Physik - Kaleidoskop

Leuchtdiode 277
Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (zwei oder drei)
Dioden in einem Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode
oder Kathode und einen Anschluss für jede Farbe. Bei einer
Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei LED-Chips antiparallel
geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine
quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables
Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren.
Funktionsprinzip
Der prinzipielle Aufbau einer LED entspricht dem einer
pn-Halbleiterdiode, LEDs besitzen daher die gleichen
Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem
LED in SMD-Bauweise
verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen
hergestellt sind, ist das Ausgangsmaterial für LEDs ein sogenannter III-V-Halbleiter, meist eine Galliumverbindung.
Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen zur Rekombinationsschicht am
p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf
das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln. Sie rekombinieren mit den dort vorhandenen
Löchern. III-V-Halbleiter zeichnen sich dabei durch einen direkten Bandübergang aus, das bedeutet, dass die
Elektronen auf direktem Wege vom Leitungsband in das Valenzband wechseln können. Bei diesem Übergang kann
Licht ausgesendet werden. Ein weiterer Ursprung von Photonen besteht in einer plasmonisch-polaronischen
Wechselwirkung, die durch einen spinfreien Übergang direkt zur Emission eines Auger-Photoelektrons führt. Dieser
Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.
Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfolgt der Wechsel der Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband
hingegen indirekt, der Impuls der Elektronen wird durch das Kristallgitter aufgenommen und verursacht eine
Gitterschwingung (Phononenanregung). Dadurch steht keine Energie für die Aussendung von Licht zur Verfügung.
Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt also das Verhalten der
Energieübertragung. Im Unterschied zum sehr vereinfachten
Bändermodell ist in der Grafik rechts horizontal der Wellenvektor
aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate.
Rechts ist kein direkter Strahlungsübergang vom oberen Leitungsband
auf das untere Valenzband möglich, da sich nicht nur die Energie,
sondern auch der Impuls verändert, im Gegensatz zum linken
Beispiel (siehe auch Bandlücke).
als Zahlenwertgleichung:
Bandstrukturen zweier Halbleiter
links: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid)
rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium)
λ(W D ): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn in eV eingesetzt
wird.)
h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10 −34 Js = 4,13567 · 10 −15 eVs
c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 10 8 ms −1