Aufbau und Funktionsweise einer Leuchtdiode

Wie ist eine Leuchtdiode (LED) aufgebaut?

Der Halbleiterkristall vieler LEDs ist auf den Boden einer kegelförmigen Vertiefung in einem Metallhalter gelötet. Die Innenseiten der Vertiefung wirken als Reflektor für das aus den Seiten des Kristalls austretende Licht. Die Lötstelle bildet einen der beiden elektrischen Anschlüsse des Kristalls. Gleichzeitig nimmt er die Abwärme auf, die entsteht, weil der Halbleiterkristall nur einen Teil der elektrischen Leistung in Licht umsetzt. Der Halter mit dem Reflektor ist bei bedrahteten LEDs als rechteckiger Draht ausgeführt, der als elektrischer Anschluss dient. Anders als sonst bei Elektronikbauteilen üblich, besteht der Anschlussdraht nicht aus verzinntem Kupfer, sondern aus verzinntem Stahl. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist vergleichsweise gering. Dadurch wird der Halbleiterkristall beim Einlöten des Bauteils in eine Leiterplatte nicht überhitzt. Ein dünner Bonddraht stellt den zweiten elektrischen Anschluss des Halbleiterkristalls her. Er verbindet einen weiteren Stahldraht mit der Oberseite des Kristalls. Auf diese Weise wird möglichst wenig Licht vom Anschluss absorbiert. 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. 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. Im Fachhandel werden diese Leuchtmittel COB-LED genannt.

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. Leuchtioden bestehen aus zwei Schichten von Halbleitermaterial. Jeweils die eine Schicht weist einen Überschuss an Elektronen auf (n-Schicht), die andere hingegen zeichnet sich durch einen Elektronenmangel aus (hohe Anzahl an Löchern). Diese unterschiedliche Ladungsverteilung wird durch die gezielte Zugabe von anderen Atomen wie Bor oder Silizium erreicht. 
Werden die beiden Schichten (n- und p-Schicht) nun zusammengebracht gleichen sich die Ladungsunterschiede in der Grenzschicht aus. Es fließt kein Strom und der n-p-Körper ist neutral. Wird jedoch eine Spannung in Flussrichtung angelegt, so genügt schon eine kleine Spannung, um einen Stromfluss von der n-Schicht zur p-Schicht zu starten.
Nun fließen die Elektronen von der n-Schicht mit dem Elektronenüberschuss in die p-Schicht mit dem Elektronenmangel. Dort werden sie von den „Elektronenlöchern eingefangen“. Sprich die Elektronen rekombinieren mit den positiv geladenen Atomen. Dabei geben die Elektronen ihre enthaltene Energie in Form von Lichtblitzen frei. Dieses Licht kann nun durch die sehr dünne p-Schicht entweichen. Die Lichtstärke wächst dabei proportional zur Stromstärke. Die Wellenlänge des Lichtes das abgestrahlt wird kann dabei von der Art des Halbleitermaterials und von den zugegebenen Atomen zur Ladungsverteilung. Sehr charakteristisch ist jedoch bei allen LEDs, dass sie in einem sehr eng eingegrenztem Bereich der Wellenlänge strahlen. Hierdurch lässt sich sehr gut die Farbe des ausgesendeten Lichtes bestimmen. Egal ob rote, blaue, grüne oder gelbe LEDs alle scheinen sehr klar ihr Licht ab und ermöglichen so erst die vielfältigen Anwendungsarten der LED-Technik.

Eine LED ist ein elektronisches Halbleiterbauteil, welches angeregt durch einen elektrischen Strom optische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge in Abhängigkeit vom Halbleitermaterial emittiert. Im Gegensatz zu Glühlampen emittieren LEDs Licht in einem schmalbandigen Spektralbereich. Das Licht ist nahezu monochrom, wodurch es zu einer besonders hohen Effizienz und Farbsättigung bei farbigen Lichtanwendungen kommt. Weiße LEDs werden hergestellt, indem blau oder UV emittierende LEDs mit Lumineszenzfarbstoffen kombiniert werden. Die Farbwiedergabeeigenschaften des weißen LED Lichts hängen dabei von der Art der Leuchtstoffbeschichtung ab. Unter Laborbedingungen kann heute eine Lichtausbeute erreicht werden, die im Bereich der sehr wirtschaftlichen Leuchtstoff und Halogenmetalldampflampen liegt. Außerdem müssen mehrere Dioden zusammengesetzt werden, um eine ausreichende Lichtstärke zu erhalten. Durch die sehr kleine Bauart können herkömmliche Leuchtenformen mit mehreren LEDs bestückt werden. Entscheidend für den Gesamtwirkungsgrad ist deshalb das Zusammen wirken aus Leistungsaufnahme, erzeugter Lichtstärke, verwendeter Optik der LED sowie des Leuchtengehäuses bzw. der Einbausituation.

Wie funktioniert eine LED?

Eine Leuchtdiode besteht aus mehreren Schichten (Layer) halbleitenden Materials. Beim Betrieb der Diode mit Gleichspannung wird in der aktiven Schicht Licht erzeugt. Das erzeugte Licht wird direkt oder durch Reflexionen ausgekoppelt. Im Gegensatz zu Glühlampen, die ein kontinuierliches Spektrum aussenden, emittiert eine LED Licht in einer bestimmten Farbe. Die Farbe des Lichts hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Überwiegend werden zwei Materialsysteme (AllnGaP und InGaN) benutzt, um LEDs mit hoher Helligkeit in allen Farben von Blau bis Rot und mittels Lumineszenzkonversion auch in Weiß zu erzeugen. Dabei sind unterschiedliche Spannungen erforderlich, um die Diode in Durchlassrichtung zu betreiben. Je nach Zusammensetzung der Halbleiter-Kristallverbindungen geben sie Licht in den Farben Rot, Grün, Gelb oder Blau ab, wenn Strom durch sie hindurch fließt. Mit Hilfe einer zusätzlichen gelblichen Leuchtstoffschicht erzeugen blaue LEDs auch weißes Licht (Lumineszenzkonversion). Eine weitere Methode zur Erzeugung von weißem Licht besteht darin, rote, grüne und blaue Leuchtdioden (RGB) zu mischen. Dies kommt vor allem dort zum Einsatz, wo es nicht in erster Linie um allgemeine weiße Beleuchtung geht, sondern vielmehr um dekorative Effekte mit unterschiedlichen satten Farben.

Mit den drei RGB-Farben lassen sich beliebig viele Farbtöne durch Variation der Anteile der Einzelfarben mischen. Die LED-Beleuchtung kann auf diese Weise faszinierende Erlebniswelten schaffen.