fortgeschrittene Suche
Die Hauptvertragspartei1 > Leuchtdiode
Sprache ändern
PolskiAngielskiNiemieckiRosyjskiCzeski
Kontakt
Top-Seller
Kundenbewertungen
Schlagwörter

Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, englisch light-emitting diode, deutsch lichtemittierende Diode, LED) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung (als Infrarotleuchtdiode) oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab.

Aufbau 

Abbildung 1 zeigt den Aufbau einer bedrahteten Leuchtdiode. Der Halbleiterkristall ist in einer Reflektorwanne eingebettet. Abbildung 2 zeigt den Reflektor vor Anbringung der transparenten Kunststoffummantelung. Der rechteckige Draht, der den Reflektor trägt, stellt bei den meisten LEDs den Kontakt zur Kathode her und nimmt die Verlustwärme auf. In der Mitte des Kristalls erkennt man Reste des Bonddrahts, der den Kontakt zur Anode herstellt.

In Abbildung 3 ist der Bonddraht oberhalb des Trägers als horizontale Linie erkennbar. Die Kathode (–) ist durch eine Abflachung rechts am Gehäusesockel markiert. Bei fabrikneuen LEDs ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel: Kathode = kurz = Kante). Bei den meisten LEDs ist der Reflektor die Kathode, dann gilt auch die Merkregel, dass die (technische) Stromrichtung von dem Pfeil, den die Anode (+) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird. In seltenen Fällen ist der Aufbau umgekehrt.

Hochleistungs-LEDs (H-LED) werden mit höheren Strömen als 20 Milliampere betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder in den LED-Körper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden.

Die industrielle Verarbeitung bedrahteter LEDs gilt, wie bei allen bedrahteten Bauteilen in heutigen, vorwiegend automatisierten Platinenfertigungsprozessen, als zu aufwändig. Daher werden LEDs von den führenden Herstellern hauptsächlich in SMD-Gehäuseform (Abbildung 4) hergestellt. Zudem ist die höchste Bandbreite der Lichtfarben nur noch bei SMD-Bauteilen erhältlich. Bedrahtete LEDs (Abbildung 5) werden weiterhin hergestellt, vor allem die Bauformen 3 mm mit Linse und 5 mm mit Linse. Diese Bauteile werden vorzugsweise von Hobbyelektronikern, bei Mini-Taschenlampen und von Bastlern eingesetzt, wenn ohnehin keine Platine vorgesehen ist.

Eine weitere Möglichkeit ist das direkte „Bonden“ des LED-Chips auf der Platine (chip on board) und der spätere Verguss mit Silikonmassen. Diese Bauform findet bei Displays mit sehr vielen LEDs Verwendung.

Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (zwei oder drei) Dioden in einem Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode oder Kathode und einen Anschluss für jede Farbe. Bei einer Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei LED-Chips antiparallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren.

Funktionsprinzip 

Der prinzipielle Aufbau einer LED entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode, LEDs besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt sind, ist das Ausgangsmaterial für LEDs ein sogenannter III-V-Halbleiter, meist eine Galliumverbindung.

Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten auf die p-dotierte Seite. Bei diesem Übergang kann Licht ausgesendet werden.

III-V-Halbleiter zeichnen sich dabei durch einen direkten Bandübergang aus, das bedeutet, dass die Elektronen auf direktem Wege vom Leitungsband in das Valenzband wechseln können und somit Energie für die Lichterzeugung frei wird.

Im Einzelnen passiert das wie folgt: Die Elektronen wandern zunächst zur Rekombinationsschicht am p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln. Sie rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern. Ein weiterer Ursprung von Photonen besteht in einer plasmonisch-polaronischen Wechselwirkung, die durch einen spinfreien Übergang direkt zur Emission eines Auger-Photoelektrons führt. Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.

Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfolgt der Wechsel der Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband hingegen indirekt, der Impuls der Elektronen wird durch das Kristallgitter aufgenommen und verursacht eine Gitterschwingung (Phononenanregung). Dadurch steht keine Energie für die Aussendung von Licht zur Verfügung. Deshalb leuchtet z.B. eine normale Gleichrichterdiode nicht.

alt
alt
Bandstrukturen zweier Halbleiter
links: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid)
rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium)

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt also das Verhalten der Energieübertragung. Im Unterschied zum sehr vereinfachten Bändermodell ist in der Grafik rechts horizontal der Wellenvektor vec k aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate. Rechts ist kein direkter Strahlungsübergang vom oberen Leitungsband auf das untere Valenzband möglich, da sich nicht nur die Energie, sondern auch der Impuls vec k verändert, im Gegensatz zum linken Beispiel (siehe auch Bandlücke).

lambda(W_mathrm{D}) = frac{h cdot c}{W_mathrm{D}} ,qquad mathrm{mit}quad W_mathrm{D} = E''-E'

als Zahlenwertgleichung:

lambda(W_mathrm{D}) = frac{1240,mathrm{nm,eV}}{W_mathrm{D}}
λ(WD): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn WD in eV eingesetzt wird.)
h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10−34 Js = 4,13567 · 10−15 eVs
c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 108 ms−1
WD: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in eV), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.

Die Größe der Energielücke E'' – E' bestimmt die Farbe des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, entsprechend infrarotem Licht. Die Zugabe Phosphors vergrößert ihn, dadurch wird auch das ausgesandte Licht energiereicher, die Wellenlänge nimmt ab, die Farbe geht von Infrarot zu Rot und Gelb über.

Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 % der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast 2 eV, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt.

Eigenschaften 

alt
alt
Spektrum einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode.
alt
alt
RGB-SMD-LED

Spektrale Charakteristik 

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine thermischen Strahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern müssen.

Lange Zeit konnten LEDs nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner LEDs war für Verkehrsampeln wegen der fehlenden Technologie für die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht möglich. Die Massenproduktion blauer LEDs auf GaN-Basis begann im Jahr 1993.

Das Licht weißer LEDs wird erreicht, indem vor blaue LEDs farbtonändernde Leuchtstoffe montiert werden. Sie besitzen neben dem breiten Spektralbereich des Leuchtstoffes daher einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.

Elektrische Eigenschaften 

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe unten), die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung stellt sich durch Betrieb an Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuungen und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig in Form eines Vorwiderstandes) ist daher zwingend. Direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist nicht möglich, da der Arbeitspunkt nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterie-Leuchten betreiben LEDs direkt an Primärzellen – hier verlässt man sich auf einen ausreichend hohen Innenwiderstand der beigelegten Batterien.

Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung Uf (für englisch forward voltage) hängt von der Lichtfarbe ab und liegt zwischen 1,3 V (Infrarot-LED) und etwa 4 V (InGaN-LED, grün, blau, weiß, Ultraviolett). Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel nur 5 Volt.

LEDs lassen sich über den Betriebsstrom sehr schnell schalten und modulieren. Die hohe Modulationsgeschwindigkeit der LEDs ist beim Einsatz in der Optoelektronik (Optokoppler, Datenübertragung über Lichtleiter bzw- Kabel aus Kunststoffen oder Glasfasern sowie Freifeld-Infrarotstrahlung) wichtig. LEDs können bis weit über 100 MHz moduliert werden.

Richtungsabhängigkeit der Strahlungsleistung 

Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkappt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen hauptsächlich zur Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall. Er setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt somit die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren, bestimmbaren Raumwinkel. Da Glas in der Regel eine höhere Brechzahl als Kunststoff und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt werden. Das nicht entspiegelte Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa 10 %, auch weil es den Kristall nicht direkt berührt.

Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel.

Strahlungsleistung gegenüber Öffnungswinkel
Öffnungswinkel 180° 170° 160° 150° 140° 130° 120° 110° 100° 95° 90° 85° 80° 75° 70°
sr-Faktor 6,2832 5,7356 5,1921 4,6570 4,1342 3,6278 3,1416 2,6793 2,2444 2,0383 1,8403 1,6507 1,4700 1,2984 1,1363
Öffnungswinkel 65,55° 60° 55° 50° 45° 40° 35° 30° 25° 20° 15° 10°
sr-Faktor 1,0003 0,8418 0,7099 0,5887 0,4783 0,3789 0,2908 0,2141 0,1489 0,0955 0,0538 0,0239 0,0060 0,00024

Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel mit der Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind mehrere Leuchtdioden notwendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende von der Kugelkalotte abgeleitete Gleichung genutzt werden.

mathrm {Anzahl} = leftlceil frac{2}{1 - cos left( frac{X}{2} right)} rightrceil

Beispiel: Um eine starke 360°-Lampe mit einer Farbtemperatur von ungefähr 5000 K mit Leuchtdioden (Parameter: 55° Öffnungswinkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm ≈ 50 lm/W) zu realisieren, sind 18 Leuchtdioden notwendig (eine LED mit 55° Öffnungswinkel beleuchtet ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2880 Lumen, der eine Leistungsaufnahme von 54 Watt besitzt. Dieser Lichtstrom ist vergleichbar mit dem einer 300-Watt-Glühlampe.

Alterung 

Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute auf die Hälfte des Anfangswertes abgesunken ist. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen tausend Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu über 100.000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei 15.000 bis 30.000 Stunden liegt. Die von den Herstellern angegebene Leuchtdauer bezieht sich in der Regel auf die Anzahl der Betriebsstunden, bis die Leuchte noch mit 70% der ursprünglichen Leuchtkraft arbeitet. Auch im Handel erhältliche LED-Leuchtmittel in Glühlampenform erreichen über 25.000 Stunden bis hin zu 45.000 Stunden Lebenszeit. 

Die Alterung der LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus Silikongummi gefertigt, wodurch eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erzielt wird, was etwa 11,5 Jahren Dauerbetrieb entspricht.

Eine weitere Ursache kann eine Fehlfunktion auf Grund der Alterungsvorgänge in den verwendeten Materialien sein. Zum Beispiel Ermüdungserscheinungen der Klebe- oder Bodenverbindungen.

Diese Fehlfunktionen werden unter dem Begriff Mortality (B) oder Totalausfall beschrieben. Steht im Datenblatt einer LED B50 bei 100.000 Std., bedeutet dies, dass 50 % aller Testlampen nach 100.000 Std. durch Defekt ausgefallen sind. Manchmal wird auch der B10-Wert, d. h. die Zeitdauer, nach der 10 % der Testlampen nicht mehr funktionieren, angegeben.

Farben und Technologie 

alt
alt
Blaue LED aus InGaN

Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich und die Effizienz lassen sich so beeinflussen:

  • Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot (665 nm) und infrarot bis 1000 nm Wellenlänge
  • Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
  • Galliumphosphid (GaP) – grün
  • Siliziumkarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
  • Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte
  • Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – Ultraviolett, Violett, blau und grün
  • Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer davor befindlichen Fluoreszenz-Schicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED)

Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt. Die Halbleiter werden zum Schutz in transparenten Kunststoff eingegossen.

Weiße LED 

alt
alt
Erzeugen weißen Lichtes mit einer blauen Leuchtdiode und einem breitbandigen Fluoreszenzfarbstoff.
alt
alt
Erzeugen weißen Lichtes mit einer ultravioletten Leuchtdiode und Fluoreszenzfarbstoffen für rot, grün und blau.
alt
alt
Blaue LED mit Leuchtstoff enthaltendem Einbettungsmaterial zur Erzeugung weißen Lichtes.
alt
alt
Querschnitt einer weißen LED im Betrieb.
alt
alt
Eine weiße LED fluoresziert im Licht einer blauen InGaN LED

Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz:

  • Verschiedene Chips (selten verwendet): Leuchtdioden verschiedener Farben, oft Blau und Gelb (in zwei LEDs) oder Rot, Grün und Blau (RGB), werden so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Es ist daher vorteilhaft, die LEDs räumlich nahe beieinander zu platzieren. Aus praktischen Gründen werden die verschiedenfarbigen LED-Chips oft in einem Bauteil integriert.
  • Luminiszenz (die weiße Standard-LED): Eine blaue oder UV-LED wird mit photolumineszierendem Material (Fluoreszenzfarbstoff, Leuchtstoff) kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höher energetisches Licht (blaues Licht und Ultraviolettstrahlung) in langwelliges, niedriger energetisches Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren. Seltener wird eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und blau) - häufiger eine blaue LED mit nur einem einzigen Leuchtstoff (gelb, meistens Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) kombiniert. So gefertigte Bauteile verfügen über gute Farbwiedergabeeigenschaften (Farbwiedergabeindex Ra − 90). Die Verwendung mehrerer Farbstoffe verteuert allerdings den Herstellungsprozess und reduziert die Lichtausbeute.

Für Beleuchtungszwecke wird aus Kostengründen fast immer die Variante mit einer blauen Leuchtdiode in Kombination mit Leuchtstoffen verwendet. So aufgebaute weiße LEDs bestehen aus einer blauen LED mit einer darüberliegenden gelblich fluoreszierenden Schicht aus Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver. Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen weniger als die Hälfte) und der Blauanteil sichtbar ist, ist das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Fluoreszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.

Bei dem gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid auf eine Grundschicht aus Saphir gedampft, dann wieder abgelöst und erneut bedampft. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. In einem neuen Verfahren wird die teure Saphirschicht durch Silizium ersetzt. Eine Beschichtung aus Zirkonnitrid verhindert dabei, dass die Siliziumschicht Licht absorbiert. Die Verwendung von Zirkonnitrid wurde erst ermöglicht, indem man das Silizium zuvor mit einer Zwischenschicht aus Aluminiumnitrid überzog, um die Reaktion des Siliziums mit dem Zirkonnitrid zu verhindern. Als letzte Schicht wird das Galliumnitrid aufgedampft. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden.

Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand obiger Grafik in der rechten Hälfte deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Fluoreszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LED hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.

RGB-LEDs hingegen (in der linken Hälfte der Grafik wiedergegeben) erzeugen drei relative schmale Peaks im Spektrum, was für Licht in drei engen Frequenzbändern steht. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im allgemeinen besser, was sich vor allem bei der Hinterleuchtung von Farb-LCDs in brillanten Farben bemerkbar macht – die Durchlasswellenlängen der Farbfilter der einzelnen einfarbigen Pixel des LCDs können an die Emissionsmaxima der Leuchtstoffe angepasst werden. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen allerdings besonders am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe.

Weiße LEDs werden wie Leuchtstofflampen auch für unterschiedliche Arten (Farbtemperaturen) weißen Lichtes gefertigt. Übliche Kategorien sind das „kaltweiße“, tageslichtähnliche Licht (Farbtemperatur 5500–6000 K) und das „warmweiße“ Licht, ähnlich dem der Glühlampen (2700–3000 K).

Pastelltöne 

Aufgrund der möglichen Verwendung in der Unterhaltungselektronik, speziell für die Tastaturbeleuchtung von Mobiltelefonen und anderen Trend-Produkten, geht man inzwischen auch dazu über, insbesondere SMD-LEDs in Pastelltönen zu produzieren. Dazu wird im wesentlichen wie bei weißen LEDs vorgegangen, nur dass die Fluoreszenzschicht, die über den blau leuchtenden LED-Chip gelegt wird, nicht gelblich, sondern rötlich ist, wodurch dann Rosa („pink“) erzeugt wird. Um ein Pastellblau zu erzeugen, muss man nur die gelbliche Schicht etwas dünner machen als bei weißen LEDs, so dass ein höherer Blauanteil durchdringt. Da auch grüne LEDs mittlerweile zu den sehr wirtschaftlichen gehören, ist das gleiche auch mit grünen Chips möglich. Da nur Licht hoher Frequenz einen fluoreszierenden Stoff niedrigerer Frequenz zum Leuchten anregen kann, dies folgt aus der Stokesverschiebung, ist es nicht möglich, mit einer roten LED einen blau fluoreszierenden Stoff anzuregen, umgekehrt aber schon. Deswegen können für pastellfarbene LEDs praktisch nur Chips in den „Farben“ UV und Blau verwendet werden.

Klasseneinteilung 

In vielen Einsatzbereichen werden durch Normen genau definierte Lichtfarben vorgegeben. Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LEDs eines Types und Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED-Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning (deutsch: Klasseneinteilung) bezeichnet. Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den sogenannten „Flux bin“, die Schwellenspannung, die Lichtausbeute sowie den Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeprägte Farbstich liegt. Bezüglich der Farblage wird nicht nur unterschieden, in welchem Bereich der Farbmischung (tendenziell mehr rot oder grün oder blau) sie liegt, sondern welche Farbtemperatur das Licht der LED bei Nennstrom aufweist. Auch farbige LEDs werden mit selektierten spektralen Toleranzen angeboten. Informationen darüber, welchem „Bin“ (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen.

Flussspannung 

Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten Halbleitermaterials ab. Die Farbe entspricht direkt einer bestimmten Wellenlänge λ bzw. dem Kehrwert der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung. Die sich daraus ergebende Flussspannung bei Nennstrom, auch Durchlassspannung oder Vorwärtsspannung (englisch forward voltage) ist dann je nach Farbe unterschiedlich.

Flussspannungen der LEDs verschiedener Farben
Farbe Wellenlänge λ in nm Flussspannung ΔU in V Werkstoff
Infrarot λ > 760 ΔU < 1,9 Galliumarsenid (GaAs)
Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
  • Rot
610 < λ < 760 1,63 < ΔU < 2,1 Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)
Galliumphosphid (GaP)
  • Orange
590 < λ < 610 2 < ΔU < 2,1 Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)
Galliumphosphid (GaP)
  • Gelb
570 < λ < 590 2,1 < ΔU < 2,2 Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)
Galliumphosphid (GaP)
  • Grün
500 < λ < 570 2 < ΔU < 3,4 Indiumgalliumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN)
Galliumphosphid (GaP)
Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)
Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP)
Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
  • Blau
450 < λ < 500 2,48 < ΔU < 3,7 Zinkselenid (ZnSe)
Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Siliziumkarbid (SiC)
Silizium (Si) als Träger, in Entwicklung
Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
  • Violett
400 < λ < 450 2,76 < ΔU < 4,0 Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Ultraviolett 230 < λ < 400 3,1 < ΔU < 4,4 Diamant (C)
Aluminiumnitrid (AlN)
Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)
Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN)
Flussspannungen nicht leuchtender Halbleiterdioden
Diode Flussspannung ΔU in V
Schottky-Diode aus Silizium 0,2 < ΔU < 0,5
Silizium-Diode mit p-n-Übergang 0,6 < ΔU < 1
Germaniumdiode mit p-n-Übergang 0,2 < ΔU < 0,4

Einsatzbereiche 

Der Anwendungsbereich der LEDs umfasste zunächst aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Farben hauptsächlich Anzeigeelemente wie beispielsweise Statusanzeigen. Sie ersetzten dabei kleinere Glühlampen oder Glimmlampen. Dieser Anwendungsbereich umfasst auch Anzeigen wie beispielsweise die Siebensegmentanzeigen oder Matrixanzeigen in welchem sie spezielle Elektronenröhren wie die Nixie-Röhre ablöste. Zeitgleich ergaben sich Anwendungen zur Signalübertragung, wo die Leuchtdiode in ihrer Funktion nicht unbedingt für den Benutzer optisch sichtbar ist und wo Leuchtdioden bis heute dominierend sind. Beispiele dafür sind infrarote LEDs in Infrarotfernsteuerungen, in Lichtschranken oder in Optokopplern zur galvanischen Trennung elektrischer Stromkreisen.

Ein weiterer davon abzugren

Źródło - wikipedia


ZUR HAUPTSEITE
Oprogramowanie sklepu shopGold.pl