Aufbau einer Diode
Halbleiterdioden sind sehr einfach aufgebaut und bestehen lediglich aus n- und p-dotiertem Halbleitermaterial, wie im folgenden Bild dargestellt ist.
Prinzipieller Aufbau einer Halbleiterdiode
Man bringt also einfach n- und p-dotiertes Halbleitermaterial in Kontakt zueinander, und schließt an die beiden Halbleiterschichten jeweils ein Kabel an. Ohne äußere Spannung befinden sich im n-dotierten Material eine ganze Reihe von negativ geladenen Stellen und in p-dotierten Material positiv geladene. Positiv geladene Stellen heißt hier, dass dort ein (negativ geladenes) Elektron fehlt. Man spricht man auch von Loch. Die Anzahl der freien Elektronen und der Löcher ist eine Materialkonstante und ändert sich nicht.
Durch Umpolung, d.h. wenn die Anode negativ und die Kathode positiv geschaltet werden, sperrt die Diode und es wird kein Strom durchgelassen. Die Diode sperrt deshalb, dass sich ähnlich wie bei Magneten gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen.
Polt man die Diode jedoch um, wirken ebenfalls Anziehung und Abstoßung. Dieses Mal werden die Elektronen im n-dotierten Material durch die Elektronen der Spannungsquelle in Richtung Mitte verdrängt, wo sie den positiv geladenen Löchern (Loch heißt fehlendes Elektron!) sehr nahe kommen. Im p-dotierten Material passiert das Gleiche: Die positiv geladenen Löcher werden in Richtung Mitte gedrückt. Treffen die Elektronen und die Löcher aufeinander, verbinden sie sich und setzen dabei Energie in Form von Licht frei.
Die Anzahl der Elektronen im n-dotierten und die Anzahl der Löcher im p-dotierten Halbleitermaterial ist immer konstant. Dort, wo der Anschlussdraht mit dem p-dotierten Material verbunden ist, fließt ein Elektron in Richtung der positiven Spannungsquelle und hinterlässt im Halbleitermaterial daher ein Loch. Es fließen Elektronen in das n-dotierte Material hinein um das Loch wieder zu füllen. Das heißt aus dem p-dotierten Material fließen Elektronen exakt in der gleichen Anzahl hinaus, wie sie in das n-dotierte Material hineinfließen. Dies bedeutet, dass ein Stromfluss stattfindet und die Diode leitet.
Funktionsweise einer LED
Leuchtdioden sind Lichtquellen, die elektrische Signale in Lichtsignale umwandeln. Sie haben daher den Vorteil, dass die Energie wirkungsvoller verwendet wird als im Vergleich zur Glühlampe. Bei der Glühlampe wird ein großer Teil der Energie durch Hitze verschwendet. Dazu verwenden sie Halbleiterkristalle und erzeugen dabei diffuses Licht, das in einem breiten Winkel abgestrahlt wird. Diffuses Licht ist ein weiches Licht, das durch Lichtreflexion und -streuung entsteht und das weder Glanzlichter noch harte Schatten hervorruft. LED’s bestehen aus einer Anode und einer Kathode, zwischen den das LED-Element liegt. Fließt nun Strom durch diese Anordnung, wird durch die Ladung im Halbleiter Licht ausgestrahlt. Die Farbe ist abhängig von der Beschaffenheit des Halbleiters und der des LED-Körpers. Dieser kann durch seine chemische Zusammensetzung die Farbe und das Abstrahlungsverhalten beeinflussen. Die Form des Kunststoffes beeinflusst ebenfalls die Abstrahlcharakteristik.
Kernstück einer gelben LED ist die sogenannte Ablenkungseinheit. Durch die Count-Einheit wird die Position der jeweiligen Lichtwelle festgemacht und an eine komplexe Steuerelektronik weitergegeben. Die Ablenkungseinheit wird dann zum passenden Zeitpunkt aktiviert/deaktiviert und beschießt die Lichtwellen mit Protonen. Dadurch werden diese verformt und vom menschlichen Auge als gelbes Licht wahrgenommen. Diese Technik der Lichterzeugung bringt allerdings Nachteile mit sich. Das Herstellungsverfahren ist relativ aufwendig und der Wirkungsgrad niedriger als bei anderen LED-Farben.
Daher greift man vermehrt auf eine neue Technologie zurück. Sie basiert auf einem neuartigen AlNg-Kristall, der aufgrund seiner speziellen Mikro-Struktur Lichtstrahlen beschleunigt. Aus dem daraus resultierendem Strömungswiderstand ergibt sich ein Abflachen der Kanten und somit eine Farbänderung.
Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz:
- Drei Leuchtdioden der Farben Rot, Grün und Blau (RGB) werden zusammengeschaltet und erzeugen weißes Licht (Einsatz: Displays, Effektbeleuchtung). Das kann mit separaten LED oder mit drei LED Chips innerhalb eines Gehäuses geschehen. Bei geeigneter Wahl der Komponenten ergibt die additive Farbmischung weiß
- Auch mit nur zwei LED in den Farben Blau und Gelb kann weißes Licht gemischt werden.
- Die Leuchtdiode strahlt im UV-Bereich. Das sichtbare weiße Licht wird ausschließlich durch Anregung von geeigneten Fluoreszenzfarbstoffen (RGB) erzeugt. Solche LED haben gute Farbwiedergabeeigenschaften
Einsatzgebiete
Nachdem die LED lange Zeit aufgrund einer geringen Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Lichtfarben hauptsächlich als Indikationslampen eingesetzt wurden, hat die LED nun weitere Einsatzgebiete. Einige Einsatzbereiche sind:
- Zeigegerät bei großen Anzeigeflächen
- Statusanzeigen, beispielsweise Betriebsbereitschaft bei Geräten aller Art
- Zur Displayhinterleuchtung (Mobiltelefone, Monitore), dies macht einen großen Teil des Marktes der LED aus
- Für den Straßenverkehr als Ampelbeleuchtung
- Displays
- Fahrradleuchten
- LED-Wagen bzw. LED-Wand bei Großveranstaltungen
- Bei einem LED Truck beträgt der Tagesmietpreis: 7424,00 Euro
- Bei dieser 8m 2 LED-Wand beträgt die Miete für einen Tag 2900 Euro, drei Tage 6380 Euro und 7 Tage 10440 Euro.
Vorteile
Wirtschaftliche Vorteile
- hoher Wirkungsgrad und damit geringer Energieverbrauch
- geringe Wärmeentwicklung
- Reduzierung der Klimatisierungskosten
- keine Wartungskosten
- keine Reinigungskosten
- geringere Transportkosten
- geringere Entsorgungskosten
- teilweise verfügbare Produktionstechnik
- geringer Einsatz von Ressourcen
- geringerer Energiebedarf im Betrieb
Design-Vorteile
- kleine Bauform, miniaturisierte SMD-Ausführungen
- passen in herkömmlichen Leuchten
- neues, feinstrukturiertes Design
- individuelle Formbarkeit des Leuchtmittels durch unterschiedliche Anordnung der LED
- Dimmen ist ohne Änderung der Lichttemperatur möglich
Technische Vorteile
- stoß- und vibrationsfest (Fahrzeugtechnik)
- kann nicht implodieren
- plötzlicher Ausfall ist unwahrscheinlich
- präzise Lichtlenkung ohne zusätzlichen Reflektor durch LED mit definiertem Abstrahlwinkel
- gute Blendungsbegrenzung
- brummfrei
- keine UV Strahlung
- keine IR Strahlung (Wärme)
- Keine Lampenfassungen erforderlich
- Sicherheit durch Schutzkleinspannung
- praktisch trägheitslos schalt- oder modulierbar
- gute Farbwiedergabeeigenschaften bei RGB Mischung
Nachteile
Wirtschaftliche Nachteile:
- die angestrebte Effizienz ist noch nicht erreicht
- hohe Stückkosten
- geringere Lebensdauer bei High-Brightness-LED
- große Zahl von LED nötig, um Leuchtstärke konventioneller Leuchtmittel zu erreichen
- Entwicklungskosten der Platinen
- hoher Energiebedarf bei der Fertigung? (Energiebilanz?)
Technische Nachteile:
- Effizienz und Lichtfarbe ist mehr oder weniger temperaturabhängig
- Lebensdauer ist kritisch zu bewerten
- Farbwiedergabe weißer LED (blaue LED + ein Leuchtstoff) ist nicht in allen Anwendungsfällen ausreichend
- LED müssen farblich selektiert werden um homogene Farben zu erlangen
Vorschaltgeräte notwendig