Wie funktioniert eine LED?

Die LED. Kleiner, heller und zugleich effizienter und langlebiger als alles, was die Wissenschaft bisher ans Tageslicht befördert hat. Wie dieses kleine Wunderwerk der Technik funktioniert, erfahrt ihr jetzt bei Brainfuck. LED, Light Emitting Diode, also eine Diode, die Licht erzeugt, kurz Leuchtdiode. Grundsätzlich besteht diese aus folgenden Bauteilen. Zwei Anschlussdrähte, zum einen die Kathode, die positive Ladungsträger anzieht und demnach selbst negativ geladen ist und zum anderen die Anode, die negative Ladungsträger anzieht und damit positiv geladen ist. Beide Drähte stecken in einer Kunststoffkapsel, die das emittierte Licht verteilt und zugleich als Schutz für die folgenden Bauteile dient. Ein sehr feiner, so genannter Bond-Draht verbindet die Anode mit der Kathode, aber nicht direkt, sondern mit einem winzigen Kristall, der sich in einer Reflektorwanne an der Kathode befindet. Dieser fast schon magische Halbleiterkristall macht die LED nun zu dem, was sie ist und deshalb schauen wir uns den auch genauer an. Ein Halbleiterkristall oder einfach Halbleiter ist ganz allgemein ein Festkörper, der tatsächlich elektrisch halbleitet oder besser gesagt leitet oder isoliert, abhängig von der Temperatur und Lichteinstrahlung, zum Beispiel das Halbmetall Silizium. Atome dieses Elements besitzen vier so genannte Valenzelektronen, die sich ganz außen am Atom befinden. Abzulesen ist die Anzahl der Valenzelektronen an der Hauptgruppe im Periodensystem. Jedes Außenelektron kann nun mit einem anderen Elektron eine Elektronenpaar oder kovalente Bindung eingehen. Mehrere Siliziumatome formen so ein gleichmäßiges Kristallgitter, dessen Elektronen alle gebunden sind. Es sind also keine freien Ladungsträger vorhanden und der Kristall leitet elektrisch nicht, er isoliert also. Durch eine Erhöhung der Temperatur oder durch Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung können die Atome aber in Schwingung versetzt werden, wobei sich nach und nach Elektronen aus den Bindungen lösen. Es folgen freie Elektronen und dort, wo diese Elektronen fehlen, so genannte Defektelektronen oder Löcher, die den Halbleiter schließlich elektrisch leitfähig machen. Eine weitere Möglichkeit, um die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters zu verändern, geschieht durch die Verunreinigung des Siliziums mit Fremdatomen, man spricht hier von Dotierung. Zwei unterschiedliche Dotierungsarten können dabei erzielt werden. Zum einen durch die Einbringung von Elektronen, also negativen Ladungsträgern, weshalb man hier auch von N-Dotierung spricht. In die Kristallstruktur des Siliziums werden Atome aus der fünften Hauptgruppe eingebracht, zum Beispiel Phosphor, das enthält demnach auch 5 Verlängselektronen, also 1 mehr als Silizium, weshalb in Bindung ein Elektron ungebunden und damit frei bleibt, ein Elektronenüberschuss besteht. Bei der P-Dotierung werden hingegen positive Ladungsträger, also Löcher, eingebracht. Atome aus der dritten Hauptgruppe werden dazu verwendet, zum Beispiel Aluminium. Da dieses nur drei Valenzelektronen besitzt, werden mit den benachbarten Siliziumatomen auch nur drei kovalente Bindungen eingegangen. Das fehlende Elektron, also das davor besprochene Loch, kann nun als positiver Ladungsträger interpretiert werden und damit besteht ein Elektronenmangel. Und jetzt geht's endlich zur Anwendung. Kombiniert man nun einen n- und einen p-dotierten Halbleiter, dann können dadurch Dioden erzeugt werden, die Strom ja bekanntlich nur in eine Richtung durchlassen. Aber warum? Für die Erklärung brauche ich nun eure volle Konzentration. Liegt an unserem np-Halbleiter keine Spannung an, dann bewegen sich die freien Elektronen des n-Bereichs zu den Löchern des p-Bereichs und umgekehrt. Grund dafür ist zunächst die allgegenwärtige Diffusion, bei der Teilchen in Bereichen hoher Konzentration sich in Bereichen niedriger Konzentration bewegen. Die Elektronen treffen so mit den Löchern zusammen, wobei ihre gegensätzlichen Ladungen sich aufheben. Dieses Zusammentreffen nennt man Rekombination. Und im Bereich der Rekombinationen fehlen folglich die freien Ladungsträger. Keine freien Ladungsträger bedeuten keine elektrische Leitfähigkeit, weshalb der Bereich der Rekombination die Diode sperrt und deshalb Sperrschicht genannt wird. Auf die Diffusion folgt nun ein weiterer physikalischer Prozess, nämlich die Driftbewegung. Diese beschreibt ganz einfach die Anziehung von gegensätzlichen Ladungen und Abstoßung von gleichen Ladungen, ist doch allgemein bekannt. Da der rekombinierte P-Bereich aufgrund der Diffusion positive Ladungsträger und der rekombinierte N-Bereich negative Ladungsträger verloren hat, entsteht zwangsläufig ein elektrisches Feld, welches entgegen der Diffusion und zur Aufrechterhaltung der Sperrschicht zwischen N- und P-dotiertem Halbleiter beiträgt. Schließt man nun eine Spannungsquelle entgegen der Durchlassrichtung der Diode, also in Sperrrichtung, an, dann vergrößert sich die Sperrschicht, da das externe Feld, also die Spannungsquelle, das elektrische Feld der Driftbewegung unterstützt. Einfach gesagt werden die negativen und positiven Ladungsträger weiter in ihre Bereiche gedrückt. Die Diode sperrt. Schließt man die Spannungsquelle nun aber in Durchlassrichtung an die Diode, dann verkleinert sich die Sperrschicht, da das externe Feld, das elektrische Feld der Driftbewegung, vermindert. Ab einer sogenannten Durchlassspannung wird dieses Feld dann komplett aufgelöst, die Sperrschicht also durchbrochen. Aufgrund von Diffusion und der zugeführten Drift durch die Spannungsquelle können die Ladungsträger sich nun ungehindert durch die Diode bewegen und erfahren aufgrund des ständigen Austauschs auch durchgehend eine Rekombination der Elektronen und Löcher. All diese äußerst komplexen Vorgänge, die ich euch nur sehr knapp näher bringen wollte, finden auch in der Leuchtdiode statt, insbesondere die besprochene Rekombination. Was ich nämlich noch nicht erwähnt hatte, ist, dass bei diesem Zusammentreffen von Elektronen und Loch Energie frei wird. Während bei der normalen Diode diese Energiefreisetzung in Form von Wärme stattfindet, werden bei der LED Photonen abgegeben, also die Lichtteilchen, aus denen sich die elektromagnetische Strahlung zusammensetzt. Je nachdem, welche Halbleitermaterialien und Dotierungen nun verwendet werden, unterscheidet sich die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung und somit die Farbe des Lichts. Seit der Entwicklung der ersten LED im Jahre 1962 wurden bereits so viele Materialsysteme gefunden und erforscht, dass mittlerweile jede beliebige Farbe mit LEDs imitierbar ist, sogar infrarote und ultraviolette Strahlung. Häufig anzutreffen sind dabei das Aluminium-Gallium-Acenit für Rot, Galliumphosphit für Grün, Gallium-Acenit-Phosphit für Gelb und Indium-Gallium-Nitrit für Blau. Doch wie sieht es mit weißen LEDs aus, der wohl wichtigsten Variante zur Beleuchtung? Wie uns die additive Farblehre beigebracht hat, besteht weißes Licht aus einer Überlagerung des gesamten Farbspektrums bzw. der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau. Und das ist auch sogleich die erste Variante, wie weiße LEDs ermöglicht werden, nämlich mit der gleichzeitigen Verwendung einer roten, grünen und blauen LED. Häufiger zum Einsatz kommt aber die zweite Variante, bei der ein Halbleiterkristall für blaues Licht mit einer Phosphorschicht bedeckt wird. Ein Teil des blauen Emissionslichts wird von den Phosphoratomen aufgenommen und anschließend mit einer größeren Wellenlänge als gelbes Licht wieder abgegeben. Man spricht dabei von Lumineszenz. Da jedoch nur ein Teil des blauen Lichts umgewandelt wird und der andere ungehindert durch die Lumineszenzschicht passieren kann, ergibt die Mischung aus blauem und gelbem Licht das erwünschte Weiß. Doch die volle Farbpalette samt Weiß ist nicht der einzige Vorteil von LEDs. Mit einem mittleren Wirkungsgrad von 33% ist sie rund sechs Mal so effizient wie eine herkömmliche Glühbirne und übertrifft damit sogar Energiesparlampen. Und auch in der Frage der Lebensdauer besticht die Leuchtdiode ganz klar. Sie hält nämlich 100 Mal so lange wie eine Glühbirne und 5 Mal so lange wie eine Energiesparlampe. Und damit nicht genug, auch in Sachen Einschaltverzögerung, Größe und Umweltverträglichkeit hat sie deutlich die Nase vorn. Kein Wunder also, dass die Leuchtdiode mittlerweile eine enorm große Verbreitung findet. Sei es als Infrarot-LED in Fernbedienungen oder Lichtschranken, als Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays, als buntes Signal-LEDs oder einfach zur effizienten Beleuchtung mit weißen LEDs. Aufgrund der genannten Vorteile und der rapide fortschreitenden Entwicklung dürfte es meiner Meinung nach also nur noch eine Frage der Zeit sein, bis die in die Jahre gekommene Glühbirne und Leuchtstoffröhre und womöglich sogar die Energiesparlampe gänzlich durch die Leuchtdiode ersetzt wird. Oder was denkt ihr? Leute, der Brainfuck Teamspeak-Server ist mit dem Release dieses Videos online gegangen. Falls ihr also mit mir, anderen Zuschauern oder auch den Patronen, die den Server erst ermöglicht haben, quatschen wollt, dann schaut gerne bei der Adresse brainfuck.teamspeak.de vorbei. Ich werde den ganzen Abend für euch da sein und würde mich riesig freuen, euch kennenzulernen. Also bis gleich!