5 Optoelektronische Bauelemente und Sensoren
5.2 LED

LED (lichtemittierende Dioden, engl. light-emitting diode) sind Halbleiterdioden, die ein inkohärentes Licht mit einem engen Spektrum emittieren, wenn an ihrem p-n-Übergang positive Spannung angebracht wird.

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Bild 9: LED.

Das normalerweise leere Leitungsband (engl. conduction band) eines Halbleiters wird mit Elektronen besetzt, die darin mittels positiver Spannung durch den Übergang eingespritzt werden. Wie im Kapitel 4 zu sehen ist, wenn ein Elektron ein Loch trifft, fällt es auf eine niedrigere Energieebene und setzt Energie in der Form eines Photons frei. Diese Photonenemission ist der Mechanismus hinter dem Lichtemittieren von LED. Wenn ein Elektron auf eine niedrigere Ebene eigenmächtig übergehen kann, wird der Prozess der Photonenemission spontane Emission genannt.

Das Licht wird durch Rekombination von Elektronen und Löchern generiert und die Wellenlänge des Lichts hängt von der Bandlücke des Halbleitermaterials Eg ab. Die nachfolgende Tabelle zeigt die mit Wellenlängen des Lichts assoziierten Farben, das von LED aus verschiedenen Halbleitermaterialien emittiert wird.

LED aus Halbleitern mit einer direkten Bandlücke emittieren mehr Licht als LED, die mittels Halbleitern mit indirekter Bandlücke hergestellt wurden.

Halbleitermaterialien und LED-Farben

Halbleiter

Farbe

Helligkeit

GaAs; GaAlAs

Infrarot

Mittlere (normale)

GaAs; AlGaAs; GaP

Rot

Mittlere (normale)

GaN

Blau

Mittlere (normale)

GaP

Grün

Mittlere (normale)

GaAlAs; GaAsP; InGaAlP

Rot

Hohe (super & ultra)

GaN

Blau

Hohe (super & ultra)

GaP; InGaN

Grün

Hohe (super & ultra)

InGaAlP; GaAsP

Gelb

Hohe (super & ultra)

LED werden in vielen Bereichen angewandt, wie Displays, Festkörperbeleuchtung, Fernbedienung und optische Kommunikationssysteme. In den letzten Jahren wurden LED üblicherweise auch in konventionellen Leuchten als integrierte LED-Lampen und -Beleuchtungskörper verwendet. Man kann auf dem Markt der gegebenen Anwendungen verschiedene LED-Pakete finden. Normalerweise werden in LED-Paketen einige Arten von Linsen verwendet, um den Ausgangswinkel des Lichtstrahls zu regeln. Das ist eine der Charakteristiken, die Hersteller in Datenblättern zusammen mit Lichtstärke (mcd), Lichtstrom (lm), primäre Wellenlänge (nm) und Farbe angeben. Die spezifischen Werte (typische Werte und Schwellenwerte) der elektrischen Parameter, wie Vf (Durchlassspannung, engl. forward voltage) und If (Durchlassstrom, engl. forward current), werden auch von Herstellern aufgelistet.

Typischerweise ist die Energieausbeute η einer LED einfach ausgedrückt als Verhältnis der Eingangsleistung und des Lichtausgangs charakterisiert - oder in einer technischen Form wie folgt formuliert: emittierter Fluss (Lumen) durch Leistungsaufnahme (Watt). Kommerziell erhältliche LED haben einen Wirkungsgrad von 50 bis 70 %.

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Bild 10: Infrarote LED.