Leuchtdiode

Eine Leucht- oder Lumineszenzdiode (LED) ist ein Halbleiterbauelement der Optoelektronik, das nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz Licht emittiert. Die Elektrolumineszenzdiode wandelt durch elektrischen Strom zugeführte Energie direkt in Licht um. Darunter versteht man die Fähigkeit von Halbleitern Elektronen mit gleichzeitiger Abstrahlung von Photonen zu verlagern. Dies geschieht durch einen Elektronen- oder Quantensprung von einer Schale des Bohrschen Atommodells auf eine andere. Ein Quantensprung erfolgt immer unter Aufnahme oder Abgabe der Energiedifferenz.

Beim Quantensprung und dem damit in Zusammenhang stehenden Übergang von einer höheren in eine niedrigere Energiestufe, wird Energie in Form eines Photons abgegeben. Den Prozess der wechselseitigen Aufnahme von Energie und späterer Rückkehr in den Urzustand unter Abstrahlung von Licht (Photonen) nennt man Lumineszenz.

Leuchtdioden, Farben und Halbleitermaterialien

Leuchtdioden, Farben und Halbleitermaterialien

Für diese Photonen-Emission werden Halbleiter aus der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems benutzt. Es sind die III-V-Verbindungshalbleiter. Das sind Nitrate wie Galliumnitrid (GaN) oder Indiumnitrid (InN), Phosphide wie Galliumphosphid ( GaP) oder auch Arsenide wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumarsenid (InAs). Diese Halbleiter oder Kombinationen daraus bestimmen die Farbe der Lichtemission.

Leuchtdiode (LED), Foto: Philips

Leuchtdiode (LED), Foto: Philips

Da das Lichtspektrum von Leuchtdioden relativ schmalbandig ist, ist die Lichtemission immer farbig. Eine White LED, die weißes Licht emittiert, kann durch dreifarbige LEDs mit additiver Farbmischung von rot, grün und blau emittierenden LEDs nachgebildet werden, oder durch die Kombination einer blau emittierenden Leuchtdiode mit einem gelben Phosphor. Die additive Farbmischung von blau und gelb ergibt weiß. Die Farbtemperatur liegt bei etwa 5.600 Kelvin. Es gibt auch Leuchtdioden-Arrays mit einstellbarer Farbtemperatur, die das Tageslicht von 6.500 Kelvin erzeugen können.

LED-Anwendungen: Optische Übertragungstechnik, Statusanzeigen, Displays und Drucker, Automotive- und Beleuchtungstechnik

Leuchtdioden werden ebenso wie Laserdioden in der Kommunikation als Lichtquelle für die Übertragung in optischen Medien benutzt, darüber hinaus als Statusanzeigen, in LED-Displays, in der Beleuchtungstechnik und der Automotive-Technik. Wichtige Kennwerte von Leuchtdioden sind der Lichtstrom sowie die im Bin-Code zusammengefassten Kennwerte für das Farb- und Helligkeitsempfinden. Weitere Kennwerte sind die Lichtausbeute, der Wirkungsgrad und die LED-Lebensdauer.

Kennlinie einer roten LED

Kennlinie einer roten LED

Bei den in der optischen Übertragungstechnik eingesetzten LEDs liegt die Abstrahlfläche zwischen 50 µm und 100 µm und darüber. Sie werden daher primär in Multimodefasern eingesetzt. Da die Abstrahlung größer ist als der Kernglasbereich, spricht man bei der LED-Einkopplung von Overfilled Launch (OFL). LEDs haben eine gewisse Trägheit bei der optischen Signalgenerierung, die auf ihre Schalthysterese zurückzuführen ist. Sie können bei Datenraten von bis zu 100 Mbit/s eingesetzt werden. Für hochbitratige Anwendungen wie sie in 10-Gigabit-Ethernet vorkommen, sind sie nicht geeignet. Entsprechende Datenraten werden von VCSEL-Laser abgedeckt.

Kennwerte und Einsatzgebiete von LEDs

LEDs auf der Halbleiterbasis Galliumarsenid (GaAs) strahlen auf einer Wellenlänge von 850 nm. Es gibt sie aber auch in anderen Dotierungen für die Wellenlängen bei 1.300 nm und 1.500 nm. Die typischen Ausgangsleistungen liegen bei 1 mW, die Koppelverluste bei -17 dB.

Spektralverteilung 
   von Laser- und Leuchtdiode

Spektralverteilung von Laser- und Leuchtdiode

Leuchtdioden erzeugen diffuses (inkohärentes) Licht, das in einem relativ großen Ausstrahlbereich zwischen 40 Grad und 90 Grad abgestrahlt wird. Die spektrale Fensterbreite beträgt 70 nm und kann mit Modulationsfrequenzen von bis zu ca. 250 MHz moduliert werden. Die generierbaren Impulsanstiegszeiten liegen bei 1 ns, wodurch der Einsatz bei Übertragungsraten von 1 Gbit/s begrenzt ist.

Energieeffizienz und Farbwiedergabe von LEDs

Leuchtdioden werden auch für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays entwickelt und als Power-LEDs zunehmend als LED-Beleuchtung von Wohnräumen, Ladenlokalen, Sälen und der Automotive-Technik in Form von LED-Leuchten, LED-Spots und LED-Scheinwerfern eingesetzt. Die bereits zur Verfügung stehenden lichtstarken Leuchtdioden haben eine Beleuchtungseffizienz von über 150 Lumen pro Watt und eine Lichtausbeute von bis zu 8.000 cd/m2. Von der Helligkeit her liegen diese Werte bereits im Bereich einer 20-W-Halogenlampe, hinzu kommt, dass der Farbwiedergabeindex (CRI) bei 95 und höher liegt und somit bestens für die Beleuchtung von Wohnräumen geeignet ist. Ihre Lebensdauer liegt je nach Kühlung zwischen 50.000 und 100.000 Stunden, wobei damit die Zeitspanne gemeint ist, nach der die Helligkeit auf 70 % oder 50 % (Hersteller-abhängig) der Anfangshelligkeit abgefallen ist.

Als Weiterentwicklungen sind Organic Light Emitting Diodes (OLED), polymere LEDs (PLED), UV-LEDs, die in der UV-Oberflächenbehandlung eingesetzt werden, und die AC-LEDs für die Raumbeleuchtung zu nennen, die direkt an das Stromnetz angeschlossen werden können. In diesem Zusammenhang sind auch Infrarot-LEDs (IR-LED) zu nennen, aus denen die LEDs für sichtbares Licht hervorgegangen sind. Neben den monochromatisch leuchtenden Leuchtdioden, gibt es noch zweifarbig und dreifarbig leuchtende, Bi-color LEDs und Tri-color LEDs.

Reklame: Alles rund um Elektronische Bauelemente.
Informationen zum Artikel
Deutsch: Leuchtdiode
Englisch: light emitting diode - LED
Veröffentlicht: 09.11.2019
Wörter: 724
Tags: Aktive Bauelemente
Links: 10-Gigabit-Ethernet, Abstrahlfläche, Automotive-Technik, Beleuchtung, Bin-Code