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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Wie funktioniert eine LED?

Die Leuchtdiode (light-emitting diode, LED) wandelt elektrische Energie in Strahlungsenergie (z.B. Licht) um, tut dies aber aber anders als die Glühl- oder Halogenlampe ohne den "Umweg" über die Wärmeenergie. Im Grunde ist die LED also die Umkehrung der Solarzelle und ist wie diese ein p-n-Halbleiter. Viele Informationen zum Aufbau und verschiedenen Typen finden sich im, wie meistens. sehr lesenswerten Wikipedia-Artikel. Im folgenden werde ich deshalb versuchen, die Funktionsweise einer LED möglichst anschaulich auf der Grundlage des chemischen Aufbaus eines p-n-Halbleiters zu erklären. Die technischen Optimierungen, die moderne LEDs so lichtstark, preiswert,.... machen, sind nicht Teil dieses Textes, denn die finden sich im Wikipedia-Artikel ausführlicher und gründlicher recherchiert als ich es könnte.

Schematischer Aufbau: Umgekehrte Solarzelle

Schematischer Aufbau einer LED
Schematischer Aufbau einer LED
Hier sollte jetzt eigentlich ein Bild zu sehen sein.
Schematischer Aufbau einer Solarzelle.

Im Prinzip ist eine LED aufgebaut wie eine "normale" Diode. Durch die Wahl des richtigen Materials für diese Diode erlangt sie aber die Fähigkeit, Licht zu emittieren (emittere: lateinisch für aussenden).

Da die LED die Umkehrung der Solarzelle ist, ist es wenig überraschend, dass ihr Aufbau ebenfalls der Umkehrung entspricht. Die Leuchtdiode besteht aus einer sehr dünnen, lichtdurchlässigen p-Schicht oben und einer dickeren n-Schicht darunter. Bei der Solarzelle ist das genau umgekehrt. Bei der LED wird die obere p-Schicht an den Pluspol der Stromquelle angeschlossen und die n-Schicht entsprechend an den Minuspol. Bei der Solarzelle bildet hingegen die n-Schicht den Minuspol und die p-Schicht den Pluspol.

Wenn sich nun Elektronen vom Minuspol der Stromquelle in die n-Schicht, dann durch die n-p-Grenzschicht in die p-Schicht und von dort in den Pluspol der Stromquelle bewegen, geben sie ihre elektrische Energie (teilweise) beim durchqueren der Grenzschicht als Strahlungsenergie ab. Bei der Solarzelle ist auch das genau umgekehrt - dort löst die Lichtenergie die Elektronenbewegung aus. (vgl. Wie funktioniert eine Solarzelle) Wie auch bei der Solarzelle, liegt das Geheimnis also in der Grenzschicht, weshalb die im Folgenden genauer betrachtet werden soll.

Die n-p-Grenzschicht

Sowohl bei der p- als auch bei der n-Schicht handelt es sich um einen dotierten Halbleiter. Um verstehen zu können, was die Dotierung jeweils macht, muss man zunächst wissen, was einen Halbleiter ausmacht.

Halbleiter

Struktur von elementarem Silizium
Ausschnitt aus elementarem Silizium - jeder Strich stellt zwei Valenzelektronen dar.

Halbleiter verhalten sich bei tiefen Temperaturen wie Isolatoren, d.h. sie leiten den Strom nicht. Erst bei hinreichend hoher Temperatur oder bei Energiezufuhr auf anderem Weg, etwa durch Licht, werden sie elektrisch leitend, wenngleich auch jetzt die Leitfähigkeit noch viel geringer ist, als in Metallen. Die Ursache hierfür ist die Art der Bindung zwischen den einzelnen Siliziumatomen. Das Silizium besitzt als Element der 4. Hauptgruppe des Periodensystems vier sogenannte Valenzelektronen und bildet aufgrund seines Nichtmetallcharakters mit diesen vier Elektronen vier Elektronenpaarbindungen zu seinen Nachbarn aus. In diesen vier Bindungen sind die Valenzelektronen fixiert und können nicht aus der Bindung heraus verschoben werden. Genau dies wäre aber nötig, damit ein Strom fließen könnte. Es müssten Elektronen des Siliziums mehr oder weniger frei durch den Kristall bewegt werden können. Bei Metallen ist dies möglich, da die metallische Bindung die Elektronen nicht fest an ihren Platz bindet, sondern ihnen erlaubt sich durch das gesamte Metall weitgehend frei zu bewegen. Man spricht in diesem Zusammenhang von Valenz- und Leitungsband. In Metallen werden die Atome durch Elektronen verbunden, die sich im Leitungsband befinden und frei durch das gesamte Metall verschoben werden können. Bei Halb- und Nichtleitern werden die Atome durch Elektronen verbunden, die genau an dieser Stelle zwischen den beiden durch sie verbundenen Atomen fixiert sind und sich eben nicht bewegen können. Man könnte auch sagen: Bei elektrischen Leitern fallen Valenz- und Leitungsband zusammen, bei Nicht- und Halbleitern nicht.

Isolator, Halbleiter und Leiter
             im Bändermodell
Darstellung von Isolator (A), Halbleiter(B) und Leiter (C) im Bändermodell

Eine detaillierte Erklärung zum Bändermodell findet sich in vielen Physikbüchern und auch auf Wikipedia. Wen es im Detail interessiert...

Ob eine Substanz nun ein Leiter, ein Halbleiter oder ein Isolator ist, hängt von der Energiedifferenz zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband ab. Bei Metallen sind die Valenzelektronen zugleich auch die Leitungselektronen und die Energiedifferenz ist Null. Metalle sind Leiter. Bei Isolatoren ist die sogenannte Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband so groß, dass keine Elektronen aus dem Valenz- in das Leitungsband wechseln können. Da das Leitungsband hier normalerweise keine Elektronen enthält, kann eine solche Substanz normalerweise keinen Strom leiten. Bei einem Halbleiter gibt es nun eine solche Energielücke aber sie ist recht gering und unter gewissen Umständen, etwa bei erhöhter Temperatur, können einzelne Valenzelektronen aus dem voll besetzten Valenzband in das Leitungsband wechseln, da sie aus der Umgebung die für diesen Übergang nötige Energie aufnehmen können (z. B. Wärme oder auch Lichtenergie, roter Pfeil in der Abbildung zum Bändermodell). Auf diese Weise erhält man ein freies Elektron im Leitungsband, dass nun zur Leitfähigkeit des Materials beträgt. Gleichzeitig entsteht aber auch eine positive Lücke, ein sogenanntes Defektelektron, im Valenzband. Dieses Defektelektron kann nun unter dem Einfluss einer äußeren Spannung innerhalb des Valenzbandes in die entgegengesetzte Richtung wie das zugehörige Elektron im Leitungsband wandern, indem sie ständig von benachbarten Elektronen gefüllt wird, die dann ihrerseits eine Lücke zurück lassen. Damit trägt die Lücke zur elektrischen Leitfähigkeit des Halbleiters ebenso bei, wie das Elektron im Leitungsband.

n-Dotierung

n-dotiertes Silizium
Ausschnitt aus einem mit Phosphoratomen n-dotiertem Siziumkristall

Die oben beschriebene Eigenleitung des Halbleiters kann durch den gezielten Einbau von Störstellen modifiziert werden. Wenn Gitteratome des Siliziums gezielt durch andere Atome ersetzt werden, kann die Leitfähigkeit des Materials gezielt modifiziert werden. Werden anstelle weniger vierwertiger Siliziumatome ebenso viele fünfwertige Atome (etwa Phosphor) in das Gitter eingebaut, so spricht man, wie bereits erwähnt, von einer n-Dotierung. Hierbei werden vier der fünf Valenzelektronen des Phosphors benutzt, um kovalente Bindungen zu den benachbarten Siliziumatomen auszubilden - in der Abbildung als Striche zwischen den Atomen dargestellt. Da das fünfte Elektron - als Punkt gezeichnet - keinen Bindungspartner findet, ist es nur relativ lose gebunden und kann bereits bei geringer Energiezufuhr in das Leitungsband abgegeben werden. Durch diese Dotierung kann also die Elektronendichte im Leitungsband erhöht werden, ohne das sich die Zahl der Defektelektronen vergrößert. Man spricht hier von einem Donator.

p-Dotierung

p-dotiertes Silizium
Ausschnitt aus einem mit Boratomen p-dotiertem Siziumkristall

Bei den sogenannten p-dotierten Halbleitern findet eine genau entgegengesetzte Dotierung statt. Durch Dotierung mit dreiwertigen Atomen (etwa Bor oder Aluminium) stehen nur drei Elektronen für die vier Bindungen zu den vier benachbarten Siliziumatomen zur Verfügung. Ein viertes Elektron wird an dieser Stelle sehr leicht eingebaut. Ein solches Atom heißt Akzeptor, da es ein Defektelektron erzeugt. Das "Loch" ist in der Abbildung oberhalb des Boratoms (B) als "nichts" zu sehen. Der Punkt über dem Loch ist das Elektron des Siliziumatoms, dem der Bindungspartner fehlt weil das Bor ein Elektron zu wenig hat.

Die Grenzschicht

Daraus ergibt sich, dass in n-Leitern der Einfluss von Donatoren überwiegt und der Stromfluss hauptsächlich durch Elektronen zustande kommt, während im p-Leiter die Löcher überwiegen und hauptsächlich zur Leitfähigkeit beitragen.

p-n-Übergang
Ausschnitt aus der p-n-Grenzschicht nach Kombination der durch Dotierung eingefügten freien Elektronen mit den ebenso eingefügten Löchern. (n-Schicht oben und p-SChicht unten)

Ohne äußere Spannung ergibt sich in der Grenzschicht zwischen p- und n-Schicht dann folgendes Bild: Im p-Gebiet herrscht gegenüber dem n-Gebiet ein großer Überschuss an Löchern. Durch diese große Änderung der "Lochkonzentration" im Bereich der Grenzschicht zwischen p- und n-Bereich werden ständig Löcher in den n-Leiter diffundieren. Aufgrund des Überschusses an Elektronen im n-Leiter bewegen sich die Elektronen währenddessen in die entgegengesetzte Richtung. Berücksichtigt man die Vorzeichen der Ladungsträger, so beobachtet man eine negative Aufladung der p-Schicht und eine positive Aufladung der n-Schicht im Bereich der Grenzschicht. Natürlich geht diese Aufladung nicht endlos weiter. Mit jedem Ladungsträger steigt die Spannung zwischen den beiden Bereichen und es wird jedem zusätzlichen Ladungsträger immer schwerer fallen, diese Spannung zu überwinden und der oben beschriebenen Wanderungsrichtung zu folgen. Irgendwann ist ein Zustand erreicht, bei dem sich diese beiden Effekte genau ausgleichen und keine weitere Ladungstrennung mehr erfolgt.

Da die in das n-Gebiet eintretenden Löcher dort ebenso mit Elektronen rekombinieren wie die in das p-Gebiet eintretenden Elektronen mit den dort vorhanden Löchern, verarmt die Umgebung der des pn-Übergangs insgesamt an beweglichen Ladungsträgern. Hierdurch wächst der elektrische Widerstand dieses Gebietes stark an und es entsteht die elektrische Doppelschicht oder Sperrschicht.

Stromfluss - es werde Licht

Schematische Darstellung der Wanderung eines Elektrons durch die pn-Grenzschicht
Ein Elektron (e-) durchquert die n-p-Grenzschicht und überwindet dabei die Sperrspannung.

Wenn nun das negativ geladene Elektron in Folge einer äußeren Spannung die Grenzschicht aus der n-Schicht kommend in Richtung der p-Schicht durchquert, muss es also von der "positiven" Seite der Schicht in die "Negative" wandern. Dieser Wanderung steht entgegen, dass das negative Elektron von der im Grenzbereich positiven Ladung der n-Schicht angezogen und von der negativen Ladung der p-Schicht abgestoßen wird. Deshalb kann durch die LED erst dann Strom in dieser Richtung fließen, wenn die äußere Spannung mindestens so groß ist, wie die in der Grenzschicht auf die oben beschriebene Weise entstandene "Sperrspannung". Die Spannung hängt von den verwendeten Halbleiter- und Dotierungsmaterialien ab. Bei blau leuchtenden LEDs sind es beispielsweise etwa 3 Volt.

Nach dem durchqueren der Grenzschicht trifft das Elektron auf die in der p-Schicht in Folge der Dotierung vorhandenen Löcher und fällt in das Valenzband "herab"; es rekombiniert also sozusagen mit einem Loch. Dabei verringert sich also seine Energie um die Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband. Bei der LED wird diese Energie ganz oder teilweise in Form von Strahlungsenergie emittiert. Die LED sendet also Licht aus. Wenn die gesamte Energie in Form eines einzelnen Photons ausgesendet wird, entspricht die maximal mögliche Energie dieses Photons also der Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband des verwendeten Halbleiters.

Der aufmerksame Leser wird bemerkt haben, dass nach den bisherigen Ausführungen jede Diode leuchten müsste. Das stimmt aber offenbar nicht, denn in vielen elektronischen Geräten sind Dioden verbaut, die nicht leuchten (können) aber genauso aufgebaut sind, wie die oben Beschriebenen. Ob eine Diode leuchtet oder nicht, hängt von den verwendeten Materialien ab, denn nicht überall ist der gerade beschriebene direkte Übergang eines Elektrons aus dem Leitungs- in das Valenzband möglich. Wenn dieser direkte Übergang nicht möglich ist, wird kein Photon emittiert, sondern stattdessen Energie auf andere Weise z.B. als Schwingung an das Kristallgitter des Halbleiters abgegeben.

Wirkungsgrad

Selbst wenn ein direkter Elektronenübergang unter Emission eines Photons möglich ist, findet der aber nicht bei 100 % der Elektronen statt - schade eigentlich, denn dann hätte dieses Zauberlicht einen theoretischen Wirkungsgrad von 100 %. Tatsächlich ist die Wahrscheinlichkeit für einen direkten, lichterzeugenden Elektronenübergang aus dem Leitungs- in das Valenzband vom Material abhängig und sehr unterschiedlich. Für LEDs nimmt man schlauerweise Materialien, bei denen diese Wahrscheinlichkeit sehr hoch ist, damit möglichst viele Elektronen nach der Durchquerung der Grenzschicht ein Photon emittieren, denn dann ist der Wirkungsgrad hoch. Es bleiben natürlich immer andere Möglichkeiten übrig, die Energie abzugeben ohne Licht zu emittieren. Jedes Elektron, dass die Grenzschicht unter Energieaufwand durchquert hat und danach seine Energie auf andere Weise als durch Aussendung eines Photons abgibt, verschlechtert den Wirkungsgrad. Deshalb muss das Material für die LED so gewählt werden, dass die Wahrscheinlichkeit für irgendeinen anderen Weg der Energieabgabe möglichst gering ist.

Da das Licht innerhalb der p-Schicht im inneren der LED entsteht muss ein Photon also nach seiner Entstehung die p-Schicht und das Gehäuse der LED durchqueren um als Licht nach außen zu gelangen. Der Wirkungsgrad der LED verringert sich nun also noch dadurch, dass....

  1. ... Photonen auf ihrem Weg nach außen wieder absorbiert werden oder
  2. ... Photonen auf ihrem Weg nach außen einen Teil ihrer Energie abgegeben und dadurch mit verringerter Energie aus der LED austreten.
  3. ...

Insbesondere der zweite Punkt ist oft durchaus von den Herstellern beabsichtigt, da sie auf diese Weise die Lichtfarbe der LED verändern können. Ohne diesen "Trick" wären viele LED-Farben nicht oder nicht ohne Weiteres möglich.

Insgesamt lassen sich also auch bei der LED niemals auch nur ansatzweise 100 % der eingesetzten elektrischen Energie als Lichtenergie gewinnen - wie immer liegt der Wirkungsgrad (deutlich) unter 100 %. Dazu kommt, dass die LED mit kleinen Gleichspannungen betrieben wird, aus der Steckdose aber ziemlich hohe 230 Volt Wechselspannung kommen. Außerdem muss das Licht in die richtige Richtung gelenkt werden. Photonen, die sich nicht nach "oben" bewegen, sind ja für die Beleuchtung verloren. Neben den Energieverlusten bei der reinen Photonenerzeugung kommen also noch andere, technisch bedingte Energieverluste hinzu. Deshalb kann ich hier keinen exakten maximalen Wirkungsgrad für LED-Lampen aus dem Einzelhandel angeben. Zum Glück muss die Energieeffizienz aber ja auf der Packung stehen, sodass jeder den selbst und stets aktuell ermitteln kann. LED-Lampen sind aber aktuell (Herbst 2018) die meines Wissens effizienteste Art der Lichterzeugung.

Eigenschaften des LED-Lichts

Da die energiereichsten Photonen maximal die Energie haben können, die der materialabhängigen Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband entspricht, ergeben sich für das LED-Licht ein paar Besonderheiten, die für die Wohnraumbeleuchtung zunächst eher doof sind. Denn, wenn wir ehrlich sind, wünschen wir uns im Wohnzimmer eine oder mehrere kleine Sonnen, die unsere wunderschöne Wohnwelt im Dunkeln beleuchten - das Licht sollte also eine Kopie des Sonnenlichts sein. Das schafft die Glühlampe recht gut, die Halogenlampe etwas besser, die LED oder die Leuchtstoffröhre eher nicht. Aber der Reihe nach...

Licht wie es sein soll: Sonnenlicht

Die Sonne leuchtet, weil ihre Oberfläche heiß ist. Das Licht der Sonne, dass den Erdboden erreicht, ist also Licht, das von einer sehr heißen Oberfläche eben genau wegen dieser hohen Temperatur ausgesendet wurde. Die Sonne lässt sich physikalisch näherungsweise als sog. "Schwarzer Strahler" betrachten, genau wie auch der Glühdraht einer Glühlampe. Ich will hier nicht über die Sinnhaftigkeit der Bezeichnung meditieren - dem Nichtphysiker kommt dieser Name wohl zunächst widersinnig vor. Wir nehmen ihn an dieser Stelle einfach hin und betrachten die Eigenschaften eines solchen "Schwarzen Strahlers".

"Schwarze Strahler" senden nur Wärmestrahlung aus. Diese Wärmestrahlung hängt nur von der Temperatur der Oberfläche ab. Das Material spielt keine Rolle. Jeder "schwarze Strahler" sendet also unabhängig von seinem Material bei der gleichen Temperatur die gleiche Strahlung aus. Da sowohl die Oberfläche der Sonne als auch der Glühdraht einer Glühlampe näherungsweise "schwarze Strahler" sind, ist das Licht also vergleichbar, wenn die Oberflächentemperatur ähnlich ist.... Natürlich ist aber die Sonne heißer :-). Die Sonne hat laut Wikipedia eine Oberflächentemperatur von 5778 K (5505 °C, Wert entnommen am 14.10.2018), der Glühdraht einer Glühlampe ist maximal nur etwa 3000 °C heiß. Der Unterschied für die wahrnehmbare Farbe des ausgestrahlten Lichts ist aber nicht mehr sehr groß. Eine Übersicht über die "Glutfarbe" liefert z.B. Wikipedia.

Da das Licht eines "schwarzen Körpers" im Prinzip durch die Schwingungen der Atome an der Oberfläche verursacht wird - genauer: durch die Änderung ihres Schwingungszustandes und dabei jede beliebige Energieänderung möglich ist (zumindest, wenn man alle Atome in Summe betrachtet), enthält das Licht eines solchen schwarzen Körpers im Bereich des sichtbaren Spektrums Photonen jeder beliebigen Energie bzw. Wellenlänge. Im Sonnen- und Glühlampenlicht sind also alle Lichtfarben enthalten. Das sieht man eindrucksvoll bei einem Regenbogen, bei dem ja keine Farbe fehlt.

Das LED-Licht

Wie auch die Leuchtstoffröhre in "Energiesparlampen" entsteht das Licht der LEDs dadurch, dass Elektronen von einem höheren Energieniveau auf ein tieferes "fallen" und dabei die Energie zwischen diesen beiden Zuständen in Form eines Photons emittieren. Im Licht dieser Lichtquellen sind also nur Photonen enthalten, deren Energie einem Energieunterschied zwischen zwei Zuständen entspricht. Somit enthält das Licht einer solchen Lichtquelle bei weitem nicht alle Farben des Lichts. Im Gegenteil: Es fehlt der größte Teil des Farbspektrums! In käuflichen LED-Lampen wird deshalb einiger Aufwand betrieben, um die Lichtfarbe zu "korrigieren". Das ist der Grund dafür, warum LED-Licht häufig "kühl" oder "rot" oder .... wirkt. Es ist extrem schwierig einen Lichteindruck zu erzeugen, der dem des Sonnenlichts entspricht.