Beim Quantensprung und dem damit in Zusammenhang stehenden Übergang von einer höheren in eine niedrigere Energiestufe, wird 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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Leuchtdioden, Farben und Halbleitermaterialien

Für diese Photonen-Emission werden Halbleiter aus der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems benutzt, sogenannte III-V-Verbindungshalbleiter. Das sind 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.

Leuchtdiode (LED), Foto: Philips

Da kein Halbleiter 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. Weitere Kennwerte sind die Lichtausbeute, der Wirkungsgrad und die Lebensdauer.

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

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.

Leuchtdioden werden auch für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays entwickelt und als Power-LEDs zunehmend als LED-Beleuchtung von Wohnräumen, Ladenlokalen, Sälen und der Automotive-Technik in Form von LED-Leuchten, LED-Spots und LED-Scheinwerfern eingesetzt. Die bereits zur Verfügung stehenden lichtstarken Leuchtdioden haben eine Beleuchtungseffizienz von über 150 Lumen pro Watt, der von der Helligkeit her bereits im Bereich einer 20-W-Halogenlampe liegt und einem Farbwiedergabeindex (CRI) von 95 entspricht. Ihre Lebensdauer liegt je nach Kühlung zwischen 50.000 und 100.000 Stunden, wobei damit die Zeitspanne gemeint ist, nach der die Helligkeit auf 70 % oder 50 % (Hersteller-abhängig) der Anfangshelligkeit abgefallen ist.

Als Weiterentwicklungen sind Organic Light Emitting Diodes (OLED), polymere LEDs (PLED), 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. In diesem Zusammenhang sind auch Infrarot-LEDs (IR-LED) zu nennen, aus denen die LEDs für sichtbares Licht hervorgegangen sind.

Neben den monochromatisch leuchtenden Leuchtdioden, gibt es noch zweifarbig und dreifarbig leuchtende, Bi-color LEDs und Tri-color LEDs.