LED - Funktionsweise der Diode - Leuchtdiode

Die LED (Light Emitting Diode) entspricht prinzipiel dem Aufbau einer Diode und wird in Durchlassrichtung betrieben.

Dioden senden grundsätzlich bei der Rekombination Wellen aus, nur waren sie bisher im Infraroten Bereich und wurden zudem durch den undurchsichtigen Stoff absorbiert. Ca 1963 wurde dieses Phänomen zur Signallichterzeugung erstmals genutzt. Nebenstehend ist das Schaltbild der Diode und Ihrerem P-N Aufbau dargestellt.

Ein P-N Übergang entsteht durch das aneinanderfügen von zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern. Ein Halbleiter wird dadurch Charakteriesiert, das er vier Elektronen auf der äußeren Elektronenbahn aufweist. Damit kann er perfekt sich mit vier weiteren Atomen verbinden. Leider sind dann keine Ladungsträger frei die einen Stromfluss erlauben würden.

Wenn man aber einen Halbleiter wie Silizium mit einem Atom das fünf Elektronen auf der äußeren Bahn aufweist verunreinigt, so ist ein Elektron zum Stromfluss verfügbar. Solche Atome nennt man Donatoren.

Verunreinigt man den Siliziumkristall mit einem Atom wie Bor (Akzeptoren) mit nur drei Bindungsarmen, so fehlt ein Ladungsträger. Man spricht von Löchern. Auch Positive Ladungsträger wie dieses Loch können einen Stromfluss ermöglichen.

Treffen nun beide Stoffe aufeinander, so werden sich in der Grenzschicht die freien Elektroden in die Löcherplätze einfinden und somit ist dieser Körper elektrisch neutral und auch nicht leitend.

Beaufschlagt man eine Spannung in Sperrrichtung, so wird diese Schicht immer breiter. Ein Strom kann sich nicht einstellen, bis die Spannung wesentlich gräßer wird und dann ein "Überschlag" auftritt.

WIrd die Spannung in Flussrichtung angelegt, benötigt man eine eine kleine Spannung um die Sperrschicht zu überwinden. Dannach stellt sich ein Stromfluss ein.

Typische Kennlinie einer Diode und damit im Prinzip auch einer Leuchtdiode.

Anhald des Ersatzschaltbild der Diode läßt sich das Bauteil und die Kennlinie gut erklären. Ist einmal die Spannung der Quelle (Sperrschicht) überwunden, kann ein Strom abhängig vom Wiederstand des Halbleitermaterials Rs fließen.

In Sperrichtung verhindert das als Ideal angenommene Ventiel den Stromfluss.

In der Sperrschicht (P-N-Übergang) wird durch Rekombination der Ladungsträger Photonen freigesetzt. Dabei ist die Wellenlänge proportional zu der Schichtdicke der verbotenen Zone

des P-N-Übergangs. Da diese Zone in den Abmessungen konstant ist, ist auch die Wellenlänge konstant, was bedeutet, dass es sich hier um einen monochromatischen Strahler handelt. Im Gegensatz zu einer Laserdiode mit ihren Resonatorspiegeln und entarteten Dotierungen ist das Licht der LED inkohärent.

Um verschiedene Farben zu erhalten, werden verschiedene Halbleiterkristalle ausgewählt, die durch die Stoffzusätze verschieden große, verbotene Zonen ausbilden.

Dadurch müssen verschieden große Energien für die Rekombination der Ladungsträger aufgebracht werden

und damit letztendlich verschiedene

Licht-Wellenlängen abgegeben werden.

Schlussfolgerung:

-Eine LED emittiert Licht in nur einem sehr engen Band einer bestimmten Farbe.

-Weißes Licht kann nur über Umwege erzeugt werden.

-Es treten keine anderen Strahlungen wie IR oder UV auf.

-Als Festkörper ist die LED stoß- und vibrations-unempfindlich.

Charakteristisch ist das Emmitieren eines sehr schmalen Bandes wie die folgende Tabelle noch mal untermauert. Diese schmalen Bänder sind auch der Grund weshalb die LED Beleuchtungsstärke nicht einfach mit einem Luxmeter gemessen werden kann. Siehe dazu Messtechnik

Quelle: Physik für Inenieure Auflage 2002

Quelle: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.
 

Quelle: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.
 

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