Eine Leucht- oder Lumineszenzdiode (LED) ist ein Halbleiterbauelement der Optoelektronik, das infolge Elektrolumineszenzerscheinungen Licht emittiert. Die Elektrolumineszenzdiode wandelt durch elektrischen Strom zugeführte Energie direkt in Licht um und ist eine Kaltlichtquelle. Das Prinzip beruht auf Elektrolumineszenz. Darunter versteht man die Fähigkeit von Halbleitern Elektronen mit gleichzeitiger Abstrahlung von Photonen zu verlagern. Dies geschieht durch einen sogenannten Elektronen- oder Quantensprung von einer Schale des Bohrschen Atommodells auf eine andere. Ein Quantensprung erfolgt immer unter Aufnahme oder Abgabe der Energiedifferenz. Bei dem Übergang von einer höheren in eine niedrigere Energiestufe wird die Energie in Form eines Photons abgegeben. Den Prozess der wechselseitigen Aufnahme von Energie und späterer Rückkehr in den Urzustand unter Abstrahlung von Licht (Photonen) nennt man Lumineszenz.

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Farben von Standard-Leuchtdioden

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, erzeugen weiß leuchtende LEDs, WLED, eine blaue Lichtemission, die eine darüber liegende Phosphorschicht wiederum zur Lichtemission anregt. Daher kann das Licht der weiß leuchtenden LEDs blaustichig sein. 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. Wichtige Kennwerte von Leuchtdioden sind der Lichtstrom sowie die im Bin-Code zusammengefassten Kennwerte für das Farb- und Helligkeitsempfinden.

Kennlinie einer roten LED

Bei den in der optischen Übertragungstechnik eingesetzten LEDs liegt die Abstrahlfläche zwischen 50 µm und 100 µm und darüber. Sie werden daher primär in Multimodefasern eingesetzt. Da die Abstrahlung größer ist als der Kernglasbereich, spricht man bei der LED-Einkopplung von Overfilled Launch (OFL). LEDs haben eine gewisse Trägheit bei der optischen Signalgenerierung, die auf ihre Schalthysterese zurückzuführen ist. Sie sind daher für hochbitratige Anwendungen wie sie in Gigabit-Ethernet, 10-Gigabit-Ethernet und 100-Gigabit-Ethernet vorkommen ungeeignet und werden durch VSEL-Laser ersetzt.

LEDs auf der Halbleiterbasis Gallium-Arsenid (GaAs) 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.

Spektralverteilung von Laser- und Leuchtdiode

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, LED-Spots 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 einem Farbwiedergabeindex von 95 entspricht.

Als Weiterentwicklungen sind die OLEDs, PLEDs, die UV-LEDs, die in der UV-Oberflächenbehandlung eingesetzt werden, und die AC-LEDs für die Raumbeleuchtung zu nennen, die direkt an das Stromnetz angeschlossen werden können.