LED Funktionsweise

Licht durch Elektronenblitze - so funktioniert die LED

Der Aufbau einer Leuchtdiode ist im Grunde sehr einfach. Zwei Drähte, Kathode und Anode, führen in ein Kunststoff-Gehäuse. Dieses schützt den eigentlichen LED-Chip und verbessert gemeinsam mit einem Reflektor den Lichtaustritt. Die faszinierende Technik der LED befindet sich aber in dem winzigen Halbleiter-Element.

Ladungsunterschiede bewirken den Leuchteffekt

Halbleiter zeichnen sich dadurch aus, dass Strom nur in eine Richtung hindurchfließen kann. Leuchtdioden sind aus zwei Schichten von Halbleiter-Materialien aufgebaut. Die n-Schicht besitzt einen Überschuss an Elektronen, sie ist negativ geladen. Darüber befindet sich eine p-Schicht, die „Elektronenlöcher“, also positive Ladung aufweist.

Eine geringe Spannung genügt, um einen Abfluss von Elektronen aus der n-Schicht zu bewirken. Sie füllen die Löcher in der p-Schicht. Bei der Rekombination der Elektronen mit positiv geladenen Atomen wird Energie in Form von Licht und Wärme frei. Die Lichtblitze durchdringen die dünne p-Schicht und bewirken das Leuchten.

Lichtfarbe abhängig vom Material

Mit dem verwendeten Halbleiter-Material lässt sich die Farbe des ausgesandten Lichts exakt bestimmen. Dabei wird fast das gesamte sichtbare Spektrum erreicht. Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) führt beispielsweise zu langwelligem rotem Licht bis in den Infrarot-Bereich. Galliumphosphid (GaP) lässt sich ein sehr weiter Bereich von Rot über Orange und Gelb bis zu Grün abdecken. Am anderen Ende der Skala steht das kurzwellige blaue, violette und ultraviolette Licht. Diese Farben waren viel schwieriger zu erzeugen. Siliziumkarbid (SiC) ermöglichte zwar eine erste kommerziell einsetzbare blaue LED, sie war aber wegen ihrer geringen Effizienz wenig erfolgreich. Heutige LED erzeugen kurzwelliges Licht von grün bis ultraviolett mit Galliumnitrid (GaN) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN).

Weiße LED durch Lichtmischung

Weißes Licht kommt im Farbspektrum nicht vor. Warum sehen wir dann aber weißes Licht? Mischt man Licht aus gleichen Anteilen aller Spektralfarben, sehen wir „unbunt“, denn keine Farbe dominiert. Es lässt sich erahnen, dass die Herstellung einer weißen Lichtquelle nicht trivial ist.

Die einfachste Möglichkeit ist schon von alten Röhren-Fernsehern bekannt und wird auch heute noch zum Beispiel in Monitoren oder Beamern angewendet: rotes, grünes und blaues Licht addieren sich zu Weiß. Auch Digitalfotografen kennen den Begriff RGB-Farbraum. Bringt man drei farbige LED in einem Gehäuse unter und schaltet einen optischen Diffusor vor, entsteht weißes Licht. Durch eine variable Ansteuerung der RGB-LED sind Farbwechsel mit fließenden Übergängen möglich.

Weiße LED in der Gegenwart

Wird ausschließlich weißes Licht benötigt, setzen die Hersteller auf blaue LED Chips. Das ausgesandte Licht wird mit einem photolumineszierenden Farbstoff (Phosphor) in langwelligeres Licht verwandelt. Diese gelbliche Leuchtschicht in Kombination mit einem blauen LED Chip bewirkt ein breites Spektrum an Wellenlängen, das vom menschlichen Auge als Weiß wahrgenommen wird. In der Praxis kann das für die Lumineszenzschicht zunächst bevorzugte Saphirsubstrat mittlerweile durch das preisgünstigere Silizium ersetzt werden. 

LED werden in den unterschiedlichsten Weißlichtfarben herstellt. Die Majorität der weißen Leuchtdioden wird im Farbtemperaturbereich von 2700 Kelvin bis 6500 Kelvin produziert. LED sind mit einem Farbwiedergabeindex (CRI) von 70 bis über 90 erhältlich.