LED-Technologie

Technische Grundlagen und Geschichte der LED

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Leuchtdioden und wie sie funktionieren

Eine LED liefert im Gegensatz zu anderen Lichtquellen ein nahezu monochromatisches Licht mit hoher Farbsättigung. Die Konversion der Lichtenergie aus dem Halbleiterkristall basiert dabei auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz. Moderne LED Technologie vereint die Vorzüge einer kompakten Bauweise mit hoher Energieeffizienz und, bei gutem Thermomanagement, eine Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden.

Die Energieumwandlung in der Glühlampe findet durch Glühemission statt. Dabei wird elektrische Energie in Gitterschwingungen der Moleküle gewandelt. Diese Lichtenergie hat dann aber einen hohen Anteil in Infrarotbereich.

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Bei der LED finden statt dessen Elektronenübergänge zwischen Atom- und Energieniveaus statt, die im Halbleiterkristall als Energiebänder vorliegen. Damit sind nur Strahlungsquanten mit einer dem Energieabstand entsprechenden Wellenlänge (Farbe) möglich, was zu einer monochromatischen Farbemission der LED führt.

Die Farbe wird also durch die chemische Zusammensetzung bei der Fertigung des Wafers definiert. Als Basis dienen -dabei Elemente aus der dritten und -fünften Hauptgruppe des Periodensystems. Typisch für diese Gruppe sind GaAs in InP.

Aber erst die Zugabe von anderen Elementen (Dotierung) macht daraus einen leitfähigen Halbleiter (PN-Übergang). Die durch elektrische Spannung angeregten Elektronen wandeln ihre Energie im Bereich des PN-Überganges Rekombination in sichtbares Licht um.

Eine genaue Beschreibung dieses Vorganges erfordert einen tiefen Einstieg in die Festkörperphysik und kann dem Leser an dieser Stelle nicht zugemutet werden. Zur Ergänzung sei erwähnt, dass InGaN für die Farben Blau (Weiß) und Grün, sowie AlInGaP für die Farben Gelb, Orange und Rot zuständig sind.

Wie das weiße Licht der LED entsteht

Es gibt keinen Halbleiter, der mehrere Farben gleichzeitig erzeugen kann. Daher benutzt man zur Erzeugung von weißem Licht aus der LED ein ähnliches Prinzip wie in der Leuchtstoffröhre. Das kurzwellige Spektrum einer blauen LED regt die Leuchtstoffe mit gelbgrünen Spektralbereich zum leuchten an. Zusammen ergibt das ein Mischspektrum in der gewünschten Farbe weiß. Als Leuchtstoff werden komplizierte Mischungen aus Phosphor verwendet, die von den Firmen alle durch weltweite Patente geschützt sind.

Moderne Phosphormischungen erlauben es heute, LEDs in Farbtemperaturen zwischen 2700 und 10.000 K bei einem Farbwiedergabeindex Ra > 90 herzustellen.

Ein anderer Ansatz zur Erzeugung von weißem Licht aus der LED besteht darin, wenn mehrere monochromatische Chips der Grundfarben Rot, Grün und Blau verwendet werden. Durch Mischung dieser Grundfarben im richtigen Verhältnis kann ebenso weißes Licht erzeugt werden, das ähnlich dem Farbfernsehprinzip funktioniert.

Nachteile dieser Methode sind jedoch niedrige Farbwiedergabeindizes und niedriger Wirkungsgrad sowie höhere Kosten bei der Herstellung.

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