LED

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verschiedene Leuchtdioden

Eine Leuchtdiode (Kurzform LED für Light-Emitting Diode – Licht aussendende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement.

Wird durch die Diode ein Strom in Durchflussrichtung geschickt, strahlt sie Licht ab.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Makroaufnahme einer Leuchtdiode (Durchmesser 5 mm).

Das Bild rechts zeigt den Aufbau einer Standard-Leuchtdiode (Durchmesser 5 mm). Die Kathode (−), markiert durch eine Abflachung links am Gehäuse, trägt einen kegelförmigem Reflektor, in dem der Halbleiter sitzt. Der feine Bonddraht, rechts oberhalb des Trägers als horizontale Linie erkennbar, stellt den Kontakt zur Anode (+) her.

Bei neuen LEDs ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer, wodurch auch die Merkregel Kathode = kurz gilt. Da auf fertigen Platinen die Bauteilanschlüsse abgeschnitten werden sollte man dies allerdings nicht generell anwenden.

Hochleistungs-LED werden mit höheren Strömen betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrückt. Die Wärme kann entweder über die Stromzuleitungen abgeführt werden, oder der Strom wird über zwei Bonddrähte zugeführt und die Wärmeableitung über die Reflektorwanne ist davon getrennt.

Die industrielle Verarbeitung von bedrahteten LED ist aufwändig und teuer. LED werden z. B. auch in SMD-Gehäuseform hergestellt. Eine weitere Möglichkeit ist das direkte "bonden" des LED-Chips auf der Platine (Chip on board – COB).

Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (2 oder 3) Dioden in einem Gehäuse. Bei der Ausführung mit 2 Anschlüssen sind 2 LED in Gegenrichtung parallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine Wechselspannung regt beide Dioden an und erzeugt eine Überlagerungsfarbe. Bei 3 oder mehrbeinigen LEDs haben die verschiedenfarbigen Chips eine gemeinsame Kathode, aber einzelne Anoden. Bei gleichzeitiger Ansteuerung ergibt sich hier ebenfalls eine Mischfarbe.

Funktionsprinzip

Der Halbleiter in einer LED besteht aus einer Diode. Durch Anlegen einer äußeren Spannung in Durchlassrichtung wandern Elektronen zur Rekombinationsschicht an seinem p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln. Beispielsweise erfolgt bei Silizium-Dioden der Übergang strahlungslos durch Photonenanregung (Gitterschwingungen), das Gitter führt die Energie als Wärme ab. Gallium-Arsenid (GaAs) hingegen leuchtet.

Bandstrukturen zweier Halbleiter, schematisch.

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt das Verhalten der Energieübertragung. Im Unterschied zum sehr vereinfachten Bändermodell ist in der Grafik auf der Abszisse (x-Achse) der Impuls k aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate. Rechts ist kein direkter Strahlungsübergang vom oberen Leitungsband auf das untere Valenzband möglich, da sich nicht nur die Energie, sondern auch der Impuls k verändert, im Gegensatz zum linken Beispiel (siehe auch Bandlücke).

Die Größe der Energielücke E''-E' bestimmt die Farbe des ausgesandten Lichts:

<math>\lambda(W_D) = \frac{h \cdot c}{W_D} = \frac{1240 \, {\rm nm \, eV}}{W_D}</math>
<math>\lambda(W_D)</math> lambda: Wellenlänge des emittierten Lichtes in nm (Nano-Meter), wenn <math>W_D</math> in eV eingesetzt wird.
h Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10-34 Js
c Lichtgeschwindigkeit = 2,997 · 108 ms-1
WD Arbeit, hier: Bandlücke, angegeben in eV, abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.

Die Größe der Bandlücke und damit die Farbe lassen sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. Beispielsweise hat der Halbleiter GaAs einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm. Eine Zugabe von Phosphor vergrößert ihn, verformt aber auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50% der As-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand bei fast 2 eV (650 nm). Dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt.

Technologie

UV-LED aus InGaN

Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich (das entspricht im sichtbaren Bereich der Farbe) und die Effizienz lässt sich so beeinflussen:

  • Aluminium-Galliumarsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000nm Wellenlänge; Durchlass-Spannung 1,2..1,5 V
  • Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, Glasfaserkabel bis 1000 m
  • Galliumarsenid-phosphid (GaAsP) und Aluminium-Indium-Gallium-phosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb; Durchlass-Spannung 1,8..2,2 V
  • Galliumphosphid (GaP) – grün; Durchlass-Spannung 2,2..2,4 V
  • Siliziumcarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
  • Indium-Galliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau und grün; Durchlass-Spannung 3,5..4 V

Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt.

Eigenschaften

Spektren einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode.

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb ist z. B. der Einsatz in Signalanlagen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern, besonders effektiv.

Als Lebensdauer der LED wird die Zeit, nach der die Lichtausbeute der LED auf die Hälfte des Anfangwertes abgefallen ist, bezeichnet. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber nicht plötzlich aus. Leuchtdioden sind unempfindlich gegen Erschütterungen. Sie haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Lebensdauer hängt von dem jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen 1000 Stunden bei 5 Watt-LED bis zu über 100000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LED. Hohe Temperaturen (z. B. durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LED drastisch.

Die hohe Schaltgeschwindigkeit der LED ist z. B. bei dem Einsatz in der Optoelektronik wichtig.

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie. Im Betrieb muss der Strom durch ein weiteres Bauelement begrenzt werden, im einfachsten Fall durch einen Widerstand oder durch einen Konstantstromregler. Die Stromaufnahme beträgt 2 mA bis ca. 700 mA bei einer Spannung von 2 V bis 4 V.

Weiße LED

Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz:

  • Drei Leuchtdioden der Farben Rot, Grün und Blau (RGB) werden zusammengeschaltet und erzeugen weißes Licht (Einsatz: Displays, Effektbeleuchtung). Das kann mit separaten LED oder mit drei LED-Chips innerhalb eines Gehäuses geschehen. Auch mit nur zwei LED in den Farben Blau und Gelb kann weißes Licht gemischt werden.

Der LED-Chip wird mit Fluoreszenzfarbstoff bedeckt. Ähnlich wie bei einer Leuchtstofflampe wird kurzwelliges, energiereiches Licht in langwelliges, energieärmeres Licht umgewandelt. Bei geeigneter Wahl der Komponenten ergibt die additive Farbmischung weiß.

  • Entweder wird ein Teil des Lichtes blauer LED durch einen Farbstoff in gelbes Licht umgewandelt und die Mischung ergibt weiß oder
  • die Leuchtdiode strahlt im UV-Bereich. Das sichtbare weiße Licht wird ausschließlich durch Anregung von geeigneten Fluoreszenzfarbstoffen (RGB) erzeugt. Solche LED haben gute Farbwiedergabeeigenschaften (Ra 90).

Einsatzbereiche

LED-Leuchtmittel

Nachdem die LED lange Zeit aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Lichtfarben hauptsächlich als Indikationslampen, in Siebensegment- und Punktmatrixanzeigen eingesetzt wurden, erschliesst sich die LED nun weite Einsatzbereiche z.B. auch in der Beleuchtungstechnik. Einige Einsatzbereiche sind:

  • Leuchtmittel, um Glühlampen zu ersetzen (siehe Bild rechts)
  • Laufschriftanzeigen zur Informationsübermittlung in der Öffentlichkeit, Wechselkennzeichen im Straßenverkehr
  • Statusanzeigen, beispielsweise Betriebsbereitschaft bei Geräten aller Art
  • Infrarot-LEDs in Fernbedienungen, vor allem im Bereich der Unterhaltungselektronik
  • LED-Bündel in Verkehrsampeln (statt gewöhnlicher Glühlampen mit Farbfiltern. Hier macht sich neben der längeren Lebensdauer auch die schnellere Ansprechzeit gegenüber Glühlampen bemerkbar.
  • Fahrradbeleuchtung, vornehmlich als Rücklicht, zunehmend aber auch als Scheinwerfer
  • Siebensegmentanzeigen an Taschenrechnern und Messgeräten (dort inzwischen weitgehend abgelöst durch Flüssigkristallanzeigen)
  • Rote und gelbe LEDs für Anzeigen in Bereichen, wo die Dunkel Adaptation des Auges nicht beeinträchtigt werden darf (Flugzeug-Cockpits, Schiffsbrücken, Sternwarten, im nächtlichen Geländeeinsatz (Militär oder Tierbeobachtung))
  • Mobile Beleuchtungsanwendungen, wie Taschenlampen, zunehmend auch im Automobilbereich
  • Als Teil von Bewegungssensoren, beispielsweise bei Zeigegeräten in der EDV oder für Lichtschranken
  • Zur Belichtung der Tonerwalze bei LED-Druckern
  • Zur Displayhinterleuchtung (Mobiltelefon, Monitore). Dieser Bereich macht einen großen Teil des Marktes der LED aus
  • (tageslichtfähige) TV-Grossdisplays (z. B. in Stadien)
  • Für Beleuchtungszwecke, hauptsächlich Beleuchtung eng abgegrenzter Bereiche (Spotlicht)
  • RGB-Effektbeleuchtung mit änderbaren Lichtfarben
  • Als Ersatz für konventionelle Leuchtmittel, z. B. einfach einsetzbar in gesockelter Ausführung
  • im Medizinbereich (z. B. UV-LED in der Zahntechnik)
  • (derzeit im Prototypenstadium) als Scheinwerfer von (u. a.) Kraftfahrzeugen

Entwicklung

Foto einiger Leuchtdioden


Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute der LED gesteigert. Es wurden neue Halbleitermaterialien entwickelt, so dass es LED in nahezu allen Farben des Spektrums (Lücke im grün-gelb Spektrum) gibt. Insbesondere nach Halbleitern, die Licht im kurzwelligen Bereich (blau, UV) effektiv erzeugen, wurde lange gesucht.

Die weitere Steigerung der Effizienz und die preiswertere Herstellung der Halbleiter ist das Ziel weiterer Entwicklungen.

Gegenwärtig wird z. B. daran gearbeitet, sowohl transparente Trägermaterialien und Halbleiter-Materialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen. Die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) decken einen Teil der aktiven Fläche ab. Die Alterung von LEDs ist wohl auf die Vergrößerung von Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen, die nicht mehr an der Lichterzeugung teilnehmen und strahlungslose Übergänge fördern.

Mit 30 Lumen/Watt entspricht die Lichtausbeute von weißen Leuchtdioden der von Halogen-Glühlampen. Die effektivsten verfügbaren weißen LED haben heutzutage (November 2004) eine Lichtausbeute von 50 Lumen/Watt.

Große Leuchtdiodenhersteller arbeiten derzeit intensiv an der Erhöhung des Wirkungsgrades. Erst wenn dieser deutlich über Halogenlampen liegt, ist eine breite Anwendung im Automobilsektor sinnvoll. In wenigen Jahren wird hier ein Durchbruch erwartet.

Bereits jetzt ist die LED dabei die Glühlampe in vielen Bereichen zu verdrängen. Die Vorteile gegenüber der Glühlampe: Die LED verbraucht weniger Strom, erzeugt weniger Wärme, ist unempfindlich gegenüber Erschütterungen, erreicht deutlich kürzere Schaltzeiten und hat eine hohe Lebensdauer. Taschenlampen z. B. werden in den nächsten Jahren wohl nur noch LEDs enthalten.

Tipps zum Betrieb

LED werden mit Konstantstrom betrieben. Dazu gibt es in der Modellbau-Wiki eine einfache Schaltung für eine Konstantstromquelle.

Weblinks

Hinweis

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel LED aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.