Fachwörterlexikon der Haustechnik

Eine Leuchtdiode gibt Licht ab, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt, und in Gegenrichtung sperrt sie. Du findest sie zu Hause als kleine Anzeige, als Signallicht und seit Mitte der 2000er Jahre als Leuchtmittel, das andere Lampen im Alltag größtenteils verdrängt hat.

Die hier genannten Details hat die Redaktion auf Aufbau der Leuchtdiode im Detail nachgelesen.

Was steckt hinter der Abkürzung LED

LED steht als Abkürzung für den englischen Ausdruck light-emitting diode, auf Deutsch lichtemittierende Diode, auch Lumineszenz-Diode genannt. Der prinzipielle Aufbau entspricht einer p-n-Halbleiterdiode. Deshalb hat sie qualitativ die gleichen elektrischen Grundeigenschaften wie eine Diode. Der Unterschied liegt im Halbleiter: Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen gefertigt sind, nutzt die Leuchtdiode einen direkten Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter.

Die Wellenlänge des Lichts hängt vom Halbleiter und von der Dotierung ab. Das Licht kann sichtbar sein oder im Infrarot- oder Ultraviolettbereich liegen. In den ersten drei Jahrzehnten seit der Markteinführung 1962 diente die LED zunächst als Leuchtanzeige und zur Signalübertragung. Durch bessere Lichtausbeute kamen blaue und darauf aufbauend weiße LEDs dazu, danach die LED-Leuchtmittel für den Haushalt.

Warum leuchtet sie nur in einer Richtung

Legst du Spannung in Durchlassrichtung an, wandern Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang und wechseln auf der p-dotierten Seite in das energetisch günstigere Valenzband. Dieser Übergang heißt Rekombination und kann als Zusammentreffen eines Elektrons im Leitungsband mit einem Loch verstanden werden. In einem direkten Halbleiter wird die frei werdende Energie meist direkt als Photon abgegeben.

Daneben ist die Beteiligung von Exzitonen und Phononen möglich, die etwas weniger energiereiche Strahlung erzeugt und den Farbeindruck ins Rötliche verschiebt. Dieser Mechanismus spielt besonders bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Dioden eine Rolle. Spezielle Bauarten auf ähnlicher Grundlage, aber nicht direkt zu den Leuchtdioden gezählt, sind die Laserdiode, die Resonant-cavity light emitting diode und die organische Leuchtdiode.

Woran erkennst du Minus und Plus am Gehäuse

Bei bedrahteten Typen markiert eine Abflachung am Bund des Gehäusesockels die Kathode, also den Minuspol. Bei fabrikneuen Teilen ist der Anschluss der Kathode zudem kürzer, als Merkregel gilt: Kathode ist kurz wie Kante. Bei den meisten Leuchtdioden ist der Reflektor die Kathode, in seltenen Fällen ist der Aufbau umgekehrt. Für das Schaltzeichen gilt die Merkregel, dass die technische Stromrichtung durch den Pfeil angezeigt wird, den die Anode durch ihre Form bildet.

Warum sitzt der Kristall in einem kleinen Trichter

Der Halbleiterkristall vieler Leuchtdioden liegt auf dem Boden einer kegelförmigen Vertiefung in einem Metallhalter. Die Innenseiten wirken als Reflektor für Licht, das seitlich aus dem Kristall tritt. Die Verbindungsstelle bildet einen der beiden elektrischen Anschlüsse und nimmt zugleich Abwärme auf, weil der Kristall nur einen Teil der elektrischen Leistung in Licht umsetzt. Der Halter mit Reflektor ist bei bedrahteten Typen als Draht mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt, der als Anschluss dient.

Anders als sonst üblich bestehen die Anschlüsse nicht aus Kupfer, sondern aus verzinntem Eisendraht. Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist vergleichsweise gering, dadurch wird der Kristall beim Einlöten in eine Leiterplatte nicht durch Überhitzung zerstört. Die Oberseite des Kristalls ist durch einen sehr dünnen Bonddraht mit dem zweiten Anschluss verbunden, damit die Zuführung nur sehr wenig der leuchtenden Oberfläche verdeckt. Mehr zum sicheren Umfeld solcher Lötstellen erklärt die Elektroinstallation im Haus.

Wie entsteht Licht am p-n-Übergang

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt, wie die Energie beim Wechsel eines Elektrons vom Leitungsband in das Valenzband übertragen wird. Bei indirekten Halbleitern wie Silizium braucht der Wechsel vom Leitungsbandminimum in das Valenzbandmaximum einen zusätzlichen Impulsübertrag, etwa durch Emission oder Absorption eines Phonons als Gitterschwingung. Weil ein zusätzliches Quasiteilchen beteiligt sein muss, sinkt die Wahrscheinlichkeit, es dominieren nichtstrahlende Übergänge wie die Rekombination über Störstellen. Eine normale Gleichrichterdiode leuchtet deshalb nicht.

Direkte Halbleiter haben einen direkten Bandübergang: Elektronen am unteren Rand des Leitungsbandes und am oberen Ende des Valenzbandes haben denselben Impuls. Damit ist ein direkter Übergang unter Aussendung eines Photons möglich, ohne dass ein Phonon zur Impulserhaltung nötig ist. Die Quantenausbeute von Galliumarsenid liegt bei etwa 0,5, bei Silizium nur bei etwa 1 × 10 hoch minus 5. Ausführlich zeigt die deutschsprachige Wikipedia-Seite zur Leuchtdiode den Aufbau der Leuchtdiode im Detail.

Warum entscheidet der Kristall über die Farbe

Die Energie des Photons entspricht der Bandlücke, also dem Abstand zwischen Leitungsband und Valenzband, und diese Größe ist vom verwendeten Werkstoff abhängig. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung in gewissen Grenzen steuern, weil der Austausch von Atomen im Gitter den Aufbau verändert, unter anderem Gitterparameter oder Gitterstruktur. So hat Galliumarsenid einen direkten Abstand von 1,4 eV, entsprechend 885 nm im nahen Infrarot. Die Zugabe von Phosphor vergrößert den Abstand, das Licht wird energiereicher, die Wellenlänge kürzer, die Farbe wandert von Infrarot nach Rot und Gelb.

Ersetzt Phosphor 50 Prozent der Arsen-Atome, liegt der Abstand bei fast zwei Elektronenvolt, also bei 650 nm Rot, doch die Bandstruktur verschiebt sich so, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden. Die Höhe der Bandlücke spiegelt sich auch in der Durchlassspannung: Bei langwelligem Licht liegt sie bei etwa 1,5 V, bei blauem Licht bei 3 V, während Siliziumdioden kleinere Werte um 0,6 V zeigen. Als Anhaltspunkt nennt die Darstellung 1,24 V mal Mikrometer geteilt durch Wellenlänge plus 0,3 V. Infrarot-Typen liegen bei 1,2 bis 1,8 V, typisch 1,3 V.

Wie wird aus Blau ein wohnliches Weiß

Leuchtdioden erzeugen grundsätzlich nur einfarbiges Licht, weißes Licht entsteht durch additive Mischung. Eine Möglichkeit sind rote, grüne und blaue Dioden in einem Gehäuse, sogenannte RGB-LEDs, deren Licht sich bei passender Ansteuerung außen als Weiß zeigt und mit Diffusor besser mischt. So lassen sich auch andere Farben und fließende Übergänge einstellen. Eine seltene Variante kombiniert eine Ultraviolett-Diode mit mehreren Leuchtstoffen in Rot, Grün und Blau, was eine gute Wiedergabe bis über Ra gleich 90 erlaubt, mit drei recht schmalen Spitzen, doch unterschiedliche Schichtdicken machen am Rand die Farbe richtungsabhängig und die Farbtemperatur lässt sich im Betrieb nicht wie bei RGB ändern.

Der gängige Weg nutzt eine blaue oder ultraviolette Diode mit photolumineszierendem Farbstoff, auch Leuchtstoff genannt. Wie in Leuchtstoffröhren wird kurzwelliges Licht in langwelligeres umgewandelt, die Wahl der Stoffe legt die Farbtemperatur fest. Weiße LEDs sind meist blaue Dioden auf InGaN-Basis mit gelblicher Schicht als Wellenlängen-Wandler und werden vielfach für Leuchtmittel eingesetzt, ähnlich mit veränderter Schicht in Pastelltönen. Häufige Werkstoffe sind Aluminiumgalliumarsenid für Infrarot bis 1000 nm und Rot um 665 nm, Galliumarsenidphosphid und Aluminiumindiumgalliumphosphid für Rot, Orange und Gelb, Galliumphosphid für Gelbgrün sowie Indiumgalliumnitrid und Galliumnitrid für Violett, Blau und echtes Grün.

Warum mögen helle Dioden keine Wärme

Hochleistungs-Dioden arbeiten mit höheren Strömen als 20 Milliampere und stellen besondere Anforderungen an die Abfuhr der Wärme, was eigene Bauformen verlangt. Die Wärme kann über die Zuleitungen, die Reflektorwanne oder eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden. Die meisten Typen ab 1 Watt sind für die Montage auf Kühlkörper vorbereitet. Steigt die Temperatur, sinkt anders als bei Glühlampen der Wirkungsgrad und die zu erwartende Lebensdauer verkürzt sich. Eine weitere Bauart montiert den Chip direkt auf der Platine und vergießt ihn später mit Silikon, im Fachhandel als COB-LED bezeichnet.

Mehrfarbige Typen enthalten zwei bis vier Dioden in einem Gehäuse, meist mit gemeinsamer Anode oder Kathode und einem Anschluss je Farbe. Bei Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei Chips antiparallel geschaltet, je nach Polarität leuchtet die eine oder die andere Diode. Eine fast stufenlose Änderung gelingt über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms. Selten genutzte Werkstoffe sind Siliziumkarbid als erste kommerzielle blaue Diode mit heute kaum noch praktischer Nutzung wegen geringer Ausbeute sowie Zinkselenid als blauer Emitter ohne kommerzielle Reife. Für Blau und Grün lassen sich mit Atomlagenepitaxie aus Magnesocen dünne Magnesium-dotierte Nitrid-Filme von Metallen der dritten Hauptgruppe, überwiegend Gallium, aufbringen.

Was fragst du im Laden oder beim E-CHECK

Leuchtdioden haben eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie, abhängig unter anderem von der Temperatur. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung stellt sich durch den Betriebsstrom ein, streut von Stück zu Stück und sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden. Deshalb ist die Versorgung über eine Konstantstromquelle wichtig, oft angenähert als Vorwiderstand, für eine definierte Helligkeit. Der direkte Betrieb an einer Spannungsquelle ist riskant, weil sich der Arbeitspunkt über die Spannung wegen Streuung und Temperatur nicht genau genug einstellen lässt.

Die Entwicklung erhöhte die Ausbeute durch bessere Halbleiter und passendere Geometrie von Kristall und Gehäuse. Ab etwa den 1990er Jahren reichte sehr kleiner Strom für sinnvolle Helligkeit bei Low-current-Typen. Die zulässige Stromaufnahme reicht von 2 mA bei miniaturisierten SMD- oder Low-current-Typen über 20 mA bei Standard-Typen bis über 18 A mit Stand vom Juni 2008 bei Hochleistungs-Typen. Bis Anfang der 1990er Jahre ließen sich nicht alle Farben in hinreichender Qualität fertigen, besonders Blau fehlte, und Grün passte nicht für Ampeln mit geforderter blaugrüner Farbe. Erste blaugrüne Dioden gehen auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis von Galliumnitrid zurück, wofür er 2014 den Nobelpreis für Physik erhielt, die Massenproduktion von Blaugrün und danach Blau begann 1993. Wenn du zu Hause Lampen tauschst, hilft der Ablauf des E-CHECK im Einfamilienhaus, und für Flure und Kinderzimmer zeigt die Auswahl der Rauchmelder nach Raum die nächste Aufgabe am selben Rundgang. Nimm eine Lampe aus der Schublade, lies Farbe und Sockel ab, notiere Strom und Spannung vom Typenschild und lege den Zettel dem Fachbetrieb vor.