q u a n t e n d e t e k t o r e n 128
3.3 Photoleitungsdetektoren 130
3.3.1 Intrinsische Photoleiter 131
3.3.2 Störstellenphotoleiter 135
3.4 Sperrschicht-Photodetektoren 138
3.4.1 Die R a u m l a d u n g s z o n e 138
3.4.2 Solarzellen 141
3.4.3 P h o t o d i o d e n 147
3.4.3.1 p n - P h o t o d i o d e n 150
3.4.3.2 p i n - P h o t o d i o d e n 150
3.4.3.3 Lawinen (Avalanche)-Photodioden 153
3.4.3.4 S c h o t t k y - P h o t o d i o d e n 157
3.4.3.5 I n f r a r o t - P h o t o d i o d e n 159
3.4.4 P h o t o t r a n s i s t o r e n 161
3.4.5 Photothyristoren 164
3.4.6 Photofeldeffekttransistoren 165
3.5 H a l b l e i t e r p h o t o k a t o d e n 166
3.6 Bildaufnahmeeinheiten 169
3.6.1 Vidikon m i t D i o d e n m a t r i x 169
3.6.2 Selbstauslesende Halbleiterbildlaufnehmer 171
3.6.2.1 Selbstauslesende P h o t o d i o d e n - A r r a y s 172
3.6.2.2 Charge-Coupled Divices ( C C D ) 174
3.7 Lumineszenzdioden (LED) 182
3.7.1 Wirkungsgrade 184
3.7.2 GaA.s-Dioden (Infrarotemitter, I R E D ) 188
3.7.3 G a A s , _xPx- L E D 190
3.7.4 G a P - L E D 192
3.7.4.1 G r ü n u n d gelb leuchtende G a P - L E D 192
3.7.4.2 R o t leuchtende G a P - L E D 193
3.7.4.3 G a P - L E D mit einstellbarer F a r b e 193
3.7.5 Blau leuchtende L E D 194
3.7.6 Sonstige L E D 195
3.7.7 Ausführung v o n L E D 197
3.7.8 L E D mit h o h e r Strahlungsdichte 200
3.8 O p t o k o p p l e r 203
3.9 Elektrolumineszenzzellen 203
3.10 Diodenlaser 206
3.10.1 G r u n d l a g e n 206
3.10.2 Schwellenstromdichte 209
3.10.3 H o m o - u n d Heterojunction Laser 211
Inhaltsverzeichnis XIII 3.10.4 Diodenlaser für d e n sichtbaren Spektralbereich 2 1 7
3.10.5 Diodenlaser für d a s ferne Infrarot 217
3.10.6 Diodenlaser mit R ü c k k o p p l u n g ü b e r die Bragg-Bedin-
g u n g 219
3.10.7 Strahlungscharakteristik 221
3.10.7.1 Nahfeldcharakteristik 221
3.10.7.2 Fernfeldcharakteristik 222
3.10.8 W i r k u n g s g r a d 223
3.10.9 M o d u l a t i o n 223
3.10.10 Alterung 225
3.10.10.1 Elektrisch u n d thermisch induzierte D e g r a d a t i o n 2 2 5 3.10.10.2 Optisch induzierte D e g r a d a t i o n 226
3.11 Literatur 227
4 Laseroptik und -Elektronik 233
Bearbeiter: Prof. Dr.-Ing. H. J. Eichler u n d Dr. rer. nat. J . Salk
4.1 Atomphysikalische G r u n d l a g e n 233
4.1.1 Energiezustände u n d Q u a n t e n z a h l e n des Wasserstoff
a t o m s 233
4.1.2 M e h r e l e k t r o n e n a t o m e u n d - i o n e n 2 3 4
4.1.2.1 Elektronenkonfiguration 234
4.1.2.2 Wechselwirkung in M e h r e l e k t r o n e n a t o m e n 236 4.1.2.3 Termbezeichnungen bei LS-Kopplung, P a r i t ä t 237
4.1.2.4 Auswahlregeln 238
4.1.3 Energiezustände v o n Molekülen 239
4.1.4 Energiezustände v o n Störsteljen in F e s t k ö r p e r n 242
4.1.4.1 Ionen i m Kristallfeld 2 4 3
4.1.4.2 Farbzentren 244
4.1.5 A b s o r p t i o n u n d Lichtverstärkung 2 4 4
4.1.5.1 Eigenschaften v o n Licht 244
4.1.5.2 A b s o r p t i o n u n d s p o n t a n e Emission 245 4.1.5.3 Lichtverstärkung d u r c h induzierte Emission 247
4.1.5.4 Linienverbreiterung 248
4.2 Optische Resonatoren, Ausbreitung v o n Laserstrahlung 2 5 0
4.2.1 Schwellwertbedingung für Lasertätigkeit 250
4.2.2 Laserspiegel 250
4.2.3 Laserresonatoren 252
4.2.3.1 Axiale R e s o n a t o r m o d e n 253
4.2.3.2 Transversale R e s o n a t o r m o d e n 254
4.2.3.3 Stabile R e s o n a t o r e n 257
4.2.3.4 Instabile R e s o n a t o r e n 258
4.3 Gaslaser 259
4.3.1 IR-Moleküllaser 259
4.3.1.1 C OrL a s e r 259
XIV Inhaltsverzeichnis
4.3.1.2 C O - L a s e r 2 6 4
4.3.1.3 H F - L a s e r 2 6 5
4.3.2 Laserübergänge in neutralen A t o m e n 266
4.3.2.1 He-Ne-Laser 266
4.3.2.2 C u - L a s e r 268
4.3.3 Ionenlaser 2 7 0
4.3.3.1 Edelgasionenlaser 2 7 0
4.3.3.2 Metalldampfionenlaser 272
4.3.4 UV-Moleküllaser 2 7 4
4.3.4.1 Stickstofflaser 2 7 5
4.3.4.2 Excimerlaser 276
4.4 Festkörper- u n d Farbstofflaser 277
4.4.1 Optisches P u m p e n 2 7 9
4.4.2 Rubin-Laser 281
4.4.3 N e o d y m l a s e r 2 8 4
4.4.3.1 Y A G - L a s e r 2 8 4
4.4.3.2 Glaslaser 286
4.4.4 Farbstofflaser . . . 287
4.4.5 Farbzentrenlaser 290
4.5 Abstimmung, M o d u l a t i o n u n d A b l e n k u n g v o n Laser
strahlung 292
4.5.1 Frequenzeinengung, - a b s t i m m u n g u n d -umsetzung . . . . 292
4.5.2 Frequenzselektive Resonatorelemente 2 9 4
4.5.2.1 P r i s m a 2 9 4
4.5.2.2 G i t t e r 2 9 5
4.5.2.3 F a b r y - P e r o t - E t a l o n 2 9 6
4.5.2.4 Lyot-Filter 297
4.5.3 F r e q u e n z u m s e t z u n g d u r c h nichtlineare optische Effekte 298
4.5.3.1 Frequenzvervielfachung 299
4.5.3.2 Parametrische Oszillatoren 301
4.5.4 M o d u l a t o r e n 303
4.5.4.1 Mechanische M o d u l a t o r e n 303
4.5.4.2 Akustooptische M o d u l a t o r e n 303
4.5.4.3 Elektrooptische M o d u l a t o r e n 304
4.5.4.4 F a r a d a y - D r e h e r , optischer Isolator 306
4.5.5 Ablenkelemente (Scanner) 307
4.5.6 Erzeugung kurzer Lichtimpulse 308
4.5.6.1 Güteschaltung (Q-switch) 308
4.5.6.2 Puls-Auskopplung (cavity-dumping) 308
4.5.6.3 K o p p l u n g axialer M o d e n (mode locking) 309 4.6 P h o t o d e t e k t o r e n u n d S p e k t r a l a p p a r a t e 310
4.6.1 Thermische D e t e k t o r e n 310
4.6.2 D e t e k t o r e n m i t ä u ß e r e m Photoeffekt ( V a k u u m d e t e k t o
ren) 312
Inhaltsverzeichnis X V 4.6.3 D e t e k t o r e n mit innerem Photoeffekt (Halbleiterdetekto
ren) 315
4.6.4 Spektralapparate u n d Filter 317
4.7 A n w e n d u n g e n 320
4.7.1 Vergleich v o n L a s e r n mit konventionellen Lichtquellen. 321
4.7.1.1 K o h ä r e n z 321
4.7.1.2 Divergenz, Fokussierbarkeit 322
4.7.2 Interferometrische Längenmessung 323
4.7.3 H o l o g r a p h i e u n d holographische Interferometrie 324
4.7.3.1 Holographische Interferometrie 325
4.7.4 Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen 325
4.7.4.1 Referenzstrahlmethode 327
4.7.4.2 Zweistrahlmethode 327
4.7.5 M a t e r i a l b e h a n d l u n g 328
4.7.5.1 Laserstrahlkontrollierte Beschichtung v o n Oberflächen . 328
4.7.5.2 Materialbearbeitung 328
4.7.6 L a s e r a n w e n d u n g in d e r Medizin 330
4.7.7 Laserschutz 330
4.8 L i t e r a t u r 331
5 Integrierte Optik 337
Bearbeiter: Prof. D r . R. Th. Kersten
5.1 Einleitung 337
5.2 Theorie 338
5.3 Passive Bauelemente 342
5.4 Schaltbare Bauelemente 3 4 6
5.5 M a t e r i a l u n d Herstellung 349
5.5.1 G l ä s e r 349
5.5.2 Isolierende Kristalle L i N b O 349
5.5.3 Halbleiter 349
5.6 K o p p l u n g 350
5.7 Ausblick 351
5.8 L i t e r a t u r 352
6 Digital-Displays 353
Bearbeiter: Prof. Dr.-Ing. C. Reuber
6.1 Display u n d U m w e l t 354
6.2 Darstellungs-Techniken 355
6.2.1 Zeichenformen 355
6.2.2 Aktive u n d passive Displays 356
6.3 Aktive Displays 359
6.3.1 Plasma-Display-Paneele 359
6.3.2 K a t o d o l u m i n e s z e n z für Vakuum-Fluoreszenz-Displays . 361 6.3.3 Elektronenstrahlröhre m i t P l a s m a - K a t o d e 363
6.3.4 Leuchtdioden-Displays 364
6.3.5 Elektrolumineszenz-Displays 365
XVI Inhaltsverzeichnis
6.3.6 Glühfaden-Displays 366
6.4 Passive Displays 367
6.4.1 Flüssigkristall-Displays 367
6.4.2 E l e k t r o c h r o m e Displays 372
6.4.3 D o m ä n e n - S t e u e r u n g i n F e s t k ö r p e r n 372 6.5 Hybriddisplay m i t Flüssigkristall-Farbschalter 373
6.6 Z u s a m m e n f a s s u n g 375
6.7 L i t e r a t u r 375
6.7.1 Allgemeine Berichte 375
6.7.2 Spezielle Berichte 376
