Leuchtdioden aus Halbleitern
Hinweis: Die Daten wurden zum Teil der informativen Seite http://www.led-info.de entnommen.
Leuchtdioden sind meist sogenannte III/V-Halbleiter, d.h. sie sind aus Elementen der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems aufgebaut. Dazu gehören Stoffe wie Galliumphosphid (GaP), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN). Der Grund hierfür ist, dass die energetischen Verhältnisse in diesen Halbleitern gerade so sind, dass bei der Rekombination eines Elektrons mit einem Loch Licht entsteht, das im sichtbaren Bereich liegt.
Die Leuchtfarbe einer LED wird durch die Wahl des Materials für die p- und n-Schicht sowie durch Art und Konzentration der Dotieratome bestimmt.
Aufbau einer Leuchtdiode
Joachim Herz Stiftung
Ausgangspunkt für die Herstellung von Leuchtdioden (LEDs) ist ein Halbleiterkristall. Dieser Einkristall enthält noch Verunreinigungen und Gitterfehlstellen, die dazu führen würden, dass die Rekombination eines Elektrons mit einem Loch nicht zur Aussendung von Licht führen würde und somit der Wirkungsgrad der LED schlecht wäre.
Daher bringt man auf diesen Kristall unterschiedlich dotierte Schichten auf, welche die geforderten Ausstrahlungseigenschaften haben. Dies geschieht in einem sogenannten Epitaxieverfahren, auf das wir nicht näher eingehen.
Nachdem der pn-Übergang erstellt wurde, müssen noch Kontakte zu dem Halbleiterplättchen hergestellt werden. Dazu wird auf seine Unterseite ein Metallplättchen geklebt oder legiert und die Oberseite mit einem Golddraht kontaktiert. Schließlich wird die Lumineszenzdiode in einen Kunststoff eingegossen. Das durchsichtige Plastikgehäuse dient zum Schutz der Lumineszenzdiode, bestimmt deren Abstrahlcharakteristik und verbessert die Lichtaustrittsverhältnisse.
Schematischer Aufbau einer AlInGaP-Leuchtdiode
Die nebenstehende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau einer AlInGaP-Leuchtdiode. Diese Diode sendet Licht im gelben bis roten Bereich des Spektrums aus.
Wirkungsgrad und Anwendung
Effizienz von Leuchtdioden
Die ersten kommerziellen Leuchtdioden kamen 1962 auf den Markt. Erste Anwendungen fanden sich bei der Ziffernanzeige in Taschenrechnern und Uhren. Aufgrund des damals noch relativ hohen Strombedarfs mussten die Batterien dieser Geräte häufig gewechselt werden. Heute verwendet man meist Flüssigkeitskristallanzeigen, da diese weniger elektrische Energie erfordern.
Durch ausgereiftere Dotierungs- und Herstellungsverfahren wurde die Effizienz der Leuchtdioden pro Dekade etwa um den Faktor 10 gesteigert. Darüber hinaus ist man heute in der Lage LEDs in fast allen Farben herzustellen.
Hinweis: "Lumen (lm)" ist die Einheit der physikalischen Größe "Lichtstrom". Diese Größe macht eine Aussage über die "Helligkeit" der Lichtquelle. Eine \(60\rm{W}\)-Glühlampe hat einen Lichtstrom von ca. \(1000\rm{lm}\), d.h. eine Effizienz von ca. \(17\frac{{{\rm{lm}}}}{{\rm{W}}}\). Aus dem Diagramm sieht man, dass die neu entwickelten Leuchtdioden schon eine wesentlich höhere Effizienz besitzen und mit zunehmenden Stückzahlen bald auch im Preis konkurrenzfähig sein werden.
Weißlichtdioden
Durch die Effizienzsteigerung in den letzten Jahren werden Leuchtdioden auch für Beleuchtungszwecke interessant. Hierzu dienen in erster Linie Weißlichtdioden. Um mit LEDs weißes Licht zu erzeugen, gibt es zwei verschiedene Verfahren:
Lumineszenz-Konversions-LED
Für die weiße Leuchtdiode wird eine blau oder auch UV emittierende LED mit Lumineszenzfarbstoffen kombiniert. Dazu wird mit einem Tropfen Lumineszenzfarbstoff der in der Reflektorwanne liegende Diodenchip bedeckt. Das kurzwellige und damit energiereichere blaue Licht regt den Farbstoff zum Leuchten an. Dabei wird langwelligeres, energieärmeres gelbes Licht abgegeben. Da nicht das gesamte blaue Licht umgewandelt wird, ergibt die resultierende additive Mischung der Spektralfarben das weiße Licht. Der Farbton der Weißlichtdiode ist über Wahl und Dosierung des Farbstoffes einstellbar.
Multi-LED
LEDs leuchten nur in einem bestimmten, genau abgegrenzten Spektralbereich, sie sind nahezu einfarbig. Weißes Licht kann durch den Einsatz verschiedenfarbiger LED erzeugt werden. Die additive Farbmischung von Rot, Grün und Blau (RGB) oder auch z.B. nur von Blau und Gelb kann neben allen anderen Mischfarben auch weißes Licht erzeugen. In Multi-LEDs werden drei verschiedene LED-Chips in einer LED kombiniert.
Geschichtliche Anmerkung
Für die Entwicklung der blau leuchtenden LED, die eine wesentliche Voraussetzung zur Erzeugung "weißen LED-Lichtes" war, bekamen die drei japanischen Forschern Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura im Jahr 2014 den Nobelpreis für Physik. Die Begründung der Nobel-Jury lautete: ". . . for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources."
Die ersten, rotes Licht aussendenden, LEDs waren schon in den 1960er Jahren bekannt, es folgten schnell LEDs, die in den Farben gelb und grün leuchteten. Als Grundmaterial verwandte man für diese LEDs Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP). Man erkannte sehr bald, dass zur Erzeugung von blauem Licht das Material Galliumnitrid (GaN) geeignet wäre, jedoch hatte man große Probleme bei der Herstellung und Dotierung dieses Materials. Es dauerte Jahrzehnte bis schließlich den japanischen Forschern der Durchbruch gelang.
Eine heute im Handel erhältliche Weißlicht-LED liefert z.B. die gleiche Helligkeit (genauer: den gleichen Lichtstrom) wie eine 65W-Glühlampe, nimmt dabei aber nur eine elektrische Leistung von 10,5W auf. Die Lebensdauer einer Weißlicht-LED wird mit 50000 Stunden angesetzt. Zum Vergleich: eine 65W-Glühlampe hat etwa eine Lebensdauer von 1000 Stunden.