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11.01.2006

LED: Wie aus elektrischem Strom Licht wird

Warum es Leuchtdioden nur in Farbe gibt und wie sich damit dennoch weißes Licht erzeugen lässt

Sie leuchten rot, grün, gelb oder blau und bleiben dabei ganz kalt. Sie haben keinen Glühfaden und kommen ohne empfindlichen Glaskolben aus: Die Rede ist von Leuchtdioden, Light Emitting Diodes (LEDs) genannt. Diese farbigen Lichtquellen befinden sich seit einigen Jahren auf einem Siegeszug in die Beleuchtungstechnik. Weiße LEDs sollen bald nicht nur Büros, sondern auch Straßen erleuchten – obwohl es weißes Licht aus einer Leuchtdiode eigentlich gar nicht gibt.

LEDs gibt es in verschiedenen Farben, wobei blaue LEDs am aufwändigsten in der Herstellung sind.
LEDs gibt es in verschiedenen Farben, wobei blaue LEDs am aufwändigsten in der Herstellung sind.
Als Kontrolllampen sind LEDs inzwischen längst zur billigen Massenware geworden.
Als Kontrolllampen sind LEDs inzwischen längst zur billigen Massenware geworden.

Die Geschichte der LED beginnt mit der Entdeckung so genannter Halbleitermaterialien wie beispielsweise Germanium oder Silizium. Das sind Feststoffe, deren Leitfähigkeit für elektrischen Strom stark von der Temperatur abhängig ist. Denn anders als Metalle haben sie keine frei beweglichen Elektronen und sind bei niedrigen Temperaturen daher Isolatoren. Erst bei höherer Temperatur haben einzelne Elektronen so viel Energie, dass sie sich im Material bewegen können und ein elektrischer Strom fließen kann.

Die Halbleitermaterialien werden für elektronische Bauteile meist mit so genannten Fremdatomen anderer Elementen versehen, die in die Kristallstruktur eingebaut werden. Diese so genannten Dotieratome wie beispielsweise Phosphor oder Arsen stellen dem Halbleitermaterial ein bewegliches Elektron zur Verfügung oder aber eine Leerstelle, die ein Elektron aufnehmen kann. Auf diese Weise lässt sich die Leitfähigkeit des Materials gezielt steigern.

Werden nun zwei verschieden dotierte Halbleitermaterialien in Kontakt gebracht, bildet sich zwischen beiden eine so genannte Grenzschicht aus: Überschüssige Elektronen auf der einen Seite besetzen dann Leerstellen auf der anderen. Insgesamt reduziert das die Zahl der beweglichen Ladungsträger, sodass an einer solchen Grenzfläche die elektrische Leitfähigkeit sinkt.

Eine Leuchtdiode besteht im Prinzip aus genau einer solchen Anordnung. An die beiden miteinander verbundenen Halbleitermaterialien wird dabei eine elektrische Spannung angelegt. Diese bewirkt, dass laufend neue Elektronen durch die Grenzschicht wandern und Leerstellen auf der anderen Seite besetzen. Letztere entstehen immer wieder neu, da die Elektronen auf dieser Seite durch die Spannung immer wieder abgezogen werden.

Bei der auch Rekombination genannten Besetzung der Leerstellen durch die Elektronen wird Energie frei, die unter bestimmten Bedingungen in Form von Licht abgegeben wird. Welche Intensität und Farbe dieses Licht hat, hängt unter anderem von der Struktur und chemischen Zusammensetzung des Materials ab.

Leuchtdioden effektiver zu machen und die Farbe des abgestrahlten Lichts gezielt zu bestimmen, damit befassen sich Physiker und Elektrotechniker, seit sie vor 45 Jahren die erste LED zum Leuchten brachten. Denn anfangs war die Lichtausbeute extrem gering und es konnten auch nur rot leuchtende LEDs hergestellt werden. Doch nach und nach kamen immer hellere Leuchtdioden und weitere Farben hinzu: Es strahlten bald nicht mehr nur rote Leuchtdioden in Displays und als Kontrolllampen, sondern auch gelbe, grüne und später auch blaue. Trotz aller Fortschritte: Die Wellenlängen beschränken sich immer auf einen relativ engen Bereich – weißes Licht mit einer einzigen LED direkt zu erzeugen, ist daher bis heute unmöglich.

Dennoch ist es den Entwicklern mit verschiedenen Tricks gelungen, mit LEDs weißes Licht zu erzeugen: Bei einem Verfahren werden eine rote, eine blaue und eine grüne LED so nahe beieinander platziert, dass sich die drei Farben in additiver Farbmischung zu weißem Licht mischen. Eine andere Möglichkeit ist, fluoreszierende Farbstoffe mit blauem oder ultraviolettem Licht aus einer LED zum Leuchten anzuregen und so ein weißes Mischlicht zu erzeugen.

Diese Verfahren haben der LED die Tür zur Beleuchtungstechnik geöffnet, wenn auch die Effizienz weißer Leuchtdioden meist immer noch geringer ist als die von Leuchtstoffröhren. Seither finden sich die handlichen Leuchtmittel in immer mehr Designermöbeln, Taschenlampen und elektronischen Kleingeräten. Und sie werden bald so effizient sein, dass sie auch als Leuchtmittel in Büros oder in der Straßenbeleuchtung eingesetzt werden können.