Lumineszenzdiode - LED

Es gibt Halbleiterdioden, die elektrischen Strom in elektromagnetische Strahlungsenergie in Form sichtbaren Lichts, UV- oder IR-Strahlung umwandeln. Ihre Arbeitsweise ist somit zu der einer Fotodiode genau umgekehrt. Diese Bauteile sind Licht emittierende Dioden oder LEDs. Die Dioden arbeiten in Durchlassrichtung, wobei die Anode ausreichend positiv in Bezug zur Kathode sein muss. Im Halbleiter rekombinieren Ladungsträgerpaare unter Abgabe einer bestimmten Energiedifferenz, die zudem den Quantengesetzen gehorcht. Dieser Vorgang wird Elektrolumineszenz genannt. Sichtbares Licht wird emittiert, wenn im Halbleiter die Energie der Bandlücke und damit die Differenzenergie im Bereich von 3,2 ... 1,6 eV liegt.

Die ersten im Handel zu erwerbenden roten LEDs gab es 1962 und 10 Jahre später kamen grüne Leuchtdioden dazu. Um 1980 wurden Halbleiterdotierungen entwickelt, die eine orangegelbe Spektralfarbe emittieren. Blaue LEDs mit sehr geringer Effizienz, kleiner Lichtausbeute sind erst seit 1990 bekannt. Die Entwicklung zu heller leuchtenden blauen LEDs war in den Folgejahren erfolgreich. Inzwischen lassen sich alle wichtigen Spektralfarben durch anorganische Lumineszenzdioden in brauchbarer Effizienz abdecken. Parallel hierzu wird die Technologie organischer Lumineszenzdioden, OLEDs verbessert und gewinnt an Bedeutung.

Die Herstellung von LEDs ist komplizierter als die einfacher Dioden. Die Schichten müssen lichtdurchlässig und frei von Aufbaustörungen im Kristallgitter sein, um definierte Wellenlängen mit hohem Wirkungsgrad zu erhalten. Durch unterschiedliche Epitaxiverfahren lässt man dotierte Halbleiterschichten auf einen Halbleiterwaver aufwachsen. Der LED-Chip besitzt eine Sandwichstruktur, wird mit den Metallanschlüssen verbunden und zur fertigen LED in Kunststoff eingegossen. Das Gehäuse dient zum Schutz und sorgt als optische Linse für eine bestimmbare Lichtverteilung der sonst punktförmigen Lichtquelle.

LED-Aufbau

LEDs werden in Durchlassrichtung betrieben und haben dort wie jede andere Diode einen steilen Stromanstieg. Anfangs nimmt die Strahlungsintensität proportional mit dem Strom zu. Durch den gleichzeitigen Anstieg der Verlustleistung erwärmt sich die Diode und als Heißleiter nimmt ihre Leitfähigkeit zu. Zu höheren Temperaturen hin nimmt die Strahlungseffizienz stark ab. Ohne einen Strom begrenzenden Vorwiderstand besteht die Gefahr, dass sich die Diode selbst zerstört. Die LEDs im Laborbetrieb und in Anzeigeeinheiten vieler Geräte werden mit 10 ... 20 mA betrieben. Für Beleuchtungszecke werden inzwischen Hochleistungs-LEDs bis zu einigen Ampère Betriebsstrom angeboten. Die folgende Tabelle zeigt einige Daten verschiedener LEDs bei 20 mA Betriebsstrom.

Typ Farbe Wellenlänge Dotierung Spannung
Standard Dunkelrot 700 nm GaP 2,0 V
Standard Rot 655 nm GaAsP 1,7 V
Standard Orange 610 nm GaAsP / GaP 2,0 V
Standard Gelb 585 nm GaAsP / GaP 2,1 V
Standard Grün 555 nm GaP 2,2 V
Superhell Hellrot 660 nm GaAlAs 1,9 V
Superhell Gelb 595 nm AlInGaP 1,8 V
Superhell Grün 565 nm GaP 2,2 V
Superhell Blau 430 nm GaN 3,5 V
Ultrahell Grün 525 nm GaInN 3,3 V
Ultrahell Blau 475 nm GaInN 3,5 V
Ultrahell Weiß - GaInP 3,5 V

Eine maximale Betriebsspannung von 5 V reicht für LEDs aus. Die Durchlassspannung wird von der Halbleiterbandlücke bestimmt und liegt zwischen 1,5 ... 3,5 V. Dioden kürzerer Wellenlänge haben höhere Schwellspannungswerte. Lumineszenzdioden vertragen keine hohen Sperrspannungen. Infolge ihrer hoch dotierten Halbleiterschichten führen Sperrspannungen oberhalb von 5 V zum Durchbruch.

Mit Gleichspannung betrieben nimmt die Lichtausbeute bezogen auf die Betriebsstundenzahl kontinuierlich ab. Vermutlich wandern die Dotierungselemente im Kristallgitter durch das elektrische Gleichfeld aus und hinterlassen Gitterstörungen. LEDs können aber sehr gut mit Rechteck oder Impulsspannungen betrieben werden. Dadurch wird ihre Helligkeit einstellbar, die Strahlungsleistung nimmt zu und der Effizienzverlust ist bei vergleichbarer Betriebsdauer kleiner.

LED-Verteilung in der CIE-Farbtafel

LEDs geben schmalbandige nahezu monochromatische Strahlungen von IR- über den sichtbaren bis zum UV-Bereich ab. Trägt man die Wellenlängen lichtstarker LEDs in die CIE-Normfarbtafel ein, so bleibt einzig der Gelbbereich offen. Erkennbar ist, dass durch eine geeignete RGB-Diodenkombination der Weißton erzeugt werden kann.

Eine Weißlicht-LED kann durch die Kombination mehrerer Farb-LEDs in einem Chip als Multi-LED hergestellt werden. Eine andere Methode ist der Einsatz von Leuchtstoff mit der Eigenschaft einer Fotolumineszenz. Der Lumineszenzfarbstoff wird von einer blauen Diode angeregt und gibt langwelligeres Licht ab. Sie werden Lumineszenzkonversions-LED oder phosphor-converted-LED, PC-LED genannt. Durch die Kombination verschiedener Lumineszenzfarbstoffe lassen sich damit alle gewünschten Farbwerte mit LEDs verwirklichen. Eine vergleichbare Lichttransformation kommt in Leuchtstofflampen und Energiesparlampen zur Anwendung.

Weißlicht-LED

Zusammenhang zwischen Bandlücke und Wellenlänge

Wie anfangs erwähnt muss der LED eine bestimmte Energie zugeführt werden, damit sie im leitenden Zustand Licht in einem engen optischen Spektrum emittieren kann. Die Energie muss so groß sein, dass nach dem Energiebändermodell Elektronen aus dem Valenzband in das energetisch höhere nicht besetzte Leitungsband gelangen. Sie sind für die Stromleitung verantwortlich, wechseln aber nach kurzer Verweildauer ins energetisch tiefer liegende Valenzband zurück. Die Energiedifferenz wird quantisiert abgestrahlt und ist bei geeigneter Wellenlänge als sichtbares Licht wahrnehmbar.

Durch unterschiedliche Dotierung erhält die verbotene Zone oder Energielücke ein bestimmtes Energieniveau. Wechselt ein Elektron aus dem Leitungsband in das Valenzband, werden Energiequanten, mit dem Energiewert der Bandlücke, gemessen in Elektronvolt eV abgegeben. Mithilfe einiger Naturkonstanten ist die zugehörige Wellenlänge der Strahlung einfach berechenbar. Dotierungen mit Gallium-Phosphid liefern eine Bandlücke um 2,26 eV und bei Gallium-Nitrid um 3,37 eV. Der folgende Rechenweg gibt Rückschlüsse auf die Lichtfarbe der beiden LEDs.

Wird ein Elektron im elektrischen Feld mit der Potenzialdifferenz 1 V beschleunigt, so hat es danach die Energie 1 eV aufgenommen. 1 eV = 1,602·10−19 [VAs] = [Ws] = [J]

Bandlücke und Wellenlänge

Je mehr Energie aufgewendet werden muss, um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu bringen, desto kurzwelliger ist die elektromagnetische Strahlung, die beim Rücksprung der Elektronen wieder freigesetzt wird. Die hinzugefügte Energie muss in jedem Fall größer sein. Die Differenz zur freigesetzten Strahlungsenergie erwärmt den Halbleiter.