LED Technologie im Überblick

Eigenschaften von LED-Leuchten

• Lebensdauer von 30.000 bis zu 100.000 Stunden
• Energetisches Einsparpotential von bis zu 90% (analog zur CO²-Ersparnis)
• geringere kosten durch verlängerte Wartungszyklen
• erhöhte Sicherheit durch stark verminderte Ausfallzeiten
• Amortisationen der Anschaffungsinvestitionen unter einem Jahr möglich
• Hohe Leistungsfähigkeit ohne ultraviolette und Infrarotstrahlung
• keine Blei- und Quecksilber-Belastung
• Dimmung und Veränderbarkeit der Farbtemperaturen
• Lichtlenkung durch optische Systeme: Zwischen 30% - 90% bessere Lichtausbeute in der Flächenwirkung
• Einfache und schnelle Installation durch ausgeklügelte Retrofit-Systeme

Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, kurz LED für Light Emitting Diode beziehungsweise lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab.

Hochleistungs-LEDs (H-LED) werden mit höheren Strömen betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder in den LED-Körper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden.

Der prinzipielle Aufbau einer LED entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode, LEDs besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt sind, ist das Ausgangsmaterial für LEDs ein sogenannter III-V-Halbleiter, meist eine Galliumverbindung.

Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen zur Rekombinationsschicht am p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln. Sie rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern. III-V-Halbleiter zeichnen sich dabei durch einen direkten Bandübergang aus, das bedeutet, dass die Elektronen auf direktem Wege vom Leitungsband in das Valenzband wechseln können. Bei diesem Übergang kann Licht ausgesendet werden. Ein weiterer Ursprung von Photonen besteht in einer plasmonisch-polaronischen Wechselwirkung, die durch einen spinfreien Übergang direkt zur Emission eines Auger-Photoelektrons führt. Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle. Bei indirekten Halbleitern wie z. B. Silizium erfolgt der Wechsel der Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband hingegen indirekt, der Impuls der Elektronen wird durch das Kristallgitter aufgenommen und verursacht eine Gitterschwingung (Phononenanregung). Dadurch steht keine Energie für die Aussendung von Licht zur Verfügung.

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt das Verhalten der Energieübertragung.

Die Farbe des ausgesandten Lichtes lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, entsprechend infrarotem Licht. Eine Zugabe von Phosphor vergrößert ihn, dadurch wird auch das ausgesendete Licht energiereicher, die Wellenlänge nimmt ab, die Farbe geht von Infrarot zu Rot und Gelb über.

Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 % der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast 2 eV, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt.

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern.

Lange Zeit konnten LEDs nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner LEDs war z.B. für Verkehrsampeln wegen der fehlenden Technologie für die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht möglich. Blaue LEDs gibt es erst seit wenigen Jahren.

Das Licht weißer LEDs wird erreicht, indem vor blaue LEDs farbtonändernde Leuchtstoffe montiert werden. Sie besitzen neben dem breiten Spektralbereich des Leuchtstoffes daher einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe unten), die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung stellt sich durch Betrieb an Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuungen und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig in Form eines Vorwiderstandes) ist daher zwingend. Direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist nicht möglich, da der Arbeitspunkt nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterie-Leuchten betreiben LEDs direkt an Primärzellen – hier verlässt man sich auf einen ausreichend hohen Innenwiderstand der Batterien.

Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung Vf (für englisch forward voltage) hängt von der Lichtfarbe ab und liegt zwischen 1,3 V (Infrarot-LED) und etwa 4 V (InGaN-LED, grün, blau, weiß, Ultraviolett). Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel nur 5 Volt.

LEDs lassen sich über den Betriebsstrom sehr schnell schalten und modulieren. Die hohe Modulationsgeschwindigkeit von LEDs ist beim Einsatz in der Optoelektronik (Optokoppler, Datenübertragung über Lichtleiter bzw- Kabel aus Kunststoffen oder Glasfasern sowie Freifeld-Infrarotstrahlung) wichtig. LEDs können bis weit über 100 MHz moduliert werden.

Leuchtdioden werden meist mit Plastik beziehungsweise Kunstharz verkappt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen hauptsächlich zur Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall, setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt somit die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren Raumwinkel. Da Glas in der Regel eine höhere Brechzahl als Plastik und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt werden.