Wie ist eine LED aufgebaut?
LEDs stellen die neueste Entwicklung im Bereich der Beleuchtungssysteme dar. Wie diese genau funktionieren und wie eine LED aufgebaut ist, wird im folgenden Artikel erläutert.
Die Bezeichnung LED steht für den englischen Begriff „light emitting diode“, was ins Deutsche übersetzt „lichtemittierende Diode“ bedeutet. Es handelt sich also um ein lichtemittierendes Halbleiter-Element, dessen elektrische Eigenschaften denen einer Diode entsprechen. Wird elektrischer Strom in Durchlassrichtung durch die Diode geleitet, dann strahlt diese ein Licht aus. Ob es sich dabei um für das menschliche Auge sichtbares Licht oder unsichtbare Infrarotstrahlung bzw. Ultraviolettstrahlung handelt, lässt sich durch das verwendete Halbleitermaterial und dessen Dotierung beeinflussen.
Aufbau und Funktionsweise einer Leuchtdiode
Grundsätzlich sind LEDs relativ einfach aufgebaut. Im Wesentlichen bestehen sie aus folgenden vier Bauteilen:- Kunststoff-Linse, in der sämtliche Bauteile geschützt verbaut sind und die das erzeugte Licht im Raum verteilt.
- LED-Chip, der aus zwei Schichten von Halbleitermaterial besteht.
- Kathode (-), die mit der Reflektorwanne verbunden ist auf der der LED-Chip verbaut ist.
- Anode (+), die über einen Bonddraht mit dem LED-Chip verbunden ist.
Um die Funktionsweise von LEDs nachvollziehen zu können, muss als Erstes die Funktion von Dioden nachvollziehbar sein. Bei Dioden handelt es sich um elektronische Bauelemente, die elektrischen Strom nur in eine einzige Richtung passieren lassen. Diese Eigenschaften macht man sich bei Leuchtdioden zunutze, um Licht zu erzeugen. Der LED-Chip besteht aus zwei Schichten von Halbleitermaterial: Die sogenannte n-Schicht, die einen Überschuss an Elektronen aufweist und die sogenannte p-Schicht, die sich durch einen Mangel an Elektronen auszeichnet. Solange kein Strom fließt, bleiben beide Schichten neutral. Sobald allerdings eine Spannung in Durchflussrichtung angelegt wird, gleichen sich die Ladungsunterschiede in einer Grenzschicht aus. Das bedeutet, dass sich die Elektronen von der n-Schicht mit Elektronenüberschuss in die p-Schicht mit Elektronenmangel bewegen. Dort werden sie eingefangen und geben dabei ihre enthaltene Energie in Form von Lichtblitzen frei. Dieses Licht kann durch die p-Schicht nach außen entweichen und wird über die Reflektorwanne und die Kunststoff-Linse in den Raum abgestrahlt.
Die meisten handelsüblichen LEDs besitzen einen solchen Aufbau, sie werden in Fachkreisen auch als SMD LED (surface mount device) bezeichnet. Eine weitere Variante stellen die sogenannten COB LEDs (chip on board) dar, bei denen der LED-Chip direkt auf der Platine befestigt wird und der elektrische Strom über zwei Bonddrähte zugeführt wird. Auf diese Weise wird eine dichtere Bauweise der Leuchtdioden ermöglicht.
Das von LEDs erzeugte Licht
Das durch die Bewegung der Elektronen freigesetzte Licht besteht aus kleinen Partikeln, die lediglich Energie und einen Impuls aber keine Masse besitzen. Sie werden als Photonen bezeichnet. Die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zum einen kommt es dabei auf die verwendeten Halbleitermaterialien an und zum anderen auf deren Dotierung. Unter Dotierung versteht man das Einbringen von Fremdatomen in eine Schicht oder in das Grundmaterial eines Halbleiters. Die Leuchtdioden können je nach Einsatzgebiet für das menschliche Auge unsichtbares Licht wie Ultraviolettstrahlung oder Infrarotstrahlung oder sichtbares Licht im RGB-Farbraum erzeugen. Da Leuchtdioden grundsätzlich nur monochromatisches Licht abstrahlen, muss für die Erzeugung von neutralem weißen Licht auf verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zurückgegriffen werden. Das übliche Verfahren bei weißen LEDs ist daher der Einsatz einer blauen Leuchtdiode mit einem breitbandigen Lumineszenzfarbstoff, der sich in einer Leuchtschicht über der n- und p-Schicht befindet. Hier wird das erzeugte blaue Licht teilweise absorbiert, sodass insgesamt ein weißes Licht wahrgenommen werden kann.