mini|Leuchtdiode in lichtbündelndem transparentem Gehäuse (Durchmesser 5 mm). Der LED-Chip liegt im Bild nicht sichtbar in der am rechten Anschlussdraht angeformten Schale und ist mit einem haarfeinen Bonddraht zum linken Anschluss kontaktiert.|288x288pxEine Leuchtdiode (kurz LED von , ‚lichtemittierende Diode‘, auch Lumineszenz-Diode) ist ein Halbleiter-Bauelement, das Licht ausstrahlt, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt. In Gegenrichtung sperrt die LED den Strom. Somit entsprechen die elektrischen Eigenschaften der LED qualitativ denjenigen einer Diode. Die Wellenlänge des emittierten Lichts hängt vom Halbleitermaterial und der Dotierung der Diode ab: Das Licht kann für das menschliche Auge sichtbar oder im Bereich von Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung sein.
In den ersten drei Jahrzehnten seit ihrer Markteinführung 1962 diente die LED zunächst als Leuchtanzeige und zur Signalübertragung. Durch technologische Verbesserungen wurde die Lichtausbeute immer größer, es wurden blaue und auf deren Basis auch weiße LEDs entwickelt, und Mitte der 2000er Jahre kamen LED-Leuchtmittel auf den Markt. Diese sind heute weit verbreitet und haben andere Leuchtmittel im Alltagsgebrauch größtenteils verdrängt.
Die LED als Halbleiterbauelement Aufbau mini|Innerer Reflektor einer Leuchtdiode mini|Leuchtdiode in SMD-Bauweise mini|Verschiedene Leuchtdioden
Der Halbleiterkristall vieler Leuchtdioden befindet sich auf dem Boden einer kegelförmigen Vertiefung in einem Metallhalter. Die Innenseiten der Vertiefung wirken als Reflektor für das aus den Seiten des Kristalls austretende Licht. Die Verbindungsstelle bildet einen der beiden elektrischen Anschlüsse des Kristalls. Gleichzeitig nimmt sie 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 Leuchtdioden als Draht mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt, der als elektrischer Anschluss dient. Anders als sonst bei Elektronikbauteilen üblich, bestehen die Anschlüsse nicht aus Kupfer, sondern aus verzinntem Eisendraht. Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist vergleichsweise gering. Dadurch wird der Halbleiterkristall beim Einlöten des Bauteils in eine Leiterplatte nicht durch Überhitzung zerstört.
Die Oberseite des Kristalls ist durch einen sehr dünnen Bonddraht elektrisch mit dem zweiten Anschluss verbunden, damit die Zuführung nur sehr wenig der lichtemittierenden Oberfläche verdeckt.
Die Kathode (−) ist durch eine Abflachung am Bund des Gehäusesockels markiert. Bei fabrikneuen Leuchtdioden ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer. Merkregel: Kathode = kurz = Kante. Bei den meisten Leuchtdioden ist der Reflektor die Kathode. In seltenen Fällen ist der Aufbau umgekehrt. Bezüglich des Schaltzeichens (s. u.) gilt die Merkregel, dass die technische Stromrichtung von dem Pfeil, den die Anode (+) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird.
Hochleistungs-Leuchtdioden (H-LED) werden mit höheren Strömen als 20 Milliampere (mA) betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder durch Wärmeleiter, die in den Leuchtdiodenkörper eingearbeitet sind, abgeführt werden. Die meisten H-LEDs von 1 Watt aufwärts sind für die Montage auf Kühlkörper vorbereitet. Eine Erhöhung der Temperatur führt bei LEDs (anders als bei Glühlampen) zur Absenkung des Wirkungsgrads, außerdem wird die zu erwartende Lebensdauer verkürzt.
mini|Zwei COB-LEDs mit 20 (links) und 10 W elektrischer Leistung (rechts); die LEDs befinden sich unter der gelben Leuchtstoff enthaltenden Harzmasse Eine weitere Möglichkeit ist das direkte Drahtbonden des Leuchtdioden-Chips auf der Platine (chip on board – COB) und der spätere Verguss mit Silikon. Im Fachhandel werden diese Leuchtmittel „COB-LED“ genannt.
Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (2–4) 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 Leuchtdioden-Chips antiparallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder die andere Diode. Eine quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren.
Funktionsprinzip Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode; Leuchtdioden besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt werden, ist das Ausgangsmaterial für Leuchtdioden ein direkter Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter.
Wird an eine Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang. Nach Übergang zur p-dotierten Seite geht das Elektron dann in das energetisch günstigere Valenzband über. Dieser Übergang wird Rekombination genannt, denn er kann auch als Zusammentreffen von einem Elektron im Leitungsband mit einem Defektelektron (Loch) interpretiert werden. Die bei der Rekombination frei werdende Energie wird in einem direkten Halbleiter meist direkt als Licht (Photon) abgegeben.
Neben der direkten strahlenden Rekombination ist auch die Beteiligung von Exzitonen und Phononen möglich, was zu etwas weniger energiereicher Strahlung führt (die Farbe des abgestrahlten Lichts wird ins Rötliche verschoben). Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.
Spezielle Varianten, die nicht direkt zu den Leuchtdioden gezählt werden, aber auf ähnlichen Wirkprinzipien beruhen, sind die Laserdiode, die Resonant-cavity light emitting diode (RCLED bzw. RC-LED) sowie die organische Leuchtdiode (OLED).
Materialwahl – indirekte und direkte Halbleiter mini|hochkant=1.2|Bandstrukturen vonlinks: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid),rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium)
Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt unter anderem das Verhalten der Energieübertragung beim Übergang eines Elektrons vom Leitungsband in das Valenzband und andersherum. In der Grafik rechts sind zwei vereinfachte Bandstrukturdiagramme dargestellt. Dabei ist der Verlauf des Leitungs- und des Valenzbandes über den Wellenvektor aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate, der den nötigen Impulsübertrag charakterisiert. Dargestellt sind die beiden Grundformen von Halbleitern bzw. Bandübergängen: Links ein strahlender Übergang eines direkten Halbleiters und rechts ein Übergang eines indirekten Halbleiters.
Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfordert der Wechsel der Elektronen vom Leitungsbandminimum in das Valenzbandmaximum einen zusätzlichen Impulsübertrag , um die Impulserhaltung zu gewährleisten. Der Impulsübertrag erfolgt z. B. durch die Emission oder Absorption eines Phonons (Gitterschwingung). Die Bedingung, dass ein zusätzliches Quasiteilchen an dem Übergang beteiligt sein muss, reduziert seine Wahrscheinlichkeit. Indirekte Halbleiter sind daher als Leuchtdiode nicht geeignet. Es dominieren nicht-strahlende Übergänge wie die Rekombination über Störstellen (Shockley-Read-Hall-Rekombination). Entsprechend leuchtet zum Beispiel eine normale Gleichrichterdiode nicht.
Im Gegensatz dazu stehen die direkten Halbleiter, sie zeichnen sich durch einen „direkten Bandübergang“ aus, was bedeutet, dass die Elektronen am unteren Rand des Leitungsbandes (Leitungsbandminimum) und am oberen Ende des Valenzbandes (Valenzbandmaximum) denselben Impuls haben. Damit ist ein direkter Übergang des Elektrons unter Aussendung eines Photons (Licht) möglich, ohne dass ein Phonon zur Impulserhaltung beteiligt sein muss. Die Quantenausbeute des direkten Halbleiters Galliumarsenid liegt bei ca. 0,5, beim indirekten Halbleiter Silizium nur bei etwa 1·10−5.
Die Energie des emittierten Photons ist gleich der Energie der Bandlücke, also dem energetischen Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband. Dies entspricht einer Wellenlänge von
mit der Planck-Konstante und der Lichtgeschwindigkeit , oder als Zahlenwertgleichung: . Die Bandlücke (für die Zahlenwertgleichung angegeben in Elektronenvolt) ist abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.
mini|Zusammenhang von LED-Leuchtfarbe und theoretisch minimal möglicher Durchlassspannung
Die Größe der Bandlücke, also der Energielücke , bestimmt die Energie, das heißt die Frequenz, Wellenlänge bzw. Farbe des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. So verändert der Austausch von Atomen im Kristallgitter den kristallinen/molekularen Aufbau des Materials, u. a. seine Gitterparameter oder sogar seine Gitterstruktur. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, das heißt im Bereich des nahen Infrarot. Die Zugabe von Phosphor vergrößert den Bandabstand, was das ausgesandte Licht energiereicher macht, wobei die Wellenlänge abnimmt und die Farbe von Infrarot zu Rot und Gelb übergeht. Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 Prozent der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast zwei Elektronenvolt, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden. Die Energie der Bandlücke spiegelt sich auch in der Höhe der Durchlassspannung der Diode wider, wie im Diagramm rechts gezeigt. Bei langwelligem Licht liegt sie bei ca. 1,5 V, bei blauem Licht bei 3 V, während Siliziumdioden kleinere Werte von ca. 0,6 V aufweisen.
Farben und Technologie mini|Blaue LED aus InGaN Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten Halbleitermaterials ab, vgl. auch die Halbleiter mit breitem Bandabstand. Der Bandabstand kann im Rahmen der Herstellung über die Zusammensetzung des Halbleiters in gewissen Grenzen variiert werden. Die Farbe einer Leuchtdiode entspricht direkt einer bestimmten Wellenlänge λ, d. h. dem Kehrwert der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung, multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit. Beispiele von häufig verwendeten Materialien sind:
Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – infrarot bis 1000 nm Wellenlänge, rot (665 nm) Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb Galliumphosphid (GaP) – (gelb-)grün Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – ultraviolett, violett, blau und grün (true green)
Weiße LEDs sind meistens auf InGaN basierende blaue LEDs mit einem Überzug aus einer gelblichen Lumineszenzschicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt. Sie werden vielfach für LED-Leuchtmittel eingesetzt. Ähnlich, aber mit veränderter Lumineszenzschicht, sind LEDs in Pastelltönen aufgebaut.
Selten verwendete Werkstoffe für Leuchtdioden sind unter anderem: Siliziumkarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; kaum noch in praktischem Einsatz, da nur geringe Effizienz Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie kommerzielle Reife erreichte
Zur Herstellung blauer und grüner LEDs können mit dem Atomlagenepitaxie-Verfahren aus Magnesocen dünne Schichten Magnesium-dotierter Nitrid-Filme von Metallen der 3. Hauptgruppe (überwiegend Gallium) aufgebracht werden.
mini|Spektren einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode