light emitting diode

Leuchtdioden (LED) verwenden Halbleiterkristalle um elektrische Signale in Lichtsignale zu wandeln. Dabei wird die Grenzschicht zwischen positiv und negativ dotierten Halbleitern mit freien Ladungsträgern überschwemmt, die bei der Rekombination ihre Energie in Form von Licht abgeben.

Farben von Standard-Leuchtdioden

Leuchtdioden erzeugen das Licht direkt bei der Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleiter. Für diese Photonen-Emission werden Halbleiter aus der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems benutzt: Nitrate wie Galliumnitrid (GaN) oder Indiumnitrid (InN), Phosphide wie Galliumphosphid (GaP) oder auch Arsenide wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumarsenid (InAs). Diese Halbleiter oder Kombinationen daraus bestimmen die Farbe der Lichtemission.

LED, grün, Foto: Hosfelt Inc.

Da kein Halbleiter ein weißes Licht emittiert, haben weiß leuchtende LEDs haben eine blaue Lichtemission, die eine darüber liegende Phosphorschicht wiederum zur Lichtemission anregt. Daher ist das Licht der weiß leuchtenden LEDs blaustichig. Die Farbtemperatur liegt bei etwa 5.600 Kelvin. Es gibt auch Leuchtdioden-Arrays mit einstellbarer Farbtemperatur, die das Tageslicht von 6.500 Kelvin erzeugen können.

Leuchtdioden werden ebenso wie Laserdioden in der Kommunikation als Lichtquelle für die Übertragung in optischen Medien benutzt, darüber hinaus als Statusanzeigen, in LED-Displays oder inzwischen auch in der Beleuchtungstechnik.

Spektralverteilung von Laser- und Leuchtdiode

Bei den in der optischen Übertragungstechnik eingesetzten LEDs liegt die Abstrahlfläche zwischen 50 µm und 100 µm. Sie werden daher primär in Multimodefasern eingesetzt. LEDs auf der Halbleiterbasis Gallium-Arsenid strahlen auf einer Wellenlänge von 850 nm. Es gibt sie aber auch in anderen Dotierungen für die Wellenlängen bei 1.300 nm und 1.500 nm. Die typischen Ausgangsleistungen liegen bei 1 mW, die Koppelverluste bei -17 dB.

Kennlinie einer roten LED

Leuchtdioden erzeugen diffuses (inkohärentes) Licht, das in einem relativ großen Winkel abgestrahlt wird. Dieser liegt zwischen 40 und 90 Grad. Die spektrale Fensterbreite beträgt 70 nm und kann mit Modulationsfrequenzen von bis zu ca. 250 MHz moduliert werden. Die generierbaren Impulsanstiegszeiten liegen bei 1 ns, wodurch der Einsatz bei Übertragungsraten von 1 Gbit/s begrenzt ist.

Je nach Einkopplung unterscheidet man bei den LEDs zwischen Flächenemitter-LEDs und Kantenemitter-LEDs.

Leuchtdioden werden auch für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays entwickelt und als Power-LEDs zunehmend in der Raumbeleuchtung und der Automotive-Technik in Form von LED-Lampen und LED-Scheinwerfern eingesetzt. Die bereits zur Verfügung stehenden lichtstarken Leuchtdioden haben einen Lichtstrom von 200 Lumen und mehr, der von der Helligkeit her bereits im Bereich einer 20-W-Halogenlampe liegt und einen CRI-Wert für die Farbwiedergabe von 95.

Als Weiterentwicklungen sind die OLED und die PLED zu nennen.