User Tools

Site Tools


Sidebar

Licht-im-Terrarium.de

Vorwort

led:funktion

Funktionsweise

pn-Halbleiter

Leuchtdioden sind pn-Halbleiterdioden. Grundlage bildet ein Kristall aus Einheiten, die im Mittel vier Valenzelektronen enthalten. Das kann ein Material aus der IV. Hauptgruppe des Periodensystems sein (z.B. Silicium) oder eine Verbindung aus Elementen der III. und V. Hauptgruppe (z.B. GalliumArsenid). Das Kristallgitter ist von den Verbindungen der einzelnen Elemente mit vier Nachbarelementen geprägt.

Währen des Wachstumsprozesses wird eine Seite mit Atomen der V. Hauptgruppe dotiert. Diese Atome bringen ein zusätzliches (negatives) Elektron in den Kristall ein. Es wird durch den positiven Atomkern gehalten, ist aber nicht fest in das Kristallgitter eingebunden, also frei beweglich. Dieser frei bewegliche negative Ladungsträger bezeichnet den Kristall als n (negativ) dotiert. Die andere Seite wird mit Atome der III. Hauptgruppe dotiert, die genau gegen-gleich einen frei beweglichen positiven Ladungsträger einbringen: Ein fehlendes Elektron, das auch als Loch bezeichnet wird, und durch den negativen Atomkern gehalten wird.

mit Aluminium p-dotierter Siliziumkristall
mit Phosphor n-dotierter Siliziumkristall

Im Bereich in dem p- und n-dotierte Kristallhälften direkt aufeinander treffen, können einige der Elektronen aus dem n-dotierten Bereich sich so weit von ihren positiven Atomkerne entfernen und so nah an die negativen Atomkerne der p-dotierten Hälfte annähern (oder die Löcher sich entfernen), dass sie die Löcher auffüllen (oder Löcher und Elektronen rekombinieren). Es entsteht eine Raumladungszone oder Sperrschicht.

Elektronen, die auf der n-dotierten Seite (“Kathode”) zugeführt werden, können sich im n-dotierten Bereich frei bewegen, genauso Löcher, die auf der p-dotierten Seite (“Anode”) zugeführt werden. Legt man eine Spannung in Durchlassrichtung an, so dass der Strom von der Anode zur Kathode fließt (Achtung: technische Stromrichtung!), werden immer weitere Elektronen und Löcher zugeführt, die in der Sperrschicht rekombinieren können. Die Energie, die dabei frei wird, wird als Gitterschwingung (Phonon) an den Kristall abgegeben und erwärmt diesen oder als Licht (Photon) abgestrahlt.

pn-Übergang mit Lichtaussendung bei Rekombination

Dieser Übergang, bei Energie und Impuls erhalten sein müssen, ist im Bändermodell einfacher zu visualisieren. Die einzelnen Energieniveaus der Atome verschmieren wegen der periodischen Anordnung der Atome im Kristall zu einem Valenzband und einem Leitungsband die energetisch durch eine Bandlücke getrennt sind. Fest im Kristallgitter gebundene Elektronen befinden sich im Valenzband, frei bewegliche Elektronen im Leitungsband. Auf der n-dotierten Seite ist folglich das Valenzband voll und einige Elektronen befinden sich im Leitungsband; sie stammen vom Donatorniveau. Auf der p-dotierten Seite ist im Valenzband noch Platz, da einige Elektronen durch das Akzeptorniveau gebunden wurden; das Leitungsband ist leer.

Einfarbige LEDs

Die Bandlücke ΔE legt fest, welche Wellenlänge das emittierte Licht hat. Durch geschickte Wahl der Materialien kann die Farbe des Lichts einer LED festgelegt werden.

Für blaue LEDs, die normalerweise die Grundlage für alle weißen LEDs bilden, wird Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) verwendet.

Verschiedenfarbige LEDs können dann auch kombiniert werden. Eine rote, eine grüne und eine blaue LED ergeben zusammen beispielsweise für das menschliche Auge weißes Licht.

Leuchtstoffe

Wesentlich häufiger wird aber eine blaue LED mit einem Leuchtstoff kombiniert um für das menschliche Auge weißes Licht zu erzeugen. Der Leuchtstoff wandelt einen Teil des blauen Lichts in grünes, gelbes und rotes Licht um, so dass der gesamte für den Menschen sichtbare Spektralbereich abgedeckt ist.

Handelsübliche weiße LEDs bestehen aus einer blauen LED mit einem Leuchtstoff im gelben Bereich. Je nach Breite und Menge des Leuchtstoffs lässt sich die Farbwiedergabe zwischen 70 und 80 und die Farbtemperatur variieren. Das Spektrum hatte gewisse Ähnlichkeiten mit dem Spektrum der Leuchtstoffröhren aus den 1950ern, die LEDs erreichen auch ähnliche Farbwiedergabewerte.

Mit mehr als einem Leuchtstoff ist ein stärker kontinuierliches Spektrum mit Farbwiedergabeindex größer als 90 möglich.

Aufbau

Eine große Rolle bei der Effizienz einer LED spielen die elektrischen Kontakte und die Wärmeabführung. Die elektrischen Kontakte dürfen kein Licht schlucken müssen aber den Halbleiter trotzdem gleichmäßig mit Strom versorgen. Da die Effizienz von LEDs bisher noch gering ist, muss die entstehende Wärme abgeführt werden. Andernfalls führt die hohe Temperatur zu starken Gitterschwingungen, die Schäden im Halbleiterkristall verursachen und somit die LED zerstören.

DIP-LEDs

DIP (dual in-line package) bezeichnet eine Bauform für elektronische Bauteile, die zwei Reihen von Anschlussstiften (Pins) haben, mit denen sie auf Platinen gelötet werden können.

SMD-LEDs

SMD (surface mounted device) bezeichnet eine Bauform für elektronische Bauteile, die direkt über die Fläche auf einen elektrischen Kontakt gelötet werden.

Effizienz

Die Effizienz einzelner weißen LEDs unter Laborbedingung mit entsprechender Kühlung und optimierter Stromversorgung erreicht mittlerweile um die 250lm/W. Im praktischen Einsatz werden LEDs jedoch üblicherweise nicht auf maximal Effizienz ohne Berücksichtigung der Helligkeit optimiert (vgl. T5HO vs. T5HE). Große Verluste entstehen durch die Spannungswandlung zur Stromversorgung der LEDs und Verluste durch Kühlung der LEDs.

Komplette LED Lampen, die direkt als Ersatz für Glühbirnen, Leuchtstoffröhren oder Halogenstrahler verwendet werden können, erreichen zum Teil nur 30-40lm/W und liegen somit weit hinter Röhren oder Halogenmetalldampfstrahlern zurück.

Licht ohne Wärme

LEDs strahlen Licht im Bereich von 450-650nm ab. Diese Strahlung wirkt, wenn sie vom Bodengrund oder dem Reptil absorbiert wird, als Wärme. Licht ohne Wärme ist daher physikalisch nicht möglich. Das Spektrum von Leuchtstoffröhren und LEDs ist sehr ähnlich (eng begrenzt auf 400-700nm, kein IR oder UV), daher heizen LEDs und Röhren ein Terrarium bei gleicher Lichtmenge ähnlich stark auf.

Häufig werden LEDs jedoch mit sehr geringer Leistung eingesetzt, häufig 1-8W. Diese Systeme erzeugen tatsächlich nur sehr wenig Wärme, jedoch gleichzeitig auf sehr wenig Licht.

UV-LEDs

Die Firma S-ET stellt verschiedene UV-LEDs mit Maximum zwischen 240nm und 355nm her.

Literatur

You could leave a comment if you were logged in.
led/funktion.txt · Last modified: 2019/02/25 14:15 by sarina