Wie funktioniert eine LED?

entgegengesetzt geladenen Schichten
Bild 1 (Quelle: Wikipedia)

Leuchtdioden (LEDs) erzeugen ihr Licht aus einem Kristall. Dieser ist ähnlich aufgebaut wie bei den Dioden aus der Elektronik: Er besteht aus zwei entgegengesetzt geladenen Schichten. Auf der einen Seite herrscht ein Überschuss an Elektronen – auf der anderen Seite ein Mangel an Elektronen, so genannte Löcher. Wird dieser Kristall, die Leuchtdiode, nun in Durchlassrichtung betrieben, so dass ein Strom fließen kann, fallen die Elektronen in der Übergangsschicht in die Löcher und geben ihre Energie in Form von Licht ab (Elektrolumineszenz). Diese Übergangsschicht wird auch Sperrschicht genannt.

Überschuss und Mangel an Elektronen wird durch Dotierung mit Elementen aus der 5. bzw. aus der 3. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente erreicht (z. B. Phosphor und Bor). Man spricht auch von n- und p-Dotierung (für negativ und positiv).

Als Grundmaterial für den Kristall werden Verbindungshalbleiter verwendet. Das sind Kristalle, die aus Elementen der 3. und 5. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente bestehen. Beispiele sind für rotes Licht AlGaAs, GaAsP, AlGaInP und GaP, für grünes Licht InGaN, GaP, AlGaInP und AlGaP und für blaues Licht ZnSe, InGaN und SiC.

Die Notwendigkeit unterschiedlicher Materialien für die verschiedenen Farben ergibt sich aus der energetischen Struktur der Halbleiterkristalle: Haben die Elektronen eine niedrige Energie, so können sie sich nicht frei bewegen – sie befinden sich in einem Energiebereich der auch Valenzband genannt wird. Wird die Energie nur etwas größer, so sind die Elektronen noch immer nicht frei. Erst ab einer gewissen Mindestenergie ist freie Bewegung – und somit Stromfluss – möglich. Die Elektronen befinden sich dann in einem Energiebereich, der auch Leitungsband genannt wird.

kleine Bandlücke (links) führt zu roter Farbe oder zu infrarot – eine große Bandlücke (rechts) ergibt blaue Farbe
Bild 2 (Quelle: Wikipedia)

Bei der Rekombination von Elektronen und Löchern, bei der ja das Licht entsteht, fallen die Elektronen vom Leitungs- ins Valenzband – der Energieunterschied wird als Licht mit einer bestimmten Farbe abgegeben. Bei den verschiedenen Halbleitermaterialien ist dieser Energieunterschied – man nennt ihn Bandlücke – unterschiedlich groß. Deshalb ist auch die ausgesendete Lichtfarbe verschieden. Eine kleine Bandlücke führt zu roter Farbe oder zu infrarot – eine große Bandlücke ergibt blaue Farbe oder sogar UV. Dies ist im Bild rechts veranschaulicht.

Technische Details

rote, grüne und blaue LED
Bild 3 (Quelle: Wikipedia)

Um eine beliebige Lichtfarbe zu erzeugen, können eine rote, grüne und blaue LED kombiniert werden. Durch präzises Einstellen der einzelnen Lichtstärken kann man jede Lichtfarbe erhalten – auch weißes Licht. Eine solche RGB LED Lampe benötigt ein spezielles Betriebsgerät, um die einzelnen LEDs präzise und variabel ansteuern zu können.

Bild 4 (Quelle: Wikipedia)

Will man nur weißes Licht erhalten, ist nicht so viel Aufwand zu treiben. Weiße LEDs beinhalten meist eine UV-LED, die mit einer dünnen Phosphorschicht bzw. einer Mischung verschiedener Phosphore bedeckt ist. Durch das UV-Licht der LED wird der Phosphor zum Leuchten angeregt und gibt weißes Licht ab – ganz ähnlich wie bei den Leuchtstoffröhren. Hierfür können auch blaue LEDs und Phosphor verwendet werden. Das dann gelbliche Licht des Phosphors mischt sich additiv mit dem blauen Licht der LED zu weiß. Die genaue chemische Zusammensetzung der Phosphorschicht bzw. der Leuchtstoffschicht bestimmt den genauen Farbton. Neuere Entwicklungen ermöglichen auch ein warmweißes Licht, das dem Licht der Glühlampe erstaunlich ähnlich ist. Diese Prinzipien sind in Bild 4 veranschaulicht.

Farbraum und die zu den Farben gehörende Farbtemperatur
Bild 5 (Quelle: Wikipedia)

Schon heute sind fein abgestufte Weißtöne möglich: von Warmweiß (Farbtemperatur ≥ 2.700 Kelvin) über Neutralweiß (≥ 3.300 Kelvin) bis zu Tageslichtweiß (≥ 5.300 Kelvin). Das folgende Bild zeigt den Farbraum und die zu den Farben gehörende Farbtemperatur. Das weiße Licht solcher LEDs hat auch einen sehr guten Farbwiedergabewert von bis zu Ra ≥ 90. Dieser Wert gibt an, wie gut Gegenstände auch bei künstlicher Beleuchtung in ihrer Farbe wahrgenommen werden. Der maximale Wert von Ra ist 100, was dem natürlichen Sonnenlicht entspricht.

LEDs sind sehr klein – mit einer Kantenlänge von etwa einem Millimeter stellen sie quasi punktförmige Lichtquellen dar. Auf kleinen Mini-Reflektoren positioniert sind Abstrahlwinkel von 15 bis 180 Grad möglich. Die LEDs werden in eine Kunststoffhülle gegossen, die als Schutz und als zusätzliche Optik dient.

Aufbau einer LED
Bild 6 (Quelle: Wikipedia)

LEDs sind sehr effiziente Lichtquellen. Mit einer Lichtausbeute von bereits heute 100 Lumen pro Watt (lm/W) sind sie den Glühlampen (ca. 10 lm/W) und den Halogenlampen (ca. 20 lm/W) deutlich überlegen. Im Labor wurden bereits 200 lm/W demonstriert – und die Entwicklung geht rasant voran!

Neben der Effizienz ist die extrem lange Lebensdauer ein wesentliches Merkmal einer LED. Mit 50.000 möglichen Betriebsstunden kann eine LED Leuchte deshalb sehr lange halten: An einem Arbeitsplatz mit 240 Arbeitstagen im Jahr und jeweils acht Stunden Betrieb hält sie (theoretisch) rund 26 Jahre!

Kennlinie einer weißen LED, schematisch (Quelle: Wikipedia)

Die Lebensdauer hängt jedoch stark von der Temperatur der LED ab: Je kälter die Umgebung, desto effizienter die LED. Bei hohen Temperaturen lässt der Lichtstrom nach und die Lebensdauer verkürzt sich schnell. Deshalb ist das Wärmemanagement bei LEDs sehr wichtig.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie von LEDs verläuft exponentiell. Kleine Spannungsschwankungen verursachen große Stromschwankungen und die Lichtintensität schwankt dann entsprechend stark. Um dies zu verhindern, müssen LEDs mit Konstantstrom betrieben werden.

Typen von LEDs

Eine Leuchtdiode in transparentem Kunststoffgehäuse (Quelle: Wikipedia)
  • Bedrahtete LEDs (bzw. radiale LEDs) waren die ersten erhältlichen LEDs. Der meist nicht sehr leistungsstarke Chip ist durch eine Kunststoffhülle vor Schäden geschützt. Diese LEDs werden hauptsächlich für einfache Signalanzeigen eingesetzt.
  • COB-LEDs (Chip on Board) besitzen “nackte”, d.h. unverkapselte LED-Chips, die direkt auf eine Leiterplatte verklebt und über so genannte Bond-Drähte kontaktiert sind. Sie werden für leistungsstarke, eng bepackte LED-Module eingesetzt.
  • SMD-LEDs (Surface Mounted Devices) sind sehr kleine Produkte für die industrielle Fertigung. Sie sind direkt auf die Leiterplatte geklebt, im Lötbad kontaktiert und verkapselt. Diese Bauform wird am häufigsten in Modulen und Leuchten eingesetzt.
  • LED-Module erlauben ganz neue Designlösungen. In der eingegossenen Variante benötigen sie kein Gehäuse und können z. B. direkt in Boden- oder Deckenkanäle eingesetzt werden. Zu unterscheiden sind lineare, flexible und flächige LED Module sowie LED-Ketten.
  • Retrofit LED-Module gibt es mit Steck- oder Schraubsockel. In den Varianten E14 und E27 mit klassischer Birnenform ersetzen sie die konventionellen Glühlampen und sind mit ihrem warmweißen oder farbigen Licht energiesparende Alternativen im Privatbereich oder im Büro.

Neue LED-Lampengenerationen von Philips und Toshiba gingen im Energiesparlampen-Test der Stiftung Warentest im Februar 2011 noch vor den Kompaktleuchtsfoffröhren, (allgemein mit dem Begriff "Energiesparlampe" am häufigsten assoziiert), als Testsieger hervor.

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