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Home Wissenswertes Leuchtdioden

Leuchtdioden (Light Emitting Diode - LED)

bedrahtete 5mm LED

Leuchtdioden gehören zu den Elektrolumineszenzstrahlern. Sie sind Halbleiterdioden, die nach Anlegen der Durchlassspannung aus der Sperrschicht heraus Licht emittieren. Sie basieren auf Halbleiterverbindungen.

 

 

Ausschnitt Periodensystem

Die Strahlungserzeugung erfolgt bei den LED durch Rekombination von Ladungsträgerpaaren in einem Halbleiter mit entsprechendem Bandabstand.

Der Bandabstand und damit die Wellenlänge des Lichtes ist durch die Wahl der Halbleiterstoffe in Zusammenhang mit dem entsprechenden Dotiermaterial bestimmt.

Die Leuchtdiode dient zur Erzeugung einer (im Vergleich zu Temperaturstrahlern) schmalbandigen Strahlung im nahen UV, im sichtbaren oder im Infrarotbereich. Auch die Laserdiode beruht auf dem LED-Konzept. Lumineszenzdioden sind bis zum MHz-Bereich modulierbar (Optoelektronik) und benötigen nur niedrige Spannung. Im Gegensatz zur Glühwendel sind sie unempfindlich gegen mechanische Stöße, sie haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Größe der Leuchtfläche liegt bei etwa 10-3mm2 bis 4mm2. Praktisch hat man also eine punktförmige Strahlungsquelle verfügbar.

 

 

 

 

 

 

 

Halbleiterwerkstoffe

Halbleiterwerkstoffe haben einen kristallinen Aufbau. In einem Halbleiterkristall existiert das sogenannte Valenzband, das die Energie der gebundenen Elektronen der Atome repräsentiert und ein höheres Energieband, genannt das Leitungsband, das die Energie der im Kristall frei beweglichen Elektronen charakterisiert.

Bei Zimmertemperatur ist die thermische Energie groß genug, um einige Atome des Halbleitermaterials zu ionisieren. Es existiert daher eine geringe aber entscheidende Leitfähigkeit, deren Existenz den Namen Halbleiter geprägt hat. Sie ist etwa um das 105 fache geringer als die von Metallen, aber größer als die von Isolierstoffen. Wird einem Elektron genügend Energie zugeführt, um seinem Mutteratom zu entkommen, so bewegt es sich willkürlich durch das Material, bis es ein ionisiertes Atom, ein sogenanntes Loch, trifft, mit dem es rekombiniert. Durch den Rekombinationsprozess verliert es die Energie, die der Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband entspricht. Diese Energie kann in Form eines Photons abgegeben werden und bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichts.

Die Zahl der beweglichen Ladungsträger lässt sich stark erhöhen, wenn der Halbleiter dotiert wird, d.h. dass in das Kristallgitter Störstellen in Form von höher- bzw. geringerwertigen Fremdatomen eingebaut werden.

Grafik1

Beispielsweise bleibt beim Einbau von Arsenatomen (As) in ein Germaniumgitter (Ge) jeweils das fünfte Valenzelektron übrig, da es nicht zur Bindungsbildung benötigt wird. Schon bei Zimmertemperatur wandert es frei durch das Gitter. Man bezeichnet das Arsenatom als Donator (Elektronenspender), da es durch Abgabe eines Elektrons die Elektronenleitung ermöglicht. Diesen Halbleiter mit überschüssigen Leitungselektronen nennt man n-Leiter.
n-Leiter sind durch Fremdatome mit höherer Wertigkeit dotierte Halbleiter.

Grafik2

Ein Atom mit nur drei Valenzelektronen, z.B. Indium, wird dagegen als Akzeptor (Elektronenfänger) bezeichnet. Bei diesem wandert ein positiver Ladungszustand durch das Fehlen eines Elektrons frei durch das Gitter, der eine Löcherleitung ermöglicht. Man bezeichnet diesen Halbleiter als p-Leiter.
p-Leiter sind durch Fremdatome mit kleinerer Wertigkeit dotierte Halbleiter.

 

Halbleiterdioden

Halbleiterdioden

Stoßen zwei Halbleiterzonen verschiedener Leitungsart aneinander, so entsteht ein pn-Übergang. Er bildet die Grenzschicht zwischen einem p-Leiter und einem n-Leiter. Es diffundieren negative Ladungsträger (Elektronen) vom n-Leiter in den p-Leiter und positive Ladungsträger (Löcher) vom p-Leiter in den n-Leiter. Dabei finden Rekombinationen statt. Die Leitungselektronen der Grenzschicht werden zu gebundenen Valenzelektronen, und die Löcher verschwinden. In der Grenzschicht halten sich keine beweglichen Ladungsträger mehr auf.

Die Diffusion beeinflusst die Lage der Ionen, welche im Halbleiter ortsfest sind, nicht. Deshalb verbleibt in der Grenzschicht des n-Leiters nach Abwandern der Elektronen eine positive Ladung. Entsprechend erhält der p-Leiter in der Grenzschicht eine negative Ladung. Die Ladungen innerhalb der Grenzschicht bewirken eine Spannung am pn-Übergang, die ein weiteres Eindringen von Ladungsträgern in die Grenzschicht verhindert. Der Ladungstransport wird dort gesperrt. Somit wird die Grenzschicht zu einer Sperrschicht.

Sperrichtung und Durchlassrichtung

Die Sperrschichtbreite nimmt bei Anlegen der Spannung zu, wenn der Pluspol der Spannung am n-Leiter und der Minuspol am p-Leiter liegen. Diese Richtung der Polung nennt man Sperrichtung. In Sperrichtung ist der Widerstand (Sperrwiderstand) groß. Es fließt nur ein kleiner Sperrstrom.

Die Sperrschichtbreite nimmt beim Anlegen der Spannung ab, wenn der Minuspol der Spannung am n-Leiter und der Pluspol am p-Leiter liegt. Diese Richtung der Polung nennt man Durchlassrichtung. In Durchlassrichtung ist der Widerstand (Durchlasswiderstand) klein. Es fließt der Durchlassstrom (Vorwärtsstrom).

Ein pn-Übergang hat elektrisch die Funktion einer Diode.

Grafik1

Für die Diodenanschlüsse wurden die Bezeichnungen Anode und Katode von der Röhrendiode übernommen. Man versteht unter Anode die positive Elektrode (p-Schicht) und unter Katode die negative Elektrode (n-Schicht).

 

 

Geschichte

Entwicklung der Halbleiterlichtemitter

Entwicklung der Effizienz der Leuchtdioden Kommerziell wurden 1962 die ersten roten GaAsP Lumineszenzdioden von General Electric angeboten. Grob gesagt konnte danach jedes Jahrzehnt die Effektivität um das Zehnfache erhöht werden.

Isoelektronisches Dotieren von GaP und GaAsP mit Stickstoff führten zu einer solchen Erhöhung der Effektivität und machten 1971 zusätzlich grüne, orangene und gelbe LED verfügbar. Ein weiterer großer Sprung war mit der Entwicklung hocheffektiver roter AlGaAs Dioden in den frühen 80er Jahren getan. Diese Lumineszenzdioden waren die ersten, die farbig gefilterte Glühlampen in der Effektivität übertrafen und diese in bestimmten Gebieten (Signalleuchten und Anzeigentafeln) zu ersetzen begannen. Anfang der 90er Jahre führten die AlInGaP LED zu einer bedeutenden Steigerung im rotorangen bis gelben und grünen Spektralbereich. Eine weitere zweifache Steigerung der Lichtausbeute erreichte Hewlett Packard (jetzt Avago) 1994 durch das Ersetzen des GaAs-Substrates, auf die lichtemittierenden pn-Schichten aufgebracht werden, durch ein transparentes GaP-Substrat.

Diese „Transparentes Substrat Dioden“ (TS-AlInGaP) sind mit ca. 40 lm/W die effektivsten heute (2000) verfügbaren Lumineszenzdioden.

Hocheffektive blaue LED waren bis vor wenigen Jahren nicht verfügbar, obwohl schon lange an ihnen geforscht wird. Die Ende der Achtziger eingeführten SiC-Dioden sind in einigen Gebieten sinnvoll einzusetzen, sie haben jedoch eine sehr geringe Effektivität. Ende 1993 wurden von Shuji Nakamura bei Nichia Chemical im blauen und grünen Spektrum emittierende InGaN-Dioden mit einer um ein Vielfaches höheren Effektivität vorgestellt. Die Effektivität dieser InGaN-Dioden hat sich seither ständig erhöht. Noch sind sie aber relativ teuer, dassdie Substratmaterialien schwieriger herstellbar sind bzw. neue Verfahren angewendet werden müssen, um die Epitaxieschicht aufzubringen.

Hocheffektive Lumineszenzdioden decken heute den gesamten Spektralbereich ab. Es werden neue Einsatzgebiete erschlossen, und in verschiedenen Bereichen können andere Lichtquellen durch LED ersetzt werden.

LED Geschichte

Das Phänomen der Lichterzeugung durch elektrische Anregung eines Festkörpers wurde erstmals im Jahre 1907 von H.J. Round unter dem Kontakt an einem Siliziumkarbid-Kristall (SiC), der zur Detektion von Radiowellen bestimmt war, entdeckt. Dabei wurde bereits erkannt, dass es sich um kaltes Licht handelte, denn die Emission erfolgte ohne erkennbare Erwärmung des Kristalls. Diese Beobachtung wurde zunächst nicht beachtet, dasssich die mit SiC beschäftigten Forscher in dieser Zeit nur für Radiodetektoren interessierten. Erst 1921 entdeckte O.V. Lossew diese Lichtemission wieder. Lossew untersuchte das Phänomen in den Jahren 1927 und 1942 genauer, dass er die neuartige Lichtquelle mit einem Drehspiegel modulieren konnte und sie daher für die Nachrichtenübertragung einsetzen wollte.

1935 wurde von G. Destriau an Zinksulfid (ZnS) ein ähnlicher Leuchteffekt entdeckt und von ihm als Lossew-Licht bezeichnet.

Es dauerte lange, bis sich Lossews Beobachtung in das theoretische Schema des Festkörperwissens einordnen ließ. Erst 1951 konnte die Lichtemission befriedigend erklärt werden. Hierzu war der ganze mit der Entdeckung und Entwicklung des Transistors eingeleitete wissenschaftliche Fortschritt in der Halbleiterphysik notwendig. Nun setzte von 1952 bis 1961 zuerst die Erforschung und Weiterentwicklung des Destriau-Effektes ein, womit man unter Verwendung von ZnS-Pulverphosphoren flache Bildschirme erzielen wollte, um die Kathodenstrahlröhre zu ersetzen.

Während der entsprechende Erfolg mit ZnS ausblieb, brachten die 1952 als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungen den erhofften Durchbruch. Diese Materialien entstehen aus den Elementhalbleitern, die mit drei- und fünfwertigen Elementen dotiert werden. Etwa 1957 begann man mit intensiven grundsätzlichen Untersuchungen der Lichterzeugung mit den neuen Halbleitern und mit der Entwicklung einer geeigneten Technologie zur Herstellung von Kristallen und Bauelementen. Von besonderer Bedeutung war die Lichtemission im Sichtbaren auf der Basis eines direkten Mischkristalls aus Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP), die 1962 berichtet wurde. Mit dieser Arbeit kam nämlich endlich – 55 Jahre nach der ersten Entdeckung von H.J. Round – die LED-Entwicklung voll in Gang.
 

Herstellung der LED

Grafik1

Ausgangspunkt für die Herstellung von Lumineszenzdioden ist ein einkristallines Grundmaterial. Einkristalle werden nach dem Schutzschmelzverfahren hergestellt. Ein Impf- oder Keimkristall wird in die Schmelze des Materials eingetaucht und unter dauerndem Drehen wieder herausgezogen. Man erhält Kristalle bis zu 100 mm Durchmesser. Durch Zonenschmelzverfahren wird der entstandene Kristall gereinigt und die Kristallstruktur verbessert.

Diese Kristalle können jedoch nicht direkt zur Herstellung von Lumineszenzdioden verwendet werden, weil bei den hohen Herstellungstemperaturen Verunreinigungen und eine Vielzahl von Kristalldefekten auftreten. Kristalldefekte führen zu nichtstrahlenden Rekombinationen, wodurch der Wirkungsgrad sehr klein wird. Man verwendet die Einkristalle als tragendes und die Kristallausrichtung vorgebendes Substrat. Dazu wird er in dünne Scheiben geschnitten. Auf diesen sogenannten Wafern wachsen die mit Epitaxieverfahren aufgebrachten unterschiedlich dotierten Schichten, die die geforderten Lumineszenzeigenschaften haben.

Es werden verschiedene Epitaxieverfahren unterschieden. Dies sind zur Herstellung von III-V Materialien für hocheffektive LED hauptsächlich:

Flüssigphasenepitaxie (LPE - liquid-phase epitaxy)
Molekularstrahlepitaxie (MBE - molecular-beam epitaxy)
organometallische Gasphasenepitaxie (OMVPE - organometallic vapor-phase-epitaxy)

Struktur einer AlInGaP Leuchtdiode

Nachdem die pn-Übergänge hergestellt wurden, werden die Kontaktierungen vorgenommen und der Wafer in Halbleiterplättchen zerschnitten. Es folgt das Aufkleben oder Auflegieren des Halbleiterplättchens auf ein Leitermaterial und das Verbinden des Oberseitenkontaktes mit dem zweiten Elektrodenstift mit Hilfe eines Golddrahtes. Schließlich wird die Lumineszenzdiode in einen Kunststoff eingegossen. Die Kunststoffumhüllung dient zum Schutz der Lumineszenzdiode, bestimmt deren Abstrahlcharakteristik und verbessert die Lichtaustrittsverhältnisse.

 

 

 


 

LED Bauformen

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Leuchtdioden werden in verschiedenen, den Einsatzzweck angepassten Bauformen angeboten. Neben speziellen Metall-/Glas-Gehäusen werden hauptsächlich Plastikbauformen eingesetzt. Hier setzt der Kunststoffkörper zum einen den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Chipoberfläche herab und erhöht damit die aus dem Kristall austretende Strahlungsleistung, zum anderen wirkt die gekrümmte Oberfläche als Linse und bündelt die Strahlung in Achsrichtung. Sie sind problemlos in großen Stückzahlen zu fertigen.

Je nach Verlötungsverfahren wird bei elektronischen Bauteilen zwischen den auf der Rückseite der Platine verlöteten, bedrahteten und den SMD (Surface Mounted Device) Bauformen unterschieden. Auch LED werden in beiden Bauformen angeboten. Industriell werden hauptsächlich SMD LED eingesetzt, bedrahtete LED lassen sich auch von Hand verlöten.

Eine weitere Bauform ist die COB (Chip on Board) Technologie. Hier werden die Halbleiterchips direkt auf der Platine kontaktiert.4

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Abstrahlcharakteristik

Abstrahlcharakteristik oder Lichtverteilung einer 3mm LED
Die Lichtstärke in die verschiedenen Ausstrahlungsrichtungen hängt vom Lampenkörper ab, sie wird durch die Lichtstärkeverteilungskurve (LVK) beschrieben.

Die Lichtstärkeverteilungskurve wird meistens in Polarkoordinaten angegeben. Für rotationssymmetrische Lichtverteilungen reicht die Darstellung in einer Ebene durch die Leuchte aus. Als Abstrahlwinkel ist der Winkel definiert, bei dem die Intensität 50% beträgt.

Leuchtdioden werden in verschiedenen, den Einsatzzweck angepassten Bauformen angeboten. Neben speziellen Metall-/Glas-Gehäusen werden hauptsächlich Plastikbauformen eingesetzt. Hier setzt der Kunststoffkörper zum einen den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Chipoberfläche herab und erhöht damit die aus dem Kristall austretende Strahlungsleistung, zum anderen wirkt die gekrümmte Oberfläche als Linse und bündelt die Strahlung in Achsrichtung. Sie sind problemlos in großen Stückzahlen zu fertigen.

Je nach Verlötungsverfahren wird bei elektronischen Bauteilen zwischen den auf der Rückseite der Platine verlöteten, bedrahteten und den SMD (Surface Mounted Device) Bauformen unterschieden. Auch LED werden in beiden Bauformen angeboten. Industriell werden hauptsächlich SMD LED eingesetzt, bedrahtete LED lassen sich auch von Hand verlöten.

Eine weitere Bauform ist die COB (Chip on Board) Technologie. Hier werden die Halbleiterchips direkt auf der Platine kontaktiert.

 

Halbleiterdioden

Halbleiterdioden

Stoßen zwei Halbleiterzonen verschiedener Leitungsart aneinander, so entsteht ein pn-Übergang. Er bildet die Grenzschicht zwischen einem p-Leiter und einem n-Leiter. Es diffundieren negative Ladungsträger (Elektronen) vom n-Leiter in den p-Leiter und positive Ladungsträger (Löcher) vom p-Leiter in den n-Leiter. Dabei finden Rekombinationen statt. Die Leitungselektronen der Grenzschicht werden zu gebundenen Valenzelektronen, und die Löcher verschwinden. In der Grenzschicht halten sich keine beweglichen Ladungsträger mehr auf.

Die Diffusion beeinflusst die Lage der Ionen, welche im Halbleiter ortsfest sind, nicht. Deshalb verbleibt in der Grenzschicht des n-Leiters nach Abwandern der Elektronen eine positive Ladung. Entsprechend erhält der p-Leiter in der Grenzschicht eine negative Ladung. Die Ladungen innerhalb der Grenzschicht bewirken eine Spannung am pn-Übergang, die ein weiteres Eindringen von Ladungsträgern in die Grenzschicht verhindert. Der Ladungstransport wird dort gesperrt. Somit wird die Grenzschicht zu einer Sperrschicht.

Sperrichtung und Durchlassrichtung

Die Sperrschichtbreite nimmt bei Anlegen der Spannung zu, wenn der Pluspol der Spannung am n-Leiter und der Minuspol am p-Leiter liegen. Diese Richtung der Polung nennt man Sperrichtung. In Sperrichtung ist der Widerstand (Sperrwiderstand) groß. Es fließt nur ein kleiner Sperrstrom.

Die Sperrschichtbreite nimmt beim Anlegen der Spannung ab, wenn der Minuspol der Spannung am n-Leiter und der Pluspol am p-Leiter liegt. Diese Richtung der Polung nennt man Durchlassrichtung. In Durchlassrichtung ist der Widerstand (Durchlasswiderstand) klein. Es fließt der Durchlassstrom (Vorwärtsstrom).

Ein pn-Übergang hat elektrisch die Funktion einer Diode.

Grafik1

Für die Diodenanschlüsse wurden die Bezeichnungen Anode und Katode von der Röhrendiode übernommen. Man versteht unter Anode die positive Elektrode (p-Schicht) und unter Katode die negative Elektrode (n-Schicht).

 

 

Strom

Die Abstrahlung von LED ist etwa proportional zum Strom. Die Strombelastbarkeit hängt ähnlich wie bei anderen Bauelementen von der Wärmeabfuhr ab. Soll also die LED mit höheren Strömen beschaltet werden, um den erzeugten Lichtstrom je LED zu erhöhen (das bedeutet keine Steigerung des Wirkungsgrades), so muss also durch eine entsprechende Bauform eine gute Wärmeableitung aus dem Lampenkörper gewährleistet sein.

Gewöhnlich werden LED mit 20mA betrieben. Bei den Hochleistungs-LED (1W-5W LED) ist der Betriebsstrom deutlich höher, er kann bis zu 1A betragen.

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Der Durchlassstrom steigt mit wachsender Spannung erst langsam und dann immer schneller an. Ein stärkerer Strom bewirkt eine erhöhte Wärmeentwicklung. Höhere Temperatur erzeugt aber mehr Ladungsträger. Dadurch steigt der Strom weiter an, der Halbleiter wird noch mehr erwärmt. Oberhalb einer bestimmten Temperaturgrenze wird das Kristallgitter eines Halbleiters zerstört, d.h. Lebensdauer und Effizienz werden verringert. Deshalb muss in jedem Stromkreis mit einer Diode auch ein Widerstand liegen, der den Strom begrenzt, und entstehende Wärme muss abgeleitet werden.
 

2 Die Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit der Temperatur. Die Effizienz von LED sinkt.

Ebenso wird durch das Anlegen einer zu großen Spannung in Sperrrichtung eine Diode zerstört.

 
 

 
 

 

Alterung und Lebensdauer der LED

Beim Langzeitverhalten von Lumineszenz- und Laserdioden spielen die zeitlichen Veränderungen ihrer Emissionseigenschaften die entscheidende Rolle. Im allgemeinen nimmt die Intensität der Emissionsstrahlung einer unter konstanten Bedingungen betriebenen Lumineszenzdiode kontinuierlich ab. Dieses Verhalten wird als Alterung oder Degradation bezeichnet und ist noch nicht restlos geklärt, hängt aber wohl mit der Wanderung bzw. Ausweitung von Störstellen im Kristall zusammen. Eine abrupte Abnahme der Emission, wie sie von Glühlampen her bekannt ist, wird bei Halbleiterlichtquellen nur bei der Laserdiode beobachtet, wenn infolge einer Kettenreaktion der Schwellenstrom so hoch wird, dass es zu einer Zerstörung der Diode kommt.

Die Alterung von Lumineszenzdioden, die bei niedriger Stromdichte betrieben werden, verursacht beim Anwender gewöhnlich keine gravierenden Probleme. Bei Standard-LED können Lebensdauern von 100000 Stunden (das entspricht 11½ Jahren ununterbrochener Leuchtdauer) erreicht werden, die höchsten angegebenen Werte liegen weit darüber (bei 109h). Die Lebensdauer hocheffizienter LED liegt niedriger, ca. bei 25000 bis 50000 Stunden.

Die LED-Lampe gehört heute schon zu den wirtschaftlichen Leuchtmitteln, da Service-Einsätze und Lampenaustausch nicht erforderlich sind.

Faktoren, die das Altern der LED beschleunigen

  • Um den Lichtstrom je LED zu erhöhen, kann der elektrische Strom erhöht werden. Da sich dann jedoch auch die Temperatur in der LED erhöht, verkürzt sich deren Lebensdauer. Besondere Bauformen der LED und der Platinen führen die Wärme effektiv von dem Chip ab und ermöglichen eine höhere Lichtausbeute, ohne die Lebensdauer stark zu verringern.
  • Durch hohe oder stark schwankende Umgebungstemperaturen wird die Lebensdauer verkürzt. Die thermische Belastung (auch beim Löten) ist gering zu halten.
  • Das Anlegen einer zu großen Spannung (in Durchlass- oder Sperrrichtung) zerstört die Diode. Ein Verpol- und Überlastschutz kann dies verhindern.
  • Die eingesetzten Halbleiter (hauptsächlich InGaN und AlInGaP) haben unterschiedliche Lebensdauern.
  • Die bei den meisten LED eingesetzten Kunststoffe der Linsen trüben sich mit der Zeit. Insbesondere die weißen und blauen LED lassen deswegen schneller in ihrer Leistung nach. Auch auf diesem Gebiet entwickelt sich die LED-Technologie weiter.

Als Betriebslebensdauer einer Lumineszenzdiode wird häufig die Zeitspanne bezeichnet, nach der bei konstant gehaltenem Durchlassstrom die Intensität der Emission auf die Hälfte des Anfangswertes abgesunken ist.

In vielen Einsatzbereichen bedeutet die Minderung des Lichtstromes um die Hälfte, dass geforderte Normen nicht eingehalten werden. Das muss von vornherein einkalkuliert oder eine geringere Lebensdauer angegeben werden.

Die Angaben zur Lebensdauer der LED sind kritisch zu hinterfragen.

Leuchtstofflampen
25000-50000 h

kompakte Leuchtstofflampen
ca. 8000 h

Glühlampen
1000-2000 h

 

Spannung

Wegen des hohen Dotierungsunterschieds an der Sperrschicht vertragen Leuchtdioden nur geringe Sperrspannung von ca. 5 V. Die Durchlassspannung hängt direkt von der Bandlücke ab und damit von der Lichtfarbe. Die Betriebsspannungen betragen 2V bis 4V. Der durch die Diode fliessende Strom ist von der angelegten Spannung abhängig.

 

LED Wirkungsgrad

Für den Gesamtwirkungsgrad der LED ist nicht nur der Prozess der Lichtentstehung, der bei bestimmten (direkten) Halbleitern mit nahe 100% abläuft (interne Quanteneffizienz), von Bedeutung, sondern auch die Frage der Auskopplung des Lichts von der tief im Halbleiter vergrabenen Sperrschicht in die Umgebung. Hierbei entstehen Verluste, die den Wirkungsgrad auf wenige Prozent herabsetzen.

Absorption
Die Halbleiterschichten müssen möglichst dünn und tranparent sein, damit das Licht aus dem Halbleiter austreten kann. Durch die Verwendung eines transparenten, wenn auch teureren Substrates werden auch die nach unten emittierten Photonen nicht absorbiert.

Reflexion beim Lichtaustritt
Die durch den großen Unterschied im Brechungsindex zwischen Luft n=1 und Halbleiter n=3,5 auftretende Totalreflexion ist eine wichtige Ursache für den schlechten Wirkungsgrad der LED. Eine Verbesserung lässt sich z.B. durch eine Epoxydharzabdeckung (n=1,5) erzielen. Es ergibt sich ein vergrößerter Winkel, unter dem das Licht aus dem Halbleiter austreten kann.

Die Absorptions- und Reflexionsgrade bestimmen die Menge der Strahlung, die das Lumineszenzdioden-Bauelement verlassen können. Der externe Quantenwirkungsgrad einer LED ergibt sich aus dem Verhältnis der Photonen, die die LED verlassen, zur aufgenommenen (elektrischen) Leistung. Der letztlich auf das Auge wirkende Lichteindruck (Helligkeit) hängt, bedingt durch die spektrale Augenempfindlichkeit, sehr stark von der Wellenlänge des Strahlers ab. So kann durchaus eine grün leuchtende LED mit geringer Strahlungsleistung dem Auge heller erscheinen als eine viel stärker strahlende rote LED.

Bei der Bewertung der Effizienz von LED Leuchten müssen auch die Leistungsverluste der Vorschalt- und Steuergeräte berücksichtigt werden.

Der Leuchtwirkungsgrad ergibt sich durch Gewichtung der spektralen Emission mit der Augenempfindlichkeit V(λ), bezogen auf die gesamte abgestrahlte Leistung. Der höchste theoretische Leuchtwirkungsgrad ergibt sich für monochromatisches Licht mit der Wellenlänge von 555nm. Sein Wert ist hier 683 lm/W.

Effizienz

Es ist zwischen dem (internen) Quantenwirkungsgrad, der das Verhältnis zwischen aufgenommener (elektrischer) Leistung (in Watt [W]) und abgestrahlter Leistung (Strahlungsfluss, auch in [W]) bezeichnet (nicht jede Rekombination findet strahlend statt) und dem Leuchtwirkungsgrad, der dem Verhältnis zwischen Strahlungsfluss und wahrgenommenem Licht (Lichtstrom in Lumen [lm]) entspricht, zu unterscheiden.

Als Produkt der beiden Wirkungsgrade und den Werten der Reflexion und Absorption ergibt sich das

Verhältnis des wahrgenommenen Lichtes zur aufgenommenen Energie (lm/W)

 

Temperatur

Einfluss der Umgebungstemperatur auf LED

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LED zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit des Lichtstroms von der Temperatur. Der Temperaturkoeffizient ist abhängig vom Material. Die Strahlungsleistung fällt bei den meisten LED bei einer Temperaturerhöhung um 100°C auf weniger als die Hälfte ab.

Je kälter also die Umgebung ist, um so effizienter ist die LED.

Temperaturstrahler verhalten sich genau umgekehrt. Dies ist ein Grund, warum bei der Entwicklung und dem Einsatz von LED besonders auf den Wärmehaushalt geachtet werden muss. Ein Wärmestau im LED-Lampenkörper muss vermieden werden.

Die Lichtfarbe ist je nach Halbleitertyp mehr oder wenig von der Umgebungstemperatur abhängig. Zu hohe Temperaturen (z.B. beim Verlöten) können die Leistung der LED dauerhaft mindern oder die Lebensdauer herabsetzen.


 

Farben

LED-Farben in der CIE Normfarbtafel
Leuchtdioden erzeugen eine schmalbandige (monochromatische) Strahlung im nahen UV, im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich.

Der Farbton der LED wird als dominante Wellenlänge definiert. InGaN-Dioden haben eine geringere Farbsättigung, sie sind nicht streng monochromatisch.

Durch die Zugabe von Leuchtstoffen auf den LED-Chip können Mischfarben erzeugt werden. Dadurch sind weiße LED oder auch pastellfarbene LED möglich. Deren Farbton wird meistens durch die x- und y-Werte in der CIE-Normfarbtafel definiert. Manchmal wird aber auch die (annähernde) Lichttemperatur angegeben.

 

 

Weisslicht LED

Die letzten technischen Entwicklungen haben den Lichtstrom der LED stark optimiert und erst mit der Verfügbarkeit einer blauen LED mit hoher Lichtausbeute die Möglichkeit geschaffen, auch weißes Licht herzustellen.

Um weiss leuchtende LED erzeugen zu können, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder fasst man mehrere LED-Chips unterschiedlicher Farbe in einem gemeinsamen LED-Gehäuse zusammen und mischt so die verschiedenen Farbanteile zu weißem Licht, oder man versieht die blau leuchtende LED mit einer internen Leuchtschicht, die ein Teil des blauen Lichtes in gelbes Licht umwandelt, um so alle Spektralanteile zu erzeugen, die für weißes Licht erforderlich sind.

 

RGB LED, Mehrchip LED, LED Module

LED leuchten nur in einem bestimmten, genau abgegrenzten Spektralbereich, sie sind nahezu monochromatisch. Weißes Licht kann durch den Einsatz verschiedenfarbiger LED erzeugt werden. Die additive Farbmischung von Rot, Grün und Blau (RGB) oder auch z.B. nur von Blau und Gelb kann neben allen anderen Mischfarben auch weißes Licht erzeugen. In MultiLED werden drei verschiedene LED-Chips in einer LED kombiniert.

Multi LED und Baugruppen farbiger LED bieten den Vorteil, dass die Lichtfarbe durch gezielte Ansteuerung innerhalb eines großen Farbraumes gewählt werden kann. Die Lichtausbeute von Glühlampen (18 lm/W) wird mit dieser Methode schon übertroffen.

RGB-LED-Module (Kombination vieler LED) werden für Beleuchtungszwecke aufgrund der hohen Effizienz farbiger LED und der möglichen dynamischen Lichtfarbenänderung eingesetzt.

Die Farbwiedergabequalität der MultiLED bleibt hinter der der weissen LEDs zurück, da dieses Weiß von verschiedenen, im Spektrum sehr begrenzten LED zusammengesetzt wird. Auch machen die unterschiedlichen Helligkeiten und Betriebsbedingungen der Leuchtdioden die Realisierung des weißen Lichts ansteuerungstechnisch diffizil und teuer.

    Bauformen, die aus je einem roten, grünen und blauen (RGB) LED-Chip in einem Gehäuse bestehen, werden z.B. für
  • hochauflösende LED-Video-Displays
  • Displayhinterleuchtung
  • RGB Lichtobjekte und Beleuchtung

eingesetzt.

LED (-Chips) in den Farben Blau, Grün und Rot
RGB LED, Multi-LED
Intensitätsverteilungen einzelner LED
Eine RGB-Platine von VS-Optoelectronic

 

 

Lumineszenz- konversion

Für die weiße Leuchtdiode werden blau oder auch UV emittierende LED mit Lumineszenzfarbstoffen (Photolumineszenz) kombiniert. Das kurzwellige und damit energiereichere blaue Licht regt den Farbstoff zum Leuchten an. Dabei wird langwelligeres, energieärmeres gelbes Licht abgegeben. Da nicht das gesamte blaue Licht umgewandelt wird, ergibt die resultierende additive Mischung der Spektralfarben das weiße Licht. Der Farbton der Weißlichtdiode ist über Wahl und Dosierung des Farbstoffes einstellbar, er bewegt sich in der CIE Normfarbtafel auf der Mischgeraden zwischen den beiden Farben.

Je nachdem, welcher Lumineszenzfarbstoff (oder auch Kombinationen) und welche primäre LED-Farbe verwendet wird, können neben Weißlicht auch andere Farben erzeugt werden: So ergibt zum Beispiel die additive Farbmischung des LED-Blau mit einem Photolumineszens-Rot ein Magenta, eine Farbe, die mittels einer konventionellen LED nicht herstellbar ist, dasses sich um keine Spektralfarbe handelt. Es können mehrere verschiedene Lumineszenzfarbstoffe kombiniert werden, prinzipiell ist jeder Farbort (pastellfarbene LED) und fein abgestufte Weißtöne (Lichtemperatur) erreichbar.

Nach diesem Prinzip aufgebaute LED werden als Lumineszenzkonversions-LED (Osram OS: „LUCO-LED“) oder „phosphor-converted“-LED (Lumileds: PC-LED) bezeichnet.

Nachdem die japanische Firma Nichia 1995 Weißlicht-LED entwickelt hat, werden sie dort seit 1997 hergestellt. Mit Nichia zeitgleich hat das Fraunhofer-Institut IAF weiße LED und in enger Zusammenarbeit mit Osram OS (Infineon) den Fertigungsprozess entwickelt. Dorthin wurde das Know-How transferiert und im Sommer 1998 die Produktion aufgenommen. Inzwischen haben nahezu alle Hersteller weiße LED im Programm.

weisse LED

additive Farbmischung blau und gelb

Spektrum weisse LED
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

Vor- und Nachteile der LED

    Wirtschaftliche Vorteile
  • geringer Energieverbrauch einzelner LED
  • geringe Wärmeentwicklung
  • Reduzierung der Klimatisierungskosten
  • hohe Lebensdauer
  • keine Wartungskosten
  • keine Reinigungskosten
  • geringere Transportkosten
  • geringere Entsorgungskosten
  • teilweise verfügbare Produktionstechnik
    Wirtschaftliche Nachteile
  • die angestrebte Effizienz ist noch nicht erreicht (Preis pro Lumen)
  • hohe Stückkosten
  • geringere Lebensdauer bei Hochleistungs-LED
  • große Zahl von LED nötig, um Leuchtstärke konventioneller Leuchtmittel zu erreichen
  • Entwicklungskosten der Platinen
    Umwelt Vorteile
  • LED enthalten kein Quecksilber
  • geringerer Energiebedarf im Betrieb
  • stört nicht die Insektenorientierung(?)
    Umwelt Nachteile
  • Energiebilanz? (Energiebedarf bei der Fertigung im Verhältnis zum erzeugten Lichtstrom über die Lebensdauer) Wie ist die Relation bei den verschiedenen Leuchtmitteln?
    Technische Vorteile
  • stoß- und vibrationsfest (Fahrzeugtechnik, mobile LED Leuchten)
  • kein Hohlkörper der implodieren kann
  • plötzlicher Ausfall ist unwahrscheinlich
  • präzise Lichtlenkung ohne zusätzlichen Reflektor durch Optik
  • gute Blendungsbegrenzung
  • brummfrei
  • keine UV Strahlung
  • keine IR Strahlung (Wärme)
  • keine Lampenfassungen erforderlich
  • Sicherheit durch Schutzkleinspannung
  • praktisch trägheitslos schalt- oder modulierbar
  • gute Farbwiedergabeeigenschaften bei RGB Mischung
    Technische Nachteile
  • Effizienz und Lichtfarbe ist mehr oder weniger temperaturabhängig
  • LED Lebensdauer ist kritisch zu bewerten
  • Farbwiedergabe weisser LED (blaue LED + ein Leuchtstoff) ist nicht in allen Anwendungsfällen ausreichend
  • LED müssen farblich selektiert werden um homogene Farben zu erlangen
  • Vorschaltgeräte notwendig
 

Sicherheit

sicherheit LED, die sich für Beleuchtungszwecke einsetzen lassen, gibt es noch nicht lange und bilden nur ein Teil aller LED. Ein sehr großer Teil aller produzierten LED werden in der Optoelektronik, zum Beispiel in der Datenübertragung und in Sensoren eingesetzt. Deshalb und weil LED ähnlich wie Halbleiterlaser funktionieren (oder besser: Halbleiterlaser spezielle LED sind), werden LED als optoelektronische Bauteile wie Laserlichtquellen nach Grad der Augengefährdung klassifiziert. An einer Klassifizierung der LED nach Kriterien der Beleuchtungstechnik, in der tausendfach hellere Lichtquellen eingesetzt werden, wird gearbeitet.

Ein Sonderfall sind UV-LED, die jedoch nicht für Beleuchtungszwecke eingesetzt werden. Das UV-Licht (Schwarzlicht) ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Deshalb wirken die natürlichen Abwehrreaktionen wie Lidschlussreflex oder Pupillenkontraktion nicht, die die Augen bei Blendung schützen. Da auch das UV Licht eine Energie hat, kann der direkte Blick in eine UV-Lichtquelle den Augen schaden. Bei engabstrahlenden Hochleistungs-UV-LED mag das der Fall sein.

 

Einsatzgebiete der Leuchtdiode

Für den Einsatz der LED sprechen die vielen Vorzüge der Leuchtdiode, wie ihre Kleinheit und Stabilität, der Betrieb unter Schutzkleinspannung, die definierte Abstrahlcharakteristik sowie die hohe Effizienz und Lebensdauer.

Kriterien für den Einsatz der LED

Es bietet sich an, Leuchtdioden aufgrund der UV- und IR-freien Strahlung in Bereichen einzusetzen, in denen diese Strahlung schädlich ist:

  • Museums- und Vitrinenbeleuchtung
  • Bilderleuchten
  • Beleuchtung von empfindlichen Materialien
  • Kühlthekenbeleuchtung
  • Medizinische Leuchten

LED-Lampen sind robust und unempfindlich gegen Erschütterungen:

  • Automobile
  • Fahrradleuchten
  • öffentlicher Raum
  • Signalleuchten
  • Notbeleuchtung
  • Arbeitsleuchten (Reperatur und Inspektion)

Durch die Verwendung verschiedener LED-Farben kann die Lichtfarbe verschiedenen Kriterien entsprechend eingestellt werden:

  • Anwendungsgebiet (z.B. Beleuchtung, Signal, Display)
  • Vorliebe
  • Stimmung
  • Tageszeit
  • Raumnutzung

LED werden mit Schutzkleinspannung betrieben. Defekte bedeuten keine Gefahr fürs Leben:

  • Feuchtraumleuchten
  • unter Wasser
  • vereinfachte Installation
  • dem Einsatz der Lichtleiter entsprechende Einsatzgebiete

LED sind miniaturisierte Lichtquellen:

  • Möbelleuchten
  • Orientierungsleuchten
  • Displays
  • Aufputzmontage
  • Flächenleuchten
  • Kabinenleuchten

LED erzeugen wenig Wärme:

  • Möbelleuchten
  • Kühlthekenbeleuchtung
  • explosionsgefährdete Umgebungen

Die langlebigen Leuchtdioden können (auch gekoppelt mit Solarzellen) energiesparend stationär oder mobil eingesetzt werden:

  • Beleuchtung von Haltestellen
  • Not- und Hinweisleuchten
  • Gartenleuchten
  • Campingleuchten
  • Signalleuchten
  • Taschenlampen, Outdoor

Nicht alle Leuchten lassen sich einer bestimmten Kategorie zuordnen.