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Light Emitting Diod (LED)

Klein, sparsam, haltbar: Die LED als vielseitige Lichtquelle findet immer verbreiterte Anwendung. Grund genug sich etwas genauer mit ihr und ihren Grundlagen zu befassen.
Die LED ist ein Halbleiterbauelement wie jede Diode heutzutage auch. Diese Halbleiterbauelemente wie z.B. auch der Transistor haben Bauteile wie Röhrendiode und Triode vollkommen ersetzt. Doch was versteht man unter einem Halbleiter, wie ist eine Diode allgemein aufgebaut und welche Vorzüge aber auch Nachteile besitzt die LED gegenüber herkömmlichen Lichtquellen?
Diese Fragen werden im folgenden Versuch beantwortet, dazu müssen wir uns zunächst etwas mit Festkörpern allgemein auseinandersetzen.
Betrachtet man ein einzelnes Atom, so können die Elektronen bestimmte Energieniveaus in den verschiedenen Orbitalen einnehmen. Nähern sich zwei Atome, spalten sich diese Energieniveaus durch die gegenseitige Wechselwirkung auf, d.h. Hüllenelektronen können zusätzlich bestimmte neue Energien annehmen. Im Festkörper ist die Anzahl nahe beieinander liegender Atome sehr groß, die Energieniveaus der einzelnen Atome nehmen dann so viele dicht zusammen liegende Werte an, dass man von kontinuierlichen Energiebändern sprechen kann. Anhand dieses Modells können die verschiedenen elektrischen Leitfähigkeiten der Festkörper gut erklärt werden, wenn man sich unter dem Leitungsband die Energiewerte vorstellt, die von durch das Material fließenden Elektronen (=elektrischer Strom) eingenommen werden. Das Valenzband ist das Band in dem sich die äußersten Hüllenelektronen befinden, ist es nicht vollbesetzt kann es selber als Leitungsband dienen.


Bändermodell verschiedener Materialien

Bei dem uns interessierenden Halbleiter ist die Energielücke zwischen Valenzband und Leitungsband nicht so groß wie bei einem Isolator, aber sie existiert im Gegensatz zu einem leitenden Material. Die Energielücke stellt für Elektronen eine verbotene Zone dar, d.h. in diesem Energiebereich kann sich kein Elektron befinden.
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu erhöhen, zum einen durch Erhöhung der Temperatur, da dann Valenzelektronen durch thermische Anregung ins Leitungsband wechseln können (“Eigenleitung”). Die zweite Möglichkeit ist die so genannte Dotierung, was das Einbauen von Fremdatomen eines Elements aus einer anderen Hauptgruppe bezeichnet (“Störstellenleitung”). Dadurch kann der Halbleiter n-dotiert werden (in der Abbildung unten Si mit As), d.h. es werden mehr Leitungslektronen dadurch zur Verfügung gestellt, dass das Fremdatomselbst mehr Valenzelektronen besitzt als das Halbleitermaterial selbst, oder es wird p-dotiert, wodurch fehlende Elektronen im Valenzband (“Löcher”) zusätzlich zum Stromfluss beitragen können (in der Abbildung Dotierung des Si mit Ga).

Rechts ein n-dotierter Si-Kristall:
Das zusätzliche Valenzelektron des As-Atoms kann aus den sog. Donorniveaus sehr leicht in das Leitungsband angeregt werden und so die Leitfähigkeit erhöhen.
Darunter ist ein mit Ga n-dotierter Si-Kristall dargestellt. Das Ga besitzt ein Valenzelektron weniger als das Si. Elektronen aus dem Valenzband können sehr leicht in die vom Ga neu eingebrachten leeren Akzeptorniveaus wechseln, so dass nun die dadurch im Valenzband entstehenden Löcher die Leitfähigkeit erhöhen.

Mit diesen Grundlagen kann man die heutigen Halbleiterdioden schon fast verstehen, diese besteht nämlich einfach aus einem p- und einem n-dotierten Halbleiter in Kontakt, kurz einem p-n-Übergang. Dieser zeigt für die Anwendung wichtige Eigenschaften, die in der nächsten Abbildung zusammengefasst sind und im Versuch zum Teil gezeigt werden.

Bei einem p-n-Übergang ohne äußere Spannung diffundieren wegen der unterschiedlichen Konzentrationen Löcher von der p- zur n-Seite und Elektronen umgekehrt, bis sich ein bestimmtes Gleichgewicht eingestellt hat. Will man nun einen Stromfluß durch den Übergang erreichen (Diode in Durchlaßrichtung), so muß die Spannungsquelle wie rechts gezeigt angeschlossen sein, da nur dann das zugehörige elektrische Feld die weitere Diffusion der Ladungsträger ermöglicht. Ist die Spannungsquelle umgekehrt angeschlossen, können keine weiteren Elektronen von n- zu p-Seite wechseln und Löcher umgekehrt, die Diode ist in Sperrichtung geschaltet.

Eine Diode, die Licht ausstrahlt erhält man schließlich, indem sie in Durchlassrichtung mit einer Spannung einer Größenordnung betrieben wird, bei der die Elektronenkonzentration im p-Bereich und die Löcherkonzentration im n-Bereich so hoch ist, dass verstärkt Rekombination stattfindet (d.h. Leitungselektronen füllen die Löcher im Valenzband auf), die dabei abgegebene Energie wird als Licht abgestrahlt.
Im Versuch werden wir feststellen, dass die LED immer richtig an die Spannungsquelle angeschlossen werden muss, um zu funktionieren, was in der Abbildung oben im Prinzip schon erklärt ist (Diode in Sperrichtung - kein Stromfluss).

Vor- und Nachteile der LED:

Hier die Ansicht einer LED mit klarem Gehäuse, die Diode selbst sieht man auf diesen Bildern noch nicht.

Erst bei Betrachtung der LED unter dem Mikroskop erkennt man die Halbleiterübergangsschicht, mit bloßem Auge gut erkennbar sind nur tragende Teile und der Reflektor, der bei diesen Lichtquellen praktischerweise stets integriert ist.

Interessant ist vor allem die Möglichkeit der Erzeugung verschiedenfarbigen Lichtes durch Verwendung verschiedener Halbleitermaterialien bzw. verschiedener Fremdatome zur Dotierung. Bei herkömmlichen Glühbirnen erhält man farbliche Effekte durch Herausfiltern eines Teils des ausgesandten Spektrums.
LEDs aus GaP und GaAs werden seit vielen Jahren hergestellt und können rotes, gelbes und grünes Licht erzeugen. Die jüngere Entwicklung der blau leuchtenden GaN-LEDs ermöglicht die Erzeugung beliebiger Farben, da erst mit ihnen alle drei Grundfarben zur Verfügung standen.


Weiter Quellen zum Thema: