Das Leuchtprinzip der LED

Alledie wiederaufladbare Arbeitsleuchte, tragbares CampinglichtUndMultifunktions-StirnlampeVerwenden Sie LED-Lampen. Um das Prinzip von Dioden-LEDs zu verstehen, müssen Sie sich zunächst mit den Grundlagen von Halbleitern vertraut machen. Die Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien liegt zwischen der von Leitern und Isolatoren. Ihre Besonderheiten sind: Wird der Halbleiter durch äußere Licht- und Wärmeeinwirkung stimuliert, ändert sich seine Leitfähigkeit deutlich; die Zugabe geringer Mengen an Verunreinigungen zu einem reinen Halbleiter erhöht dessen Leitfähigkeit deutlich. Silizium (Si) und Germanium (Ge) sind die am häufigsten verwendeten Halbleiter in der modernen Elektronik. Sie haben jeweils vier äußere Elektronen. Wenn Silizium- oder Germaniumatome einen Kristall bilden, interagieren benachbarte Atome miteinander, sodass die äußeren Elektronen von beiden Atomen geteilt werden. Dadurch entsteht die kovalente Bindungsstruktur im Kristall, eine Molekülstruktur mit geringer Bindungsfähigkeit. Bei Raumtemperatur (300 K) erhalten einige äußere Elektronen durch thermische Anregung genügend Energie, um sich von der kovalenten Bindung zu lösen und zu freien Elektronen zu werden. Dieser Prozess wird als intrinsische Anregung bezeichnet. Nachdem das Elektron freigesetzt und frei geworden ist, 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 kleine Menge eines fünfwertigen Fremdatoms, beispielsweise Phosphor, hinzugefügt, so erhält er nach Bildung einer kovalenten Bindung mit anderen Halbleiteratomen ein zusätzliches Elektron. Dieses zusätzliche Elektron benötigt nur sehr wenig Energie, um die Bindung zu lösen und ein freies Elektron zu werden. Ein solcher Fremdatom-Halbleiter wird als elektronischer Halbleiter (N-Typ-Halbleiter) bezeichnet. Fügt man dem intrinsischen Halbleiter jedoch eine kleine Menge eines dreiwertigen Fremdatoms (beispielsweise Bor) hinzu, so entsteht, da dieser in der äußeren Schicht nur drei Elektronen besitzt, nach Bildung einer kovalenten Bindung mit den umgebenden Halbleiteratomen eine Leerstelle im Kristall. Ein solcher Fremdatom-Halbleiter wird als Löcher-Halbleiter (P-Typ-Halbleiter) bezeichnet. Werden N-Typ- und P-Typ-Halbleiter kombiniert, so unterscheidet sich die Konzentration freier Elektronen und Löcher an ihren Verbindungsstellen. Sowohl Elektronen als auch Löcher diffundieren in Richtung der niedrigeren Konzentration und hinterlassen geladene, aber unbewegliche Ionen, die die ursprüngliche elektrische Neutralität der N-Typ- und P-Typ-Bereiche zerstören. Diese unbeweglichen geladenen Teilchen werden oft als Raumladungen bezeichnet und konzentrieren sich in der Nähe der Schnittstelle zwischen den N- und P-Regionen, um einen sehr dünnen Raumladungsbereich zu bilden, der als PN-Übergang bezeichnet wird.

Wird an beiden Enden des PN-Übergangs eine Vorwärtsspannung angelegt (positive Spannung an einer Seite des P-Typs), bewegen sich die Löcher und freien Elektronen umeinander und erzeugen ein internes elektrisches Feld. Die neu eingeführten Löcher rekombinieren dann mit den freien Elektronen und setzen dabei manchmal überschüssige Energie in Form von Photonen frei, dem von LEDs emittierten Licht. Ein solches Spektrum ist relativ schmal, und da jedes Material eine andere Bandlücke aufweist, unterscheiden sich die Wellenlängen der emittierten Photonen. Die Farben der LEDs werden daher durch die verwendeten Grundmaterialien bestimmt.