Lumineszenzdiode

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Lumineszenzdioden - LED

Bestimmte Halbleiterdioden wandeln elektrischen Strom in Licht, UV- oder IR-Strahlung um. Ihre Arbeitsweise ist somit zu der einer Fotodiode genau umgekehrt. Es 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 der Energiedifferenz. Dieser Vorgang wird Elektrolumineszenz genannt. Liegt die Energie der Bandlücke und damit die Differenzenergie im Bereich von 3,2...1,6 eV, dann wird sichtbares Licht emittiert.

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 kleiner Lichtausbeute (Effizienz) 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 (OLED's) 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 dann eine Sandwichstruktur und 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.

LEDs werden in Durchlassrichtung betrieben und weisen dort wie jede andere Diode einen steilen Stromanstieg auf. Die Strahlungsintensität nimmt anfangs proportional mit dem Strom zu. Durch den gleichzeitigen Anstieg der Verlustleistung erwärmt sich die Diode, wodurch ihre Leitfähigkeit ansteigt. Mit höherer Temperatur 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 Hochleistungs-LEDs mit bis zu 350 mA Betriebsstrom angeboten. Die folgende Tabelle zeigt einige Daten verschiedener LEDs bei einem Betriebsstrom von 20 mA.

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 0,6 ... 2 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.

Bei einem konstanten Gleichspannungsbetrieb 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.

Lumineszenzdioden liefern schmalbandige nahezu monochromatische Strahlungen von IR- über den sichtbaren bis zum UV-Bereich. Trägt man die Wellenlängen der lichtstarken LEDs in die CIE-Normfarbtafel ein, so bleibt einzig der Gelbbereich offen. Es ist aber zu erkennen, dass durch eine geeignete RGB-Diodenkombination der Weißton erreicht werden kann.

Eine Weißlicht-LED kann durch die Kombination mehrerer Farb-LEDs in einem Chip hergestellt werden, sog. Multi-LEDs. Eine andere angewendete Methode ist der Einsatz von Leuchtstoff mit der Eigenschaft einer Photolumineszenz. 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 alle gewünschten Farbwerte mit LEDs verwirklichen. Eine vergleichbare Lichttransformation kommt in Leuchtstofflampen und Energiesparlampen zur Anwendung.

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