Das Leuchtprinzip der LED

Alledie wiederaufladbare Arbeitsleuchte, tragbare CampinglampeUndMultifunktions-StirnlampeVerwenden Sie eine LED-Lampe. Um das Funktionsprinzip einer LED zu verstehen, ist es wichtig, zunächst die Grundlagen der Halbleitertechnik zu kennen. Die Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien liegt zwischen der von Leitern und Isolatoren. Ihre besonderen Eigenschaften sind: Unter dem Einfluss von Licht und Wärme verändert sich die Leitfähigkeit eines Halbleiters erheblich. Die Zugabe geringer Mengen von Verunreinigungen zu einem reinen Halbleiter erhöht dessen Leitfähigkeit deutlich. Silizium (Si) und Germanium (Ge) sind die am häufigsten verwendeten Halbleiter in der modernen Elektronik und besitzen vier Außenelektronen. Wenn Silizium- oder Germaniumatome ein Kristallgitter bilden, interagieren benachbarte Atome miteinander, sodass sich die Außenelektronen zwischen zwei Atomen teilen. Dadurch entsteht die kovalente Bindungsstruktur im Kristallgitter – eine Molekülstruktur mit geringer Bindungsspannung. Bei Raumtemperatur (300 K) kann thermische Anregung dazu führen, dass einige Außenelektronen genügend Energie erhalten, um sich von der kovalenten Bindung zu lösen und zu freien Elektronen zu werden. Dieser Vorgang wird als intrinsische Anregung bezeichnet. Durch die Ablösung eines Elektrons entsteht eine Lücke in der kovalenten Bindung. Diese Lücke wird als Loch bezeichnet. Das Auftreten eines Lochs ist ein wichtiges Merkmal, das einen Halbleiter von einem Leiter unterscheidet.

Wird einem intrinsischen Halbleiter eine geringe Menge fünfwertiger Fremdatome wie Phosphor zugesetzt, bildet dieses nach der kovalenten Bindung mit anderen Halbleiteratomen ein zusätzliches Elektron. Dieses zusätzliche Elektron benötigt nur sehr wenig Energie, um sich von der Bindung zu lösen und ein freies Elektron zu werden. Solche Fremdatome werden als elektronische Halbleiter (N-Halbleiter) bezeichnet. Fügt man dem intrinsischen Halbleiter hingegen eine geringe Menge dreiwertiger Fremdatome (wie Bor usw.) zu, so erzeugt dieses aufgrund seiner drei Elektronen in der äußeren Schicht nach der kovalenten Bindung mit den umgebenden Halbleiteratomen eine Leerstelle im Kristallgitter. Solche Fremdatome werden als Lochhalbleiter (P-Halbleiter) bezeichnet. Beim Übergang zwischen N- und P-Halbleitern entsteht an der Grenzfläche ein Konzentrationsunterschied zwischen freien Elektronen und Löchern. Sowohl Elektronen als auch Löcher diffundieren in Richtung der niedrigeren Konzentration und hinterlassen geladene, aber unbewegliche Ionen, die die ursprüngliche elektrische Neutralität der N- und P-leitenden Bereiche aufheben. Diese unbeweglichen geladenen Teilchen werden oft als Raumladungen bezeichnet und konzentrieren sich in der Nähe der Grenzfläche der N- und P-Regionen, um eine sehr dünne Raumladungszone zu bilden, die als PN-Übergang bekannt ist.

Wird an beide Enden des PN-Übergangs eine Vorwärtsspannung angelegt (positive Spannung an einer Seite des P-Typs), bewegen sich Löcher und freie Elektronen umeinander und erzeugen ein internes elektrisches Feld. Die neu injizierten Löcher rekombinieren dann mit den freien Elektronen und setzen dabei mitunter überschüssige Energie in Form von Photonen frei. Dieses Licht ist das, was wir von LEDs emittiert sehen. Das Spektrum ist relativ schmal, und da jedes Material eine unterschiedliche Bandlücke besitzt, unterscheiden sich die Wellenlängen der emittierten Photonen. Daher werden die Farben von LEDs durch die verwendeten Basismaterialien bestimmt.