LED
Leuchtdiode oder Lichtdiode (andere Bezeichnungen: elektrolumineszierende Diode, LED, seltener leuchtende Diode, strahlende Diode, Diode mit Lichtabstrahlung, umgangssprachlich LED, engl. light-emitting diode) ist eine Halbleiterbauelement, das bei Durchgang des elektrischen Stroms in Durchlassrichtung engspektrales Licht abstrahlt. Das Leuchten entsteht durch rekombinierende Elektron-Loch-Paare und ist eine Form der Elektrolumineszenz. Die Farbe des abgestrahlten Lichts hängt von der Struktur der PN-Schicht und vom verwendeten Material ab.
Die Entwicklung von LED und Laserdioden wurde durch Forschung an Halbleiterheterostrukturen ermöglicht, an der der russische Wissenschaftler Zhores Ivanovich Alferov arbeitete. Die erste praktisch verwendbare LED wurde 1962 vom amerikanischen Wissenschaftler Nick Holonyak entwickelt.
Am günstigsten herzustellen sind Infrarot-Dioden, danach am günstigsten leuchtende sind rote. Grün sind um etwa 20 % teurer als rot. Blau sind laut Hersteller mehrfach teurer als rot, doch ihre Preise fallen in letzter Zeit rapide.
Eine eigenständige konstruktive Kategorie bilden OLED (organische LED).
Arten von LED
Ultraviolette (UV) LED
LED, deren Spitze des Abstrahlungsdiagramms unter 420 nm liegt, heißen UV LED. Produktionsverfahren (freie Patente für den Markt und aus Sicherheitsgründen) erlauben nicht, UV LED mit Leistung über 10 mW herzustellen. In Geschäften ist es am häufigsten möglich, UV LED mit Wellenlängen 380 – 420 nm und 320 – 370 nm zu erhalten.
Infrarote (IR) LED
Das Abstrahlungsdiagramm dieser LED hat eine Leistungsspitze über 680 nm. Da das menschliche Auge (die Pupille ist nicht in der Lage, Strahlung mit Wellenlängen über 1 400 nm zu durchlassen) und im Grunde die gesamte Physiologie des Menschen auf IR-Strahlung immun ist, ist es möglich, IR LED mit Leistungen weit über 10 mW zu beziehen. Üblicherweise werden IR LED mit Wellenlängen 680 – 750 nm und 870 – 950 nm verkauft, die als Quellen für IR-Strahlung in Fernbedienungen geeignet sind. Das Licht dieser Dioden ist nicht mit dem bloßen Auge beobachtbar, doch es ist beispielsweise durch ein digitales Fotoapparat, das auf IR-Licht sensitiv ist, zu sehen.
Jede LED, die nur aus einem Typ Halbleiters hergestellt wird, hat ihre charakteristische Wellenlänge, auf der sie Licht emittiert (meist bestimmt durch die Breite des verbotenen Halbleiterbands). Diese Wellenlänge kann man „einstellen“ durch den verwendeten Typ Halbleiters (d. h. durch das Verhältnis des Inhalts der einzelnen Elemente – Bestandteile – des Halbleiters) und bei einigen Halbleitern (GaN) auch durch die Änderung des Inhalts des Dotierungsstoffes. So kann man LED mit demselben Substrat in einem breiten Spektrum von Wellenlängen herstellen. Praktisch ist es möglich, LED herzustellen, die Licht mit Wellenlängen von 250 bis 3 500 nm emittieren. LED mit nur einer Leistungsspitze heißen monochromatische LED. Das spektrale Diagramm des abgestrahlten Lichts hat in diesen Fällen die Form einer Gaußschen Kurve, die nicht breiter ist als +/-25 nm. Monochromatische LED emittieren mindestens 90 % der gesamten Strahlungsleistung im Bereich von maximal +/-10 nm. Reale LED haben jedoch nicht vollständig ideale spektrale Diagramme und bei einigen Typen zeigen sich auch sekundäre Maxima auf anderen Wellenlängen. Doch diese sekundären Maxima machen weniger als 1 % der gesamten Leistung aus.
Es gibt zwei grundlegende Arten, um mit LED hochintensives weißes Licht zu erzeugen. Eine verwendet einzelne LED, die Grundfarben – rot, grün, blau – emittieren, und durch Mischen entsteht weißes Licht. Die zweite verwendet phosphorhaltiges Material, das monochromatisches Licht von blauer oder ultravioletter LED in breitbandiges weißes Licht umwandelt.
RGB LED
Der erste Typ besteht aus drei monochromatischen LED, die Strahlung in den Farben rot, grün, blau emittieren. Solchen LED sagt man RGB LED (von den englischen Abkürzungen für red, green, blue). Ihre Besonderheit ist die Möglichkeit, die Leistungen der einzelnen Komponenten (der einzelnen monochromatischen LED) zu regulieren, und so nicht nur weißes Licht, sondern auch das gesamte Farbspektrum im Bereich der äußeren Komponenten der RGB LED zu erzeugen.
Fluoreszierende LED
Der zweite Typ weißer LED basiert auf der Umwandlung der Wellenlänge des emittierten Lichts einer klassischen monochromatischen LED in ein breitbandiges kontinuierliches Spektrum, dessen Energie ungefähr gleichmäßig über das gesamte Spektrum verteilt ist. Die Wellenlängenänderung wird in der Schicht des Lumineszenzmaterials (Fluoreszenzmaterial) erreicht. Als anregende monochromatische LED wird eine hochleuchtende blaue LED verwendet. Doch ihre Verwendung bringt auch einen kleinen Nachteil solcher LED mit sich. Die Wellenlänge der anregenden LED zeigt sich als primäres Maximum des spektralen Abstrahlungsdiagramms, doch die abgestrahlte Energie fällt nicht bis auf Null ab (in Richtung der roten Farbe), sondern nach einem leichten Abfall erreicht sie ein sekundäres (niedrigeres und breiteres) Maximum irgendwo in der Nähe von 560 nm (orangefarbene Farbe), was durch das Abstrahlungsspektrum des verwendeten Lumineszenzmaterials bedingt ist. Danach fällt es allmählich bis auf Null ab, was meist erst an der Grenze des VIS/IR-Strahlung erreicht wird. Daraus folgt ein bläulicher bis grünlicher Schimmer des abgestrahlten weißen Lichts. Je besser die weiße LED ist, desto weniger auffällig ist dieser Schimmer.
Leistungsstarke, hochleuchtende LED. Die Basis dient gleichzeitig als Kühlkörper des Chips.
Eine gewöhnliche LED hat eine Strahlungsleistung weit unter 5 mW. Das ist dadurch bedingt, dass die entstehenden Elektron-Loch-Paare in der PN-Schicht im homogenen Halbleiter bei zunehmendem Strom eine Tendenz zur nichtstrahlenden Rekombination (d. h. ihre Energie wandelt sich in Wärme) haben, und die Schicht überhitzt. Dadurch ist die Stromdichte an der Schicht begrenzt, und da die Halbleiter, aus denen LED hergestellt werden, eine relativ hohe Fehlerdichte haben, ist aufgrund von Ausbeute und Zuverlässigkeit die maximale mögliche Chipfläche auf einige mm² begrenzt, was auch die Gesamtstromstärke durch den Chip begrenzt. Von außen betrachtet, sieht das elektrisch so aus, als wäre die limitierende physikalische Eigenschaft der Serienwiderstand und die Steilheit der V-A-Kennlinie im offenen Zustand. Wenn wir LED zwingen, mehr Licht abzustrahlen, müssen wir die Versorgungsspannung erhöhen, was auch den durch die LED fließenden Strom erhöht. Nach dem Überschreiten des kritischen Stromwerts kommt es zur Degradation der PN-Schicht und faktisch zu ihrem Schmelzen aufgrund der hohen Temperatur (mehr als 1 000 °C). Deshalb wurden Technologien entwickelt, um die Leistung der LED weit über die Grenze von 5 mW abgestrahlter Leistung hinauszutreiben. Um höhere Leistungen zu erreichen, werden Halbleiter mit geringerer Steilheit der V-A-Kennlinie und mit breiteren PN-Schichten oder durch Parallelisierung der PN-Schichten aggregiert (geschichtete PN-Schichten) auf demselben Chip verwendet. Weiterhin werden mehrfach-PN-Schicht-LED konstruiert, die zwar auf Kosten der Erhöhung der Versorgungsspannung, aber die resultierende Leistung erhöhen. Die wichtigste Veränderung ist jedoch die Verwendung sogenannter Heteroschichten (d. h. P- und N-Schichten bestehen aus verschiedenen Halbleitern), bei denen eine höhere sogenannte Injektionswirkungsgrad erreicht werden kann, wodurch mehr Elektron-Loch-Paare bei hohen Strömen strahlend als nichtstrahlend rekombinieren. Heute kann man LED mit Leistungen von mehr als 1 W beziehen. LED, die eine Helligkeit von mehr als 100 mCd erreichen, heißen hochleuchtende (ultrabright) LED.
Laserdiode
Laserdiode in der Hülse
Der eigentliche Chip der Laserdiode (zum Vergleich auf das Ohr einer Nadel gelegt)
Laser-LED sind nicht vollständig laserartig. Obwohl ihr Licht auf der Grundlage der angeregten Emission entsteht, können sie nicht als richtiger Laser, sondern nur als Quelle für Laserlicht betrachtet werden. Aus der Definition des Laserlichts ist klar, dass laserartige LED höhere Anforderungen an die Parameter als klassische LED haben. Vor allem haben laserartige LED eine schmalere Bandbreite, in der sie strahlen (max. +/-5 nm). Die Richtung und Divergenz des abgestrahlten Strahls der LED oder der rohen laserartigen LED (ohne Resonator oder mit beschädigtem Resonator) ist ungefähr gleich (doch im Fall der laserartigen LED ist sie in eine Ebene konzentriert, je nachdem, wie die geschichteten PN-Schichten der laserartigen LED angeordnet sind). Laserdiode werden in zwei Anordnungen hergestellt: abstrahlend von der Kante (edge emitting), bei denen der Resonator durch die natürliche Bruchkante des Chips gebildet wird; und abstrahlend von der Oberfläche (VCSEL – vertical cavity surface emitting laser), bei denen der Resonator durch sich abwechselnde Schichten von Halbleitern unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet wird, die einen Bragg-Reflektor unter und über der strahlenden Zone (d. h. der PN-Schicht) bilden. Manchmal werden laserartige LED in externe Resonatoren eingefügt. Das grundlegende Problem der Laserdiode ist die Kühlung und Stabilisierung der Leistung (die, genau wie bei LED, stark von der Temperatur abhängt).
Beide Gruppen – Licht- und Laserdiode – werden aus intermetallischen Legierungen (Halbleiterverbindungen) hergestellt, meist aus Siliziumcarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP) oder aus Legierungen des Typs Galliumarsenid-Phosphid (GaAsP) und anderen.