Leuchtdioden

Die Lichterzeugung bei Leuchtdioden basiert auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz, weswegen LEDs, in Abrgenzung zu Photo- und Chemolumineszenz, als Elektrolumineszenzstrahler klassifiziert werden. Wie auch bei den Temperaturstrahlern wird an die Leuchtdiode eine elektrische Spannung an den Festkörper (Halbleiter) angelegt. In der Folge emittiert die LED (light emitting diode) monochromatische Wellenlängen im sichtbaren Bereich.

Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode. Folglich haben LEDs prinzipiell identische Eigenschaften wie klassische Dioden. Auch beim Anschluss von Leuchtdioden müssen Durchlass- und Sperrrichtung beachtet werden. Der eigentliche Unterschied liegt bei den eingesetzten Halbleitermaterialen. Während klassische Dioden Halbleiter aus der IV-Hauptgruppe wie Silizium (manchmal auch Germanium oder Selen) nutzen, werden für Leuchtdioden meist  Galliumverbindungen als sog. III-V-Verbindungshalbleiter wie Galliumverbindungen verwendet.

Wird nun elektrische Spannung in Durchlassrichtung an eine Halbleiterdiode angelegt, gehen Elektronen aus dem Bereich mit Elektronenüberschuss („n-Dotierung“) in den Nachbarbereich mit Elektronenmangel  („p-Dotierung“) über.  Beim Übergang zur p-dotierten Seite fällt das Elektron in das energetisch günstigere Valenzband. Dieser Übergang wird als Rekombination bezeichnet. Der Prozess der Rekombination setzt Energie in Form von Photonen frei. Dabei lässt die Energie der Bandlücke den Umkehrschluss auf die angelegte Durchlassspannung der LED zu. Abhängig vom eingesetzten Halbleiter sind dies zwischen 1,5 – 4 V. Die freigesetzte Lichtenergie entspricht monochromatischen Wellenlängen im sichtbaren Bereich. Tatsächlich ist der abgestrahlte Wellenlängenbereich (und somit der wahrgenommene Farbeindruck) wesentlich vom jeweiligen Halbleitermaterial abhängig. Einige typische, häufig verwendete Halbleitermaterialien und die dazugehörigen Spektralbereiche („Farben“) sind:

  • Galliumarsenidphosphoid (ca. 620 – 760 nm, „rot“)
  • Galliumnitrid (ca. 500 – 570 nm; „grün“)
  • Aluminiumgalliuminidiumphosphid (ca. 590 – 610; „orange“)
  • Zinkselenid (ca. 450 – 500 nm; „blau“)

Da Leuchtdioden grunsätzlich monochromatisches Licht emittieren, war die Erzeugung von weißem LED-Licht lange Zeit problematisch. Weißes Licht kann nicht aus einem derart stark reduzierten Wellenlängenbereich des elektromagentischen Spektrums entstehen. Vielmehr sind dem grundsätzlichen Verständnis nach viele Einzelfarben notwendig, welche sich zu weißem Licht zusammensetzen. Zwei verschiedene Ansätze kommen gegewärtig bei der Realisierung weißer LEDs zum Einsatz: Zum einen kann über das Prinzip der additiven Farbmischung weißes Licht erzeugt werden. Durch die Kombination verschiedenfarbiger LEDs („rot“, „grün“, „blau“) wird weißes Licht „gemsicht“. Diese sog. Multi-LEDs kommen bspw. bei Anwendungen wie Videoleinwänden zum Einsatz. Bei einer größeren Distanz kann der Zuschauer die Vielzahl der einzelnen Bildpunkte nicht mehr erkennen. Zum anderen können weiße LEDs durch photolumineszierenden Farbstoff realisiert werden. Man spricht von sog. PC-LEDs („phosphor-converted“), eren Funktionsprinzip dem einer Leuchtstofflampe ähnelt. Hierbei werden blaue Leuchtdioden mit einem photolumineszierenden Farbstoff an der Innenseite der LED-Abdeckung kombiniert, wodurch langwelliegeres gelbes Licht abgestrahlt wird. Auch hier macht sich der Anwender die additibe Farbmischung zu nutze: Der entstehende Farbeindruck aus den blauen und gelben Spektralfarben erzeugt weißes Licht.

Anders als bei Temperaturstrahlern oder bei Gasentladungslampen wird die freigesetzte Energie zu einem sehr großen Teil in sichtbares Licht umgesetzt. Neben ihrer Energieeffizienz sind die kleine Bauform, die robutste und nahezu erschütterungsunanfällige Ausführung sowie die hohe Lebensdauer als grundlegende Vorteile des Leuchtmittels zu nennen. Durch die Reflektorwanne und den Einsatz von Linsen in den Kunststoffgehäusen der LEDs kann der Abstrahlwinkel über einen weiten Bereich moduliert werden. Mittels Puls-Weiten-Modulation kann die Helligkeit der Leuchtdioden gesteuert werden. Das Verfahren macht sich die Trägheit des menschlichen Auges zu nutze, indem nicht eigentlich die Helligkeit verändert wird, sondern lediglich die Dauer (deswegen häufig auch als „Puls-Dauer-Modulation“ bezeichnet). Je länger der Strompuls durch die LED andauerd, desto heller erscheint diese. Je größer die Abstände zwischen den einzelnen Strompulsen werden, desto stärker gedimmt erscheint uns die Leuchtdiode. Die Impulsfrequenz liegt dabei in einem Bereich, welchen das menschliche Auge nicht mehr wahrnehmen kann.

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