Wie eine LED leuchtet

Jede Diode lässt den Strom nur in eine Richtung durch. Eine Leuchtdiode zeigt dir zusätzlich, dass gerade Strom fließt.

• Bekannt:Am pn-Übergang wird die Sperrschicht in Sperrrichtung breiter, in Durchlassrichtung schmal — dann fließt Strom.
• Neu:Bei der Leuchtdiode leuchtet dieser Übergang, weil jedes einzelne Elektron ein winziges Lichtpaket abgibt.
• Unterschied zur Glühlampe:Die Glühlampe macht erst Wärme und daraus Licht, die LED macht sofort Licht.
• Ziel:Du klärst, wie das funktioniert und warum eine blaue LED mehr Spannung braucht als eine rote.

Ein Elektron fällt auf ein niedrigeres Energieniveau. Die Energie, die dabei frei wird, verlässt den Kristall als Licht.

• Durchlassrichtung:Elektronen wandern aus dem n-Gebiet ins p-Gebiet, in dem es voll von Löchern ist — also von Bindungen, in denen ein Elektron fehlt.
• Rekombination:Trifft ein freies Elektron auf ein Loch, springt es hinein und füllt die Lücke.
• Energieniveau:Vorher saß das Elektron oben im Leitungsband, danach unten im Valenzband — es fällt also herunter.
• Lichtquant:Die verlorene Energie verschwindet nicht, sondern wird als einzelnes Photon abgegeben.

Die Bandlücke bestimmt die Farbe

Wie groß der Absturz ist, legt das Material fest.

• Bandlücke:Der Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband — genau diese Energie steckt anschließend im Photon.
• Farbe:Viel Energie bedeutet kurzwelliges blaues Licht, wenig Energie langwelliges rotes Licht.
• Schleusenspannung:Weil das Elektron die Bandlücke erst überwinden muss, leuchtet Rot ab etwa 1,9 V, Blau erst ab etwa 2,8 bis 3 V.
• In der Kennlinie:Der Knick liegt je nach Farbe an einer anderen Stelle.

Warum kein Silizium?

• Problem:Bei Silizium wird die Energie beim Rekombinieren fast vollständig als Gitterschwingung, also als Wärme, abgegeben.
• Folge:Der Standardhalbleiter taugt trotz seiner Bedeutung nicht für Leuchtdioden.
• Lösung:LEDs bestehen aus Verbindungshalbleitern — Kristallen aus zwei oder mehr Elementen.

• Trend:Von oben nach unten wächst die Bandlücke — und parallel dazu die Schleusenspannung.
• Faustregel:Die Schleusenspannung in Volt entspricht ungefähr der Bandlücke in Elektronenvolt.
• Grund:Das ist kein Zufall, sondern genau der Energiebetrag, den ein Elektron mitbringen muss.

Du siehst, welches Photon beim Sprung eines Elektrons entsteht, welche Farbe es hat und welche Schleusenspannung diese LED bräuchte. Achte darauf, dass Bandlücke, Farbe und Schleusenspannung immer im Gleichschritt wandern.

Mit wachsender Bandlücke wird die Wellenlänge kürzer, die Farbe wandert von Rot über Gelb und Grün bis Blau — und die nötige Schleusenspannung steigt mit. Genau diese drei Größen hängen bei jeder echten LED zusammen.

Wie wird eine LED weiß?

Weißes Licht ist eine Mischung vieler Farben — eine einzelne Bandlücke kann das nicht liefern.

• Der Trick:Man nimmt eine blaue LED und legt einen Leuchtstoff darauf.
• Leuchtstoff:Er schluckt einen Teil des blauen Lichts und gibt dafür gelbliches Licht ab.
• Ergebnis:Blau und Gelb zusammen ergeben für unser Auge Weiß.
• Selbst prüfen:An einer ausgeschalteten weißen LED siehst du den Leuchtstoff als gelblichen Punkt.

Warum LEDs so sparsam sind

• Glühlampe:Ein Draht wird auf über 2000 °C erhitzt; nur rund 5 % der Energie werden sichtbares Licht.
• LED-Lampe:Die Energie wird direkt beim Rekombinieren in Licht umgesetzt — handelsübliche Lampen erreichen 30 bis 40 %.
• Folge:Für die gleiche Helligkeit genügt etwa ein Achtel der Leistung: „7 W ersetzt 60 W“.
• Aber:Wärme entsteht trotzdem im Bauteil — deshalb sitzt in jeder LED-Lampe ein Kühlkörper.

Ein Nobelpreis für die Farbe Blau

• Seit 1960er:Rote und grüne Leuchtdioden sind lange bekannt.
• Blaue Lücke:Galliumnitrid ließ sich jahrzehntelang nicht in ausreichender Kristallqualität herstellen; der Durchbruch gelang erst 1993/1994.
• Nobelpreis 2014:Ohne die blaue LED gibt es kein weißes LED-Licht — sie war der letzte fehlende Baustein der LED-Beleuchtung.

Drei Punkte, die bei der LED immer wieder durcheinandergeraten.