Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenzdiode, kurz LED für Light Emitting Diode bzw. lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht ab.

Erfunden wurde die LED 1962 von Nick Holonyak. Aktueller Forschungsgegenstand sind organische Leuchtdioden, so genannte „OLEDs“.

Aufbau

Makroaufnahme einer Leuchtdiode (Durchmesser 5 mm).

Innerer Reflektor (Durchmesser ca. 1 mm), nach Entfernen der Plastikummantelung.

Das Bild links zeigt den Aufbau einer Standard-Leuchtdiode. Der Halbleiterkristall ist in einer Reflektorwanne eingebettet. Das Bild rechts zeigt den Reflektor nach Entfernen der transparenten Plastikummantelung. Der rechteckige Draht, der den Reflektor trägt, stellt den Kontakt zur Kathode her und nimmt die Verlustwärme auf. In der Mitte des Kristalls erkennt man Reste des Bonddrahts, der den Kontakt zur Anode herstellt.

Im linken Bild ist der Bonddraht rechts oberhalb des Trägers als horizontale Linie erkennbar. Die Kathode (−) ist durch eine Abflachung links am Gehäusesockel markiert. Bei fabrikneuen LED ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel: Kathode = kurz). Bei den meisten LED ist der Reflektor die Kathode, dann gilt auch die Merkregel, dass die (technische) Stromrichtung von dem Pfeil, den die Elektrode (in der Abbildung rechts) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird. In seltenen Fällen ist der Aufbau aber genau umgekehrt!

Hochleistungs-LED werden mit höheren Strömen betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. 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 daher 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.

Funktionsprinzip

Der Halbleiter einer LED bildet eine Diode. Durch Anlegen einer äußeren Spannung in Durchlassrichtung wandern Elektronen zur Rekombinationsschicht am 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 Phononenanregung (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:

\lambda (W_{D}):{\frac {h\cdot c}{W_{D}}}

bzw. als Zahlenwertgleichung:

\lambda (W_{D})={\frac {1240\,{\rm {nm\,eV}}}{W_{D}}}

λ(W_D) : Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für Zahlenwertgleichung in nm (Nano-Meter), wenn

W_{D}

in eV eingesetzt wird.)

h : Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10⁻³⁴ J s

c : Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 10⁸ m s⁻¹

W_D : Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung 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

blaue 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:

Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge
Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, LWL bis 1000 nm
Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
Galliumphosphid (GaP) – grün
Siliziumcarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau und grün
Weiße LEDs sind meist blaue LEDs mit einer Phosphorschicht die als Lumineszenz-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED)

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 i. d. R. 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 1.000 Stunden bei 5-Watt-LED bis zu über 100.000 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. Die Modulationsfrequenz beträgt bis zu 100 MHz.

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 eine Konstantstromquelle. Damit ist einer mehr oder weniger starken und zudem meist ungewollten Veränderung des Nennstroms (und somit auch Änderungen der Leuchtstärke) bis hin zur Zerstörung des Leuchtmittels wirksam vorgebeugt. Die Stromaufnahme variiert von Modell zu Modell zwischen 2 mA (z. B. miniaturisierte SMD LED), 20 mA (z. B. 5-mm-LED) bis ca. 700 mA oder mehr bei LED für Beleuchtungszwecke. Die Durchlassspannung (abgekürzt U_f bzw. V_f) reicht dabei von etwa 1,3 V (Infrarot-LED) bis ca. 4 V (InGaN-LED: grün, blau, UV).

Weiße LED

Datei:Lumiledmakro.jpg

(Hochleistungs-) LED mit gleichmäßig aufgetragener Leuchtstoffschicht

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.

Datei:LED weiss phosphor.png

Blaue LED in Phosphor-Wanne zur Erzeugung von weißem Licht

Der LED-Chip wird mit Fluoreszenzfarbstoff bedeckt. Ähnlich wie bei einer Leuchtstofflampe wird kurzwelliges, energiereiches Licht (blau/UV-Licht) in langwelliges, energieärmeres Licht umgewandelt. Bei geeigneter Wahl der Komponenten ergibt die additive Farbmischung weiß. Die Wahl der Farbstoffe variiert dabei mit den verwendeten Materialien. Entweder regt man mit einer UV-LED verschiedene Farbstoffe (z.B. RGB) an, die in der Kombination weißes Licht erzeugen. Oder man nimmt eine blaue LED als Grundlage und verwendet nur einen einzigen Farbstoff (gelb). Die Verwendung von mehreren Farbstoffen ist dabei teurer bei geringerer Lichtausbeute, es lassen sich aber damit gute Farbwiedergabeeigenschaften (Farbwiedergabeindex Ra 90) erzeugen.

Erzeugen von weißem Licht mit nur einer Leuchtdiode in Kombination mit Phosphor-Fluoreszenzfarbstoffen.

Für kommerzielle Beleuchtungen wird aus Kostengründen immer die Variante mit einer Leuchtdiode in Kombination mit Farbstoffen verwendet. Die Art der Farbstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Unterschiedliche Farbschichtdicke resultiert (besonders am Rand) in einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe. Weiterhin gibt es unterschiedliche Arten von weißem Licht (bekannt von kaltem Licht aus Neonröhren gegenüber warmem Licht aus Glühbirnen). Die Unterschiede in der Lichtfarbe kann mit der Farbtemperatur angegeben werden (gemessen in Kelvin). Eine Farbtemperatur von 3000 K steht für eine warme rötliche Lichtfarbe, wogegen 6000 K eine kalte, tageslichtähnliche Farbe beschreibt.

Binning

In vielen Einsatzbereichen werden durch Normen genau definierte Lichtfarben vorgegeben. Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LED eines Types und Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED-Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning bezeichnet.

Bei weißen LED umfasst dies hauptsächlich den sogenannten Flux bin, die Durchlassspannung sowie der Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeprägte Farbstich liegt. Bzgl. der Farblage wird nicht nur unterschieden, in welchem Bereich der Farbmischung (tendenziell mehr rot oder grün oder blau) liegt, sondern welche Farbtemperatur die LED bei Nennstrom erzeugt.

Auch bei farbigen LED können die einzelnen Lichtfarben mit in selektierten Toleranzen angeboten werden.

Informationen darüber, welchem "Bin" (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen ist, sind an den Hersteller gebunden (Datenblatt).

Einsatzbereiche

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

Leuchtmittel, um Glühlampen oder Halogenlampen zu ersetzen, z. B. in gesockelter Ausführung (siehe Bilder unten)
Laufschriftanzeigen zur Informationsübermittlung in der Öffentlichkeit, Wechselkennzeichen im Straßenverkehr
Statusanzeigen, beispielsweise Betriebsbereitschaft bei Geräten aller Art
Infrarot-LED 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.
im Automobil-Bereich, insbesondere als drittes Bremslicht, zunehmend auch vollständige rückwärtige Fahrzeugbeleuchtung und Blinker
ab 2007 auch als Frontscheinwerfer von (u. a.) Kraftfahrzeugen (im Europäischen Raum erst ab 2007 zugelassen)
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 Dunkeladaptation 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
im Medizinbereich (z. B. UV-LED zum Polymerisieren von Kunststoffen in der Zahntechnik)
als Spannungsreferenz (statt Z-Dioden). Die LED wird dabei in Flussrichtung betrieben.
als Blitzlicht in kompakten Digitalkameras
in Großbildschirmen, wobei jedes RGB-Tripel aus drei LED geformt wird.
in Bildprojektoren (Beamer): Hier wird das Licht zeitlich nacheinander durch rote, grüne und blaue LEDs generiert und das Bild durch optisch Modulation (LCOS, DLP) erzeugt.
als Energieanzeigelicht bei vielen Handhelds

LED-Lampe in Glühlampenform (warmweiß)
LED-Lampe
230 V LED GU10 Leuchtmittel
Digitaluhr von 1978 mit LED-Anzeige. Links Uhrzeit, rechts Tag/Datum

Entwicklung

Im Laufe der Entwicklung seit den ersten LED 1962 wurde die Lichtausbeute der LED um ca. vier Größenordnungen von < 0,1 Lumen/Watt auf fast 100 Lumen/Watt (orange-rote LED) gesteigert. Diese meist in großen Sprüngen stattgefundenen Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen) auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, Quantenwells, transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Es wurden ausgehend von GaAs/AlAs (1960er Jahre rot-gelb) neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er Jahre, grüne LED) und GaN (1980er/1990er Jahre, grün bis UV) 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, Hauptproblem war lange Zeit das Dotieren eines p-leitenden Bereichs von geeigneten breitlückigen Halbleitern das erstmals 1988 beim GaN der Gruppe von Akasaki in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Letzterer führte dies zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LED sowie blaue Laser, seit 1993 von [Nichia] vertrieben wird. Bis dahin basierten blaue LED auf dem Material Siliziumcarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist.

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 LED ist in erster Linie auf die Vergrößerung von Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-basierten LED im blauen und UV-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses aus Silikonen gefertigt, womit Lebensdauern von 100.000 h erzielt werden, was etwa 10 Jahren Dauerbetrieb entspricht.

Die effizientesten verfügbaren weißen LED haben heutzutage (März 2006) eine Lichtausbeute von 35..50 lm/W. Die Lichtausbeute liegt über der von Glüh- und Halogenlampen mit 17 bzw 30 lm/W, aber unter der von Leuchtstofflampen, 60–110 lm/W. Mit hoher Effizienz können auch LEDs in den Farbe Orange-Rot und Grün hergestellt werden, hier werden Werte von über 50 lm/W erreicht. Die Effizienz anderer Farben fällt aufgrund der farbabhängigen Empfindlichkeit des Auges geringer aus; der Wirkungsgrad kann unabhängig davon 25% erreichen.

Große Leuchtdiodenhersteller arbeiten derzeit intensiv an der Erhöhung des Wirkungsgrades. Erst wenn dieser deutlich über Halogenlampen liegt, ist eine breite Anwendung im Automobilsektor für Frontscheinwerfer sinnvoll. Für Blink-, Rücklicht- und Bremsleuchten sind die Helligkeiten schon heute ausreichend, und Leuchtdioden setzen sich hier immer mehr durch. Hauptargumente für Leuchtdioden sind dabei der Wegfall der Lampenwartung, was neue Designmöglichkeiten eröffnet unter anderem da die Lampengehäuse nicht mehr von innen zugänglich sein müssen, und der Sicherheitsgewinn durch das schnellere Ansprechen einer LED-Bremsleuchte gegenüber Glühlampen.

Bereits jetzt ist die LED dabei, die Glühlampe in etlichen Spezialanwendungen zu verdrängen. Die Vorteile gegenüber der Glühlampe: Die LED verbraucht weniger Energie, erzeugt weniger Wärme, ist unempfindlich gegenüber Erschütterungen, erreicht deutlich kürzere Schaltzeiten und hat eine hohe Lebensdauer. Die Helligkeit einer 1-W-Glühlampe entspricht etwa der einer LED mit 12 cd. So wird erwartet, dass Leuchtdioden in den nächsten Jahren die Glühlampe als Lichtquelle für Taschenlampen weitgehend ersetzen. Bis LED beginnen, Glühlampen als allgemeines Beleuchtungsmittel zu verdrängen und sich einen breiten Massenmarkt zu erobern, muss jedoch ihre Lichtausbeute und Energieeffizienz bei sinkenden Kosten weiter gesteigert werden. Es ist anzumerken, dass mit den Energiesparlampen Verbesserungen in Bezug auf die Energieeffizienz in der allgemeinen Beleuchtung erreicht wurden, an denen sich auch LED messen lassen müssen, wenn sie große Marktanteile erreichen wollen. Zurzeit jedenfalls erreichen sie diese Werte nicht.

LED-Anschlussbeispiel

Datei:UW0K-FluxChart.jpg

Bei steigender Leistungsaufnahme abfallende Lichtausbeute (Lm/W) hier am Beispiel einer Lumiled Luxeon3

Die Helligkeit einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Die Maximaltemperatur des Halbleiters setzt ihr eine Grenze. Die LED fällt aus, wenn die Temperatur des Halbleiters ca. 150 °C übersteigt.

Die Strom-Spannungskennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte Spannung reagiert. Bei einem ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Eine Leuchtdiode besitzt, typisch für Halbleiterdioden, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen große Stromänderungen.

Kennlinie einer weißen LED (schematisch).

Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie einer Leuchtdiode schematisch wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße Hochleistungsleuchtdiode mit einem Nennstrom von 350 mA. Diesen Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest man eine Durchlassspannung von ca. 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von ca. 1 W.

Eine LED kann nicht unmittelbar an eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Eine weiße LED bleibt beim „Betrieb“ mit der Spannung 2,4 V (z. B. zwei Ni-Cd-Akkus à 1,2 V) dunkel. Bei 3 V (z. B. zwei Zink-Kohle-Primärzellen (handelsübliche nichtaufladbare „Batterien“)) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku-Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %, ohne aktive Kühlung fällt die LED nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im Diagramm markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch Exemplarstreuungen der Halbleitereigenschaften bzw. lokale Temperaturerhöhungen. Daher kann der Strom auch bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LED mit einem Konstantstrom.

Eine einfache Stromquelle $I$ besteht aus einer möglichst hohen Spannungsquelle $U_{0}$ und einem Reihenwiderstand $R$ . Ist $U_{D}$ der Spannungsabfall an der Diode im Betrieb, dann gilt: