So funktionieren LEDs

Die Abkürzung LED steht für die englische Bezeichnung "light-emitting diode", also Licht-emittierende Diode, kurz: Leuchtdiode. 1962 erstmals industriell gefertigt und auf den Markt gebracht, hat die LED seither nachhaltig revolutioniert, wie die Menschen leben und arbeiten, und alle anderen vormals etablierten Lichttechnologien an den Rand gedrängt. Die kontinuierliche Weiterentwicklung macht die Bauteile dabei immer effizienter, variabler und kostengünstiger.

Aufbau und Funktion einer LED

Das Herzstück stellt der sogenannte LED-Chip dar. Er besteht aus einer negativ dotierten und einer positiv dotierten Schicht eines zur gewünschten Lichterzeugung geeigneten Halbleiters. Dotieren bedeutet, dass in das betreffende Halbleitermaterial gezielt ein geringer Anteil Fremdatome eingebracht wird, sodass einerseits für einen Überschuss und andererseits für einen Mangel an Elektronen gesorgt ist. Hierdurch lässt sich die elektrische Leitfähigkeit wohlberechnet so beeinflussen, wie für den jeweiligen bestimmten Zweck benötigt.

Der Chip befindet sich in einer metallischen Reflektorwanne verbaut, deren Innentrichter zum einen das aus der Halbleiterquelle austretende Licht sammelt, reflektiert und damit in eine Richtung lenkt, deren Korpus zum anderen die entstehende Wärme aufnimmt und ableitet. Dies ist erforderlich, weil bei Stromdurchfluss nur ein Teil der elektrischen Leistung in Licht umgesetzt wird, der Rest aber in Wärme. Entstehen zu hohe Temperaturen, verringert dies den Wirkungsgrad des Bauteils und verkürzt seine Lebensdauer.

Über einen dünnen, sogenannten Bonddraht wird der Pluspol, die Anode, mit dem Chip verbunden. Der Minuspol, die Kathode, ist an der Reflektorwanne angebracht. Bei angelegter Spannung an den Polen kann nun Strom durch das Bauteil fließen. Elektronen wechseln von der negativ dotierten in die positiv dotierte Halbleiterschicht und gehen dort Verbindungen ein, was wiederum Energie freisetzt, die unter anderem in Form von Licht abgegeben wird.

So entsteht farbiges Licht

LEDs erzeugen monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge. Welche Farbe das im Einzelfall ist, hängt wesentlich vom Halbleitermaterial selbst ab sowie von den genauen physikalischen Auswirkungen der speziellen Dotierung und des Stromflusses. Das Spektrum reicht dabei über das sichtbare Licht hinaus - bis hin in die tieffrequenten Bereiche von Infrarot (beispielsweise für Fernbedienungen) und die hochfrequenten von Ultraviolett (etwa zu Sterilisierungszwecken gebraucht).

Typische Halbleiter, die häufige Verwendung finden, sind:

Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) - rot

Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) - orange

Galliumarsenidphosphid (GaAsP) - gelb

Galliumphosphid (GaP) - grün

Galliumnitrid (GaN) - blau

Indiumgalliumnitrid (InGaN) - violett

So entsteht weißes Licht

Weiß ist keine Lichtfarbe, die monochromatisch erzeugt werden kann. Vielmehr entsteht Weiß durch eine geeignete additive Farbmischung, bei der entsprechend mehrere unterschiedliche Farbquellen beteiligt sein müssen. Dies erfordert dann entweder Einzeldioden besonderer Bauweise oder alternativ mehrere Dioden im Zusammenspiel.

So nutzt man das Lumineszenz-Verhalten bestimmter Stoffe aus. Eine blaue LED wird mit einer dünnen Phosphor-Schicht überzogen. Die Energie des ausgehenden Lichtes regt das Phosphor zu gelbem Leuchten an, und aus der entstehenden Mischung von Blau und Gelb ergibt sich Weiß. Die Variation bei der Dicke der Phosphorschicht sorgt gegebenenfalls für einen Gelb- oder Blaustich, sodass das erzeugte Licht wärmer oder kälter wirkt.

RGB-LEDs, wie sie in Bildwiedergabegeräten benutzt werden, kombinieren separate, eng nebeneinanderliegende rote, grüne und blaue Leuchtdioden, um die verschiedenen Farben darzustellen. Rot, Grün und Blau bei gleicher Leuchtintensität mischt sich hier zu Weiß.