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Die Leuchtdiode - LED
Kurz LED, für Light Emitting Diode genannt, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement mit einem p-n Übergang. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge ab.
Am Beginn der Entwicklung von Halbleitern, stand eine wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle.
Der erste Transistor,
1947
Die Leitfähigkeit eines reinen Halbleiterkristalls beruht auf der Bildung von frei beweglichen Ladungsträgern: Elektronen und Elektronenlöcher. Die Elektronenlöcher verhalten sich wie positive Ladungen. Die Leitfähigkeit nimmt mit wachsender Temperatur zu.
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Er schildert seine Versuche, bei denen er eine Metallspitze auf einen Schwefelkristall presste und herausfand, dass der Kristall in einer Richtung gut leitet und zwar um so besser, je höher der Strom ist, in der anderen Richtung fließt hingegen nur wenig Strom. Da man damals nur Ohmsche Leiter und Isolatoren kannte, passte dieser Gleichrichteffekt nicht in die damals bekannten Eigenschaften der Materie und es dauerte fast 60 Jahre!!! bis eine Erklärung dieser besonderen Merkmale gefunden werden konnte.
Diese von Braun gefundene "elektrische Einbahn" spielte dann als Germanium-Kristalldetektor im frühen 19. Jahrhundert in der Anfangszeit von Telegrafie und Radio eine wichtige Rolle und beeinflusste später sogar entscheidend den Ausgang des 2. Weltkrieges! Radaranlagen benützen sehr kurzwellige, hochfrequente elektromagnetische Wellen. Radarempfänger müssen die schwach reflektierten Signale empfangen und verstärken. Für diesen Zweck erwies sich Brauns Kristalldetektor als qualifiziert. Die in Massen produzierten Radargeräte entschieden somit den Luftkrieg um England.
Auch die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts ist eindeutig durch den Aufschwung der Halbleiterindustrie geprägt. Elektonische Schaltkreise sowie Computer revolutionierten die Arbeitswelt und Freizeit.
LEDS, die Lampen der Zukunft
Wie funktioniert nun eine LED?
Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge
Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, LWL bis 1000 nm
Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
Galliumphosphid (GaP) – grün
Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau und grün
Kupferplumbid (CuPb) - Emitter im nahen Infrarot (NIR)
Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer Phosphorschicht, die als Lumineszenz-Konverter wirkt
Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau,
Galliumphosphid (GaP) – grün,
Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP), orange.
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In einem reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleich viele Leitungselektronen wie Elektronenlöcher. Die Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger und somit die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe(dotieren) bestimmter Fremdatome wesentlich gesteigert werden. Man spricht dann von dotierten Halbleitern. Durch Einbau von fünfwertigen Fremdatomen (Donatoren) erhält man Elektronen Überschussleiter(n-Leiter) und durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen (Akzeptoren) erhält man Elektronen Mangelleiter (p-Leiter).
Bauen wir nun in Gedanken eine LED zusammen. Wir nehmen je ein Stück n- leitendes und p- leitendes Material. Solange sich die beiden Halbleiter nicht berühren, sind sie elektrisch neutral. Im n-Leiter befinden sich viele frei bewegliche Elektronen und im p-Leiter befinden sich viele frei bewegliche Elektronenlöcher.
Nun verbinden wir den n und p-Leiter mit einem Hauch dünnen Gold oder Aluminiumdraht und legen eine Durchlassspannung an. An der Kontaktfläche kommt nun einiges in Schwung. Elektronen aus dem n-Bereich und Elektronenlöcher aus dem p-Bereich wandern durch den pn-Übergang und
r e k o m b i n i e r e n
d.h. Elektronen werden von den Löchern eingefangen und wieder an Gitterplätze gebunden. Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt.
Die Farbe des abgestrahlten Lichtes hängt somit vom Material (Halbleiter) der LEDS ab. Bei LEDs liegt der n und p Leiter in einem Halbleiterkristall und "berühren" sich durch die Sperrschicht (Raumladungszone).
Ein neues Verfahren kündigt eine kostengünstigere Erzeugung bei weißen LEDs an:
Bei dem gängigsten Herstellungsverfahren um weiße LEDs herzustellen, wird Galliumnitrid auf eine Grundschicht aus Saphir gedampft dann wieder abgelöst und erneut bedampft. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristall. In einem neuen Verfahren des Birck Nanotechnology Center an der Universität Purdue wurde jetzt die teure Saphirschicht durch Silizium ersetzt. Eine Beschichtung aus Zirkonnitrid verhindert, dass die Siliziumschicht Licht absorbiert. Die Verwendung von Zirkonnitrid wurde erst ermöglicht indem man das Silizium zuvor mit einer Zwischenschicht aus Aluminiumnitrid überzog, um die Reaktion des Siliziums mit dem Zirkonnitrid zu verhindern. Als letzte Schicht wird das Galliumnitrid aufgedampft.
Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED Herstellung verwendet werden.
UPDATE:
* Gallium-Nitrid-LED-Chips auf Silizium von OSRAM:
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Forschern von OSRAM Opto Semiconductors ist es gelungen, leistungsfähige Prototypen blauer und weißer LED herzustellen, bei der die lichtemittierenden Gallium-Nitrid-Schichten (GaN) auf Silizium-Scheiben mit 150 Millimeter Durchmesser gewachsen wurden. Das Silizium ersetzt dabei ohne Qualitätsverlust bisher übliche Saphir-Substrate. Die neuen LED-Chips befinden sich bereits im Pilotstatus und werden unter realen Bedingungen getestet. Erste LED auf Silizium von OSRAM Opto Semiconductors könnten damit schon in den nächsten zwei Jahren auf den Markt kommen.
Vorteile von Silizium:
Diese Entwicklung ist aus mehreren Gründen richtungsweisend: Silizium ist aufgrund seiner Verbreitung in der Halbleiterindustrie, der Verfügbarkeit großer Scheibendurchmesser und seiner sehr guten thermischen Eigenschaften eine attraktive und kostengünstige Option für die Lichtmärkte der Zukunft. Qualität und Leistungsdaten der gefertigten LED-Silizium-Chips stehen der von Saphir-basierenden Chips nicht nach: Die blauen UX:3 Chips im Standard-Gehäuse Golden Dragon Plus erreichen eine Rekordhelligkeit von 634 mW bei einer Spannung von 3,15 Volt. Das entspricht einer Leistungseffizienz von 58 Prozent – das sind herausragende Werte für 1 mm²-Chips bei 350 mA. In Kombination mit einem konventionellen Phosphorkonverter im Standard-Gehäuse – also als weiße LED – entsprechen diese
Prototypen 140 lm bei 350 mA mit einer Effizienz von 127 lm/W bei 4500 K.
Foto: OSRAM
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Die Zinkoxid-LED ist eine neue Generation von Leuchtdioden:
Einfach und ungiftig herzustellen, zudem günstig und effizient
Die Diode, bei der zwei Nanodraht-Schichten aufeinander gedrückt werden. Außerdem ist der Druckbehälter zu sehen, in dem die Drähte gewachsen werden.
(Foto: IFP/Universität Bremen)
* Nano 3D LED:
Eine neue dreidimensionale Nanostruktur soll, im Vergleich zu den bisher verwendeten zweidimensionalen Halbleiterchips, mehr als den zehnfachen Lichtstrom, bei einer "LED-Dichte" von einer Million LEDs pro Quadratmillimeter, ermöglichen. Jedoch auch in der Laser- und Solartechnik verspricht diese neue Innovation bahnbrechende Erfolge.
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