Leuchtdiode
Eine Leuchtdiode (Kurzform LED für light-emitting diode – Licht aussendende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement.
Wird an der Diode eine Spannung in Durchflussrichtung angelegt, strahlt sie Licht ab.
Funktionsprinzip
Der Halbleiterchip in einer LED enthält zwei unterschiedlich dotierte Schichten: eine mit einem Elektronenüberschuss (n-Schicht) und eine mit einem Überschuss an Löchern (Defektelektronen, p-Schicht). Wenn Strom durch den pn-Übergang fließt, treffen Elektronen auf Löcher. Bei jedem dieser Ereignisse sinkt das Energieniveau des betroffenen Elektrons, und die frei werdende Energie wird als Photon abgestrahlt.
Technologie
Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich (also im sichtbaren Bereich die Farbe) lässt sich so beeinflussen:
- Aluminium-Galliumarsenid (AlGaAs) – (rot und infrarot, bis 1000nm Wellenlänge)
- Galliumarsenid-phosphid (GaAsP) und Aluminium-Indium-Gallium-phosphid (AlInGaP) – (rot, orange und gelb)
- Galliumnitrid (GaN) – (grün)
- Galliumphosphid (GaP) – (grün)
- Zinkselenid (ZnSe) – (blau)
- Indium-Galliumnitrid (InGaN) – (blau)
- Siliziumcarbid (SiC) – (blau)
- Diamant (C) – ultraviolett
- Silizium (Si) – gegenwärtig (2004) in der Entwicklung
Eigenschaften
Leuchtdioden strahlen monochrom, weshalb z. B. Signalanlagen ohne Farbfilter auskommen, die die Helligkeit herabsetzen würden. Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden auch im Betrieb unempfindlich gegen Erschütterungen. Sie erreichen eine Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden und zeichnen sich durch hohe Schaltfestigkeit aus.
Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich. Die Energieanregung in einem Festkörper führt bei entsprechender Auslegung zu deutlich breiteren Spektralbändern als die in einem Gas z. B. einer Metalldampflampe.
Leuchtdioden werden am Ende ihrer Lebensdauer nach und nach schwächer, fallen aber nicht plötzlich aus.
Fehlstellen im Halbleiter-Einkristall der Leuchtdiode setzen durch Ladungsträgerrekombinationen ohne Lichtemission den Wirkungsgrad herab. Die verwendeten Halbleiterkristalle sind nicht transparent und lassen nur wenig Licht nach außen austreten.
Die Betriebsspannung einer LED liegt zwischen 2 und 4 Volt. Beim Betrieb muss der Strom durch ein weiteres Bauelement begrenzt werden, im einfachsten Fall durch einen Widerstand oder durch einen Konstantstromregler.
Anwendungen
Allgemein werden LEDs gewöhnlich zur Anzeige von Informationen verwendet, aber auch zunehmend für Beleuchtungszwecke. Es folgt eine Auflistung typischer Anwendungen.
- 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)
- 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))
- Zur Beleuchtung von Dunkelkammern, wo zweckgerechte LEDs nicht zur vorzeitigen Filmbelichtung führen
- Mobile Beleuchtungsanwendungen, wie Taschenlampen oder LCD-Hintergrundbeleuchtung, zunehmend auch als LED-Bündel in der Kraftfahrzeugtechnik
- Als Teil von Bewegungssensoren, beispielsweise bei Zeigegeräten in der EDV oder für Lichtschranken
- Zur Belichtung der Tonerwalze bei manchen Druckern
- Als Strahler zu Beleuchtungszwecken im häuslichen Bereich in üblichen Bauformen der Halogenstrahler mit Sockel GU 5.3 oder GU 10 für 12 V und auch für 230V
- Durch optische Rückkopplung und Bündelung des Strahls wird die LED zu einem Diodenlaser
- In Sonderanwendungen kann eine LED, ähnlich einer Photozelle, auch als Empfangselement für Strahlung dienen, da der Mechanismus der Lichterzeugung teilweise umkehrbar ist. Die LED erzeugt bei Lichteinfall eine Spannung. Der Wirkungsgrad ist dabei sehr gering.
Entwicklung
Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtstärke von LEDs gesteigert und LEDs für unterschiedliche Farben entwickelt. Die Lichtstärke einer LED wird gewöhnlich in mcd (Millicandela ) angegeben.
Gegenwärtig wird daran gearbeitet, sowohl transparente Trägermaterialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen. Die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) decken einen bedeutenden Teil der aktiven Fläche ab. Die Alterung von LEDs ist wohl im bedeutenden Maße auf die Vergrößerung von Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen, die nicht mehr an der Lichterzeugung teilnehmen.
Die Lichterzeugung im Infrarotbereich am P-n-Übergang scheint ein weit verbreiteter Vorgang zu sein, der bei Transistoren bisher nicht beachtet wurde. Jetzt will man den Effekt für neue elektrooptische Schalter verwenden.
Weiße Leuchtdioden arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Leuchtstoffröhren. Blaue Leuchtdioden erhalten Fluoreszenz-Farbstoffe, die kurzwelliges in langwelliges Licht umsetzen und so das blaue Farbspektrum zu weißem Licht ergänzen.
Mit 10-30 lm/W entspricht die Lichtausbeute von weißen Leuchtdioden der von Halogen-Glühlampen.
Beispiele: Ein LED-Stahler mit weißem Licht und der bekannten Bauform MR16, Sockel GU 10, Durchmesser ca. 5 cm, Betriebsspannung 230 V erreicht mit 20 weißen LEDs und einer elektrischen Leistungsaufnahme von 1,25 W eine Beleuchtungsstärke von 95 Lux. Laut Herstellerangaben beträgt die Lebensdauer > 35000 h. Preis im Sept. 2004 ca. 15 Euro. Eine leistungsfähigere Variante in gleicher Bauform mit 18 weißen LEDs und einer elektrischen Leistungsaufnahme von 3,2 W erreicht eine Beleuchtungsstärke von 240 Lux. Laut Herstellerangaben beträgt die Lebensdauer > 50000 h. Preis im Sept. 2004 ca. 20 Euro.
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.
Siehe auch
- Foto einiger Leuchtdioden
- Foto einiger Leuchtdioden, links Leuchtdioden in einer 7-Segment-Anzeige
