Leuchtdiode

Licht emittierende Diode (LED) ⓘ

Blaue, grüne und rote LEDs in 5 mm großen, diffusen Gehäusen
Funktionsprinzip	Elektrolumineszenz
Erfunden	H. J. Rund (1907) Oleg Losev (1927) James R. Biard (1961) Nick Holonyak (1962)
Erste Produktion	Oktober 1962
Konfiguration der Stifte	Anode und Kathode
Elektronisches Symbol

Teile einer herkömmlichen LED. Die flachen Unterseiten des Ambosses und des in das Epoxidharz eingebetteten Pfostens dienen als Verankerung, um zu verhindern, dass die Leiter durch mechanische Beanspruchung oder Vibration gewaltsam herausgezogen werden. ⓘ

Nahaufnahme einer oberflächenmontierten LED ⓘ

Nahaufnahme einer LED, bei der die Spannung erhöht und gesenkt wird, um die Funktionsweise im Detail zu veranschaulichen. ⓘ

Eine moderne LED-Retrofit-Lampe in Glühbirnenform mit Aluminiumkühlkörper, einer lichtstreuenden Kuppel und einem E27-Schraubsockel, die ein eingebautes, mit Netzspannung arbeitendes Netzgerät verwendet ⓘ

Eine Leuchtdiode (LED) ist eine Halbleiterlichtquelle, die Licht aussendet, wenn Strom durch sie fließt. Elektronen im Halbleiter rekombinieren mit Elektronenlöchern und geben dabei Energie in Form von Photonen (Energiepaketen) ab. Die Farbe des Lichts (entsprechend der Energie der Photonen) wird durch die Energie bestimmt, die die Elektronen benötigen, um die Bandlücke des Halbleiters zu durchqueren. Weißes Licht wird durch die Verwendung von mehreren Halbleitern oder einer lichtemittierenden Phosphorschicht auf dem Halbleiterbauelement erzeugt. ⓘ

Die ersten LEDs, die 1962 als praktische elektronische Bauteile auf den Markt kamen, emittierten infrarotes (IR) Licht mit geringer Intensität. Infrarot-LEDs werden in Fernsteuerungsschaltungen eingesetzt, wie sie in einer Vielzahl von Unterhaltungselektronikgeräten verwendet werden. Die ersten LEDs mit sichtbarem Licht waren von geringer Intensität und auf Rot beschränkt. Frühe LEDs wurden häufig als Anzeigelampen verwendet, die kleine Glühbirnen ersetzten, sowie in Siebensegmentanzeigen. Spätere Entwicklungen brachten LEDs im sichtbaren, ultravioletten (UV) und infraroten Wellenlängenbereich hervor, mit hoher, niedriger oder mittlerer Lichtleistung, z. B. weiße LEDs, die sich für die Beleuchtung von Räumen und Außenbereichen eignen. LEDs haben auch neue Arten von Displays und Sensoren hervorgebracht, während ihre hohen Schaltgeschwindigkeiten in der modernen Kommunikationstechnologie mit so unterschiedlichen Anwendungen wie Luftfahrtbeleuchtung, Lichterketten, Autoscheinwerfern, Werbung, allgemeiner Beleuchtung, Verkehrssignalen, Kamerablitzen, beleuchteten Tapeten, Gartenbau-Wachstumsleuchten und medizinischen Geräten nützlich sind. ⓘ

LEDs haben viele Vorteile gegenüber Glühbirnen, z. B. einen geringeren Stromverbrauch, eine längere Lebensdauer, eine bessere physikalische Robustheit, eine geringere Größe und ein schnelleres Schalten. Im Gegenzug zu diesen allgemein vorteilhaften Eigenschaften haben LEDs jedoch auch Nachteile, wie die Beschränkung auf niedrige Spannungen und im Allgemeinen auf Gleichstrom (nicht Wechselstrom), die Unfähigkeit, eine gleichmäßige Beleuchtung aus einer pulsierenden Gleich- oder Wechselstromquelle zu liefern, sowie eine niedrigere maximale Betriebs- und Lagertemperatur. Im Gegensatz zu LEDs können Glühlampen von Haus aus mit praktisch jeder Versorgungsspannung betrieben werden, sie können sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom verwenden und liefern eine gleichmäßige Beleuchtung, wenn sie mit Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom betrieben werden, selbst bei einer Frequenz von nur 50 Hz. LEDs benötigen in der Regel elektronische Hilfskomponenten, um zu funktionieren, während eine Glühbirne direkt mit einer ungeregelten Gleich- oder Wechselstromquelle betrieben werden kann und in der Regel auch wird. ⓘ

Als Wandler von Elektrizität in Licht funktionieren LEDs in umgekehrter Weise wie Fotodioden. ⓘ

Eine Leuchtdiode (kurz LED von englisch light-emitting diode, dt. ‚lichtemittierende Diode‘, auch Lumineszenz-Diode) ist ein Halbleiter-Bauelement, das Licht ausstrahlt, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt. In Gegenrichtung sperrt die LED. Somit entsprechen die elektrischen Eigenschaften der LED denjenigen einer Diode. Die Wellenlänge des emittierten Lichts hängt vom Halbleitermaterial und der Dotierung der Diode ab: Das Licht kann für das menschliche Auge sichtbar oder im Bereich von Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung sein. ⓘ

In den ersten drei Jahrzehnten seit ihrer Markteinführung 1962 diente die LED zunächst als Leuchtanzeige und zur Signalübertragung. Durch technologische Verbesserungen wurde die Lichtausbeute immer größer, es wurden blaue und auf deren Basis auch weiße LEDs entwickelt, und Mitte der 2000er Jahre kamen LED-Leuchtmittel auf den Markt. Diese sind heute weit verbreitet und haben andere Leuchtmittel im Alltagsgebrauch zu einem großen Teil verdrängt. ⓘ

Leuchtdiode im lichtbündelnden, transparenten Gehäuse (Durchmesser 5 mm). Der LED-Chip liegt im Bild nicht sichtbar in der am rechten Anschlussbein angeformten Schale und ist mit einem Bonddraht zum anderen Bein kontaktiert. ⓘ

Geschichte

Entdeckungen und frühe Geräte

Die grüne Elektrolumineszenz eines Punktkontakts auf einem SiC-Kristall stellt das ursprüngliche Experiment von Round aus dem Jahr 1907 nach. ⓘ

Das Phänomen der Elektrolumineszenz wurde 1907 von dem englischen Experimentator H. J. Round von Marconi Labs entdeckt, der einen Kristall aus Siliziumkarbid und einen Cat's-Whisker-Detektor verwendete. Der russische Erfinder Oleg Losev meldete 1927 die Entwicklung der ersten LED. Seine Forschungsergebnisse wurden in sowjetischen, deutschen und britischen Fachzeitschriften veröffentlicht, doch wurde die Entdeckung mehrere Jahrzehnte lang nicht praktisch genutzt. ⓘ

1936 stellte Georges Destriau fest, dass Elektrolumineszenz erzeugt werden kann, wenn Zinksulfid (ZnS)-Pulver in einem Isolator suspendiert wird und ein elektrisches Wechselfeld daran angelegt wird. In seinen Veröffentlichungen bezeichnete Destriau die Lumineszenz häufig als Losev-Licht. Destriau arbeitete in den Laboratorien von Madame Marie Curie, die ebenfalls eine frühe Pionierin auf dem Gebiet der Lumineszenz mit Forschungen über Radium war. ⓘ

Der Ungar Zoltán Bay nahm 1939 zusammen mit György Szigeti die LED-Beleuchtung in Ungarn vorweg, indem er eine Beleuchtungsvorrichtung auf der Basis von SiC mit einer Option auf Borkarbid patentierte, die je nach den vorhandenen Verunreinigungen weiß, gelblich weiß oder grünlich weiß leuchtete. ⓘ

Kurt Lehovec, Carl Accardo und Edward Jamgochian erläuterten diese ersten LEDs 1951 anhand eines Geräts, das SiC-Kristalle mit einer Stromquelle aus einer Batterie oder einem Impulsgenerator verwendete, und 1953 anhand eines Vergleichs mit einer Variante aus reinem Kristall. ⓘ

Rubin Braunstein von der Radio Corporation of America berichtete 1955 über die Infrartemission von Galliumarsenid (GaAs) und anderen Halbleiterlegierungen. Braunstein beobachtete Infrartemissionen, die von einfachen Diodenstrukturen aus Galliumantimonid (GaSb), GaAs, Indiumphosphid (InP) und Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe) bei Raumtemperatur und 77 Kelvin erzeugt wurden. ⓘ

Im Jahr 1957 wies Braunstein außerdem nach, dass die rudimentären Geräte für die funkfreie Kommunikation über eine kurze Entfernung verwendet werden können. Wie Kroemer feststellte, hatte Braunstein "...eine einfache optische Kommunikationsverbindung aufgebaut: Musik, die aus einem Plattenspieler kam, wurde über eine geeignete Elektronik verwendet, um den Durchlassstrom einer GaAs-Diode zu modulieren. Das emittierte Licht wurde von einer PbS-Diode in einiger Entfernung erfasst. Dieses Signal wurde in einen Audioverstärker eingespeist und über einen Lautsprecher wiedergegeben. Wurde der Strahl unterbrochen, verstummte die Musik. Wir hatten sehr viel Spaß beim Spielen mit diesem Aufbau". Dieser Aufbau war ein Vorläufer der Verwendung von LEDs für optische Kommunikationsanwendungen. ⓘ

Eine Texas Instruments SNX-100 GaAs-LED aus dem Jahr 1962 in einem TO-18-Transistor-Metallgehäuse ⓘ

Im September 1961 entdeckten James R. Biard und Gary Pittman bei ihrer Arbeit bei Texas Instruments in Dallas, Texas, die Lichtemission im nahen Infrarot (900 nm) von einer Tunneldiode, die sie auf einem GaAs-Substrat konstruiert hatten. Im Oktober 1961 hatten sie eine effiziente Lichtemission und Signalkopplung zwischen einem GaAs-Lichtemitter mit p-n-Übergang und einem elektrisch isolierten Halbleiter-Photodetektor nachgewiesen. Am 8. August 1962 meldeten Biard und Pittman auf der Grundlage ihrer Erkenntnisse ein Patent mit dem Titel "Semiconductor Radiant Diode" an, das eine zinkdiffundierte p-n-Übergangs-LED mit einem beabstandeten Kathodenkontakt beschrieb, um eine effiziente Emission von Infrarotlicht unter Vorwärtsspannung zu ermöglichen. Nachdem sie die Priorität ihrer Arbeit anhand von technischen Notizbüchern nachgewiesen hatten, die vor den Einreichungen von G.E. Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs und Lincoln Lab am MIT lagen, erteilte das US-Patentamt den beiden Erfindern das Patent für die GaAs-Infrarot-Leuchtdiode (US-Patent US3293513), die erste praktische LED. Unmittelbar nach der Anmeldung des Patents begann Texas Instruments (TI) mit einem Projekt zur Herstellung von Infrarotdioden. Im Oktober 1962 kündigte TI das erste kommerzielle LED-Produkt (die SNX-100) an, das einen reinen GaAs-Kristall verwendete, um eine Lichtleistung von 890 nm zu emittieren. Im Oktober 1963 stellte TI die erste kommerzielle halbkugelförmige LED vor, die SNX-110. ⓘ

Die erste LED für das sichtbare Spektrum (rot) wurde Ende 1961 von J. W. Allen und R. J. Cherry am SERL in Baldock, Großbritannien, vorgestellt. Diese Arbeit wurde im Journal of Physics and Chemistry of Solids, Band 23, Ausgabe 5, Mai 1962, auf den Seiten 509-511 veröffentlicht. Ein weiteres frühes Gerät wurde von Nick Holonyak, Jr. am 9. Oktober 1962 demonstriert, als er für General Electric in Syracuse, New York, arbeitete. Holonyak und Bevacqua berichteten über diese LED in der Zeitschrift Applied Physics Letters am 1. Dezember 1962. M. George Craford, ein ehemaliger Doktorand von Holonyak, erfand die erste gelbe LED und verbesserte 1972 die Helligkeit roter und rot-oranger LEDs um das Zehnfache. 1976 entwickelte T. P. Pearsall die ersten hellen, hocheffizienten LEDs für die Glasfaser-Telekommunikation, indem er neue Halbleitermaterialien erfand, die speziell an die Wellenlängen der Glasfaserübertragung angepasst sind. ⓘ

Erste kommerzielle Entwicklung

Die ersten kommerziellen LEDs im sichtbaren Wellenlängenbereich wurden als Ersatz für Glühbirnen und Neonröhren sowie für Siebensegmentanzeigen verwendet, zunächst in teuren Geräten wie Labor- und Elektronikprüfgeräten, später dann in Geräten wie Taschenrechnern, Fernsehern, Radios, Telefonen und Uhren (siehe Liste der Signalverwendungen). Bis 1968 waren sichtbare und infrarote LEDs extrem kostspielig, in der Größenordnung von 200 US-Dollar pro Stück, und hatten daher kaum praktische Verwendung. ⓘ

Hewlett-Packard (HP) forschte und entwickelte zwischen 1962 und 1968 mit einem Forschungsteam unter Howard C. Borden und Gerald P. Pighini bei HP Associates und HP Labs an praktischen LEDs. Während dieser Zeit arbeitete HP mit der Monsanto Company zusammen, um die ersten brauchbaren LED-Produkte zu entwickeln. Die ersten brauchbaren LED-Produkte waren die LED-Anzeige von HP und die LED-Anzeigelampe von Monsanto, die beide 1968 auf den Markt kamen. Monsanto war das erste Unternehmen, das sichtbare LEDs in Massenproduktion herstellte. 1968 verwendete es GaAsP, um rote LEDs zu produzieren, die für Anzeigen geeignet waren. Monsanto hatte zuvor angeboten, HP mit GaAsP zu beliefern, aber HP beschloss, sein eigenes GaAsP zu züchten. Im Februar 1969 stellte Hewlett-Packard das HP Modell 5082-7000 Numeric Indicator vor, das erste LED-Gerät, das die Technologie der integrierten Schaltkreise (integrierte LED-Schaltung) nutzte. Es handelte sich um die erste intelligente LED-Anzeige und war eine Revolution in der digitalen Anzeigetechnik, die die Nixie-Röhre ablöste und die Grundlage für spätere LED-Anzeigen bildete. ⓘ

In den 1970er Jahren wurden von Fairchild Optoelectronics kommerziell erfolgreiche LED-Geräte für weniger als fünf Cent pro Stück hergestellt. Für diese Geräte wurden Verbindungshalbleiterchips verwendet, die im Planarverfahren hergestellt wurden (entwickelt von Jean Hoerni, ). Die Kombination aus planarer Verarbeitung für die Chipherstellung und innovativen Verpackungsmethoden ermöglichte es dem Team von Fairchild unter der Leitung des Optoelektronik-Pioniers Thomas Brandt, die erforderlichen Kostensenkungen zu erzielen. Die LED-Hersteller nutzen diese Methoden auch weiterhin. ⓘ

LED-Anzeige eines wissenschaftlichen Taschenrechners TI-30 (ca. 1978), der Kunststofflinsen zur Vergrößerung der sichtbaren Ziffern verwendet ⓘ

Röntgenbild einer 8-stelligen LED-Rechneranzeige aus den 1970er Jahren ⓘ

Die frühen roten LEDs waren nur als Indikatoren hell genug, da die Lichtleistung nicht ausreichte, um einen Bereich zu beleuchten. Die Anzeigen in Taschenrechnern waren so klein, dass Plastiklinsen über die einzelnen Ziffern gelegt wurden, um sie lesbar zu machen. Später wurden andere Farben weithin verfügbar und kamen in Geräten und Anlagen zum Einsatz. ⓘ

Frühe LEDs waren in Metallgehäusen untergebracht, die denen von Transistoren ähnelten, mit einem Glasfenster oder einer Linse, um das Licht nach außen zu lassen. Moderne Anzeige-LEDs sind in durchsichtigen, röhrenförmigen oder rechteckigen Kunststoffgehäusen verpackt, die oft entsprechend der Farbe des Geräts eingefärbt sind. Infrarotgeräte können eingefärbt sein, um sichtbares Licht zu blockieren. Komplexere Gehäuse wurden für eine effiziente Wärmeableitung bei Hochleistungs-LEDs angepasst. Durch oberflächenmontierte LEDs wird die Gehäusegröße weiter reduziert. LEDs, die für den Einsatz mit Glasfaserkabeln vorgesehen sind, können mit einem optischen Anschluss versehen sein. ⓘ

Blaue LED

Die erste blau-violette LED mit magnesiumdotiertem Galliumnitrid wurde 1972 an der Stanford University von Herb Maruska und Wally Rhines, Doktoranden der Materialwissenschaft und des Ingenieurwesens, hergestellt. Zu dieser Zeit war Maruska von den RCA Laboratories beurlaubt, wo er zusammen mit Jacques Pankove an ähnlichen Arbeiten arbeitete. 1971, ein Jahr nach Maruskas Abreise nach Stanford, wiesen seine RCA-Kollegen Pankove und Ed Miller die erste blaue Elektrolumineszenz von zinkdotiertem Galliumnitrid nach, obwohl das später von Pankove und Miller gebaute Gerät, die erste echte Galliumnitrid-Leuchtdiode, grünes Licht ausstrahlte. Im Jahr 1974 erteilte das US-Patentamt Maruska, Rhines und dem Stanford-Professor David Stevenson ein Patent für ihre Arbeit aus dem Jahr 1972 (US-Patent US3819974 A). Die Magnesiumdotierung von Galliumnitrid bildet auch heute noch die Grundlage für alle kommerziellen blauen LEDs und Laserdioden. In den frühen 1970er Jahren waren diese Geräte zu schwach für den praktischen Einsatz, und die Forschung an Galliumnitridgeräten kam ins Stocken. ⓘ

Im August 1989 stellte Cree die erste kommerziell erhältliche blaue LED auf der Basis des Halbleiters mit indirekter Bandlücke, Siliziumkarbid (SiC), vor. SiC-LEDs hatten einen sehr geringen Wirkungsgrad von nur etwa 0,03 %, emittierten aber im blauen Bereich des sichtbaren Lichtspektrums. ⓘ

In den späten 1980er Jahren leiteten entscheidende Durchbrüche bei der GaN-Epitaxie und der p-Typ-Dotierung die moderne Ära der optoelektronischen Geräte auf GaN-Basis ein. Aufbauend auf dieser Grundlage patentierte Theodore Moustakas von der Boston University 1991 ein Verfahren zur Herstellung von blauen LEDs mit hoher Leuchtkraft in einem neuen zweistufigen Prozess. ⓘ

Zwei Jahre später, 1993, demonstrierte Shuji Nakamura von der Nichia Corporation blaue LEDs mit hoher Helligkeit, die mit einem Galliumnitrid-Zuchtverfahren hergestellt wurden. Parallel dazu arbeiteten Isamu Akasaki und Hiroshi Amano von der Universität Nagoya an der Entwicklung der wichtigen GaN-Abscheidung auf Saphirsubstraten und an der Demonstration der p-Typ-Dotierung von GaN. Diese neue Entwicklung revolutionierte die LED-Beleuchtung und machte blaue Hochleistungslichtquellen praktikabel, was zur Entwicklung von Technologien wie Blu-ray führte. ⓘ

Für seine Erfindung wurde Nakamura 2006 mit dem Millennium Technology Prize ausgezeichnet. Nakamura, Hiroshi Amano und Isamu Akasaki erhielten 2014 den Nobelpreis für Physik für die Erfindung der blauen LED. Im Jahr 2015 entschied ein US-Gericht, dass drei Unternehmen das frühere Patent von Moustakas verletzt hatten, und verurteilte sie zur Zahlung von Lizenzgebühren in Höhe von mindestens 13 Millionen US-Dollar. ⓘ

1995 untersuchte Alberto Barbieri am Cardiff University Laboratory (GB) die Effizienz und Zuverlässigkeit von LEDs mit hoher Helligkeit und demonstrierte eine LED mit "transparentem Kontakt" unter Verwendung von Indiumzinnoxid (ITO) auf (AlGaInP/GaAs). ⓘ

In den Jahren 2001 und 2002 wurden Verfahren für das Aufwachsen von Galliumnitrid (GaN)-LED auf Silizium erfolgreich demonstriert. Im Januar 2012 führte Osram Hochleistungs-InGaN-LEDs auf Siliziumsubstraten kommerziell vor, und bei Plessey Semiconductors werden GaN-auf-Silizium-LEDs produziert. Seit 2017 verwenden einige Hersteller SiC als Substrat für die LED-Produktion, aber Saphir ist gebräuchlicher, da es die ähnlichsten Eigenschaften wie Galliumnitrid hat und die Notwendigkeit der Strukturierung des Saphir-Wafers verringert (strukturierte Wafer werden als Epi-Wafer bezeichnet). Samsung, die University of Cambridge und Toshiba forschen an GaN auf Si-LEDs. Toshiba hat die Forschungen eingestellt, möglicherweise wegen der geringen Erträge. Einige entscheiden sich für die Epitaxie, die auf Silizium schwierig ist, während andere, wie die Universität Cambridge, sich für eine mehrschichtige Struktur entscheiden, um (Kristall-)Gitterfehlanpassungen und unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhältnisse zu verringern, damit der LED-Chip bei hohen Temperaturen (z. B. während der Herstellung) nicht bricht, die Wärmeentwicklung verringert und die Lichtausbeute erhöht wird. Die Strukturierung des Saphir-Substrats kann mit Nanoimprint-Lithografie erfolgen. ⓘ

GaN-on-Si ist wünschenswert, da es die Vorteile der bestehenden Infrastruktur für die Halbleiterherstellung nutzt; es ist jedoch schwierig zu realisieren. Es ermöglicht auch die Verpackung von LED-Dies auf Waferebene, was zu extrem kleinen LED-Gehäusen führt. ⓘ

GaN wird häufig mit Hilfe der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOCVD) abgeschieden, und es wird auch das Lift-off-Verfahren eingesetzt. ⓘ

Weiße LEDs und der Durchbruch bei der Beleuchtung

Obwohl weißes Licht mit einzelnen roten, grünen und blauen LEDs erzeugt werden kann, führt dies zu einer schlechten Farbwiedergabe, da nur drei schmale Wellenlängenbereiche des Lichts emittiert werden. Auf die Entwicklung hocheffizienter blauer LEDs folgte schnell die Entwicklung der ersten weißen LED. In diesem Bauelement wurde eine Y
₃Al
₅O
₁₂:Ce (bekannt als "YAG"- oder Ce:YAG-Leuchtstoff) eine mit Cer dotierte Leuchtstoffschicht, die durch Fluoreszenz gelbes Licht erzeugt. Die Kombination dieses gelben Lichts mit dem verbleibenden blauen Licht erscheint dem Auge weiß. Die Verwendung anderer Leuchtstoffe erzeugt durch Fluoreszenz grünes und rotes Licht. Die daraus resultierende Mischung aus rotem, grünem und blauem Licht wird als weißes Licht wahrgenommen, wobei die Farbwiedergabe im Vergleich zu den Wellenlängen der blauen LED/YAG-Leuchtstoffkombination verbessert wird. ⓘ

Illustration des Haitz'schen Gesetzes, das die Verbesserung der Lichtleistung pro LED im Laufe der Zeit zeigt, mit einer logarithmischen Skala auf der vertikalen Achse ⓘ

Die ersten weißen LEDs waren teuer und ineffizient. Die Lichtausbeute von LEDs ist jedoch exponentiell gestiegen. Die neueste Forschung und Entwicklung wurde von japanischen Herstellern wie Panasonic und Nichia sowie von koreanischen und chinesischen Herstellern wie Samsung, Solstice, Kingsun, Hoyol und anderen vorangetrieben. Dieser Trend zur Leistungssteigerung wurde nach Roland Haitz als Haitz'sches Gesetz bezeichnet. ⓘ

Lichtleistung und Effizienz von blauen und ultravioletten LEDs stiegen, und die Kosten für zuverlässige Geräte sanken. Dies führte zu relativ leistungsstarken Weißlicht-LEDs für die Beleuchtung, die Glühbirnen und Leuchtstoffröhren ablösen. ⓘ

Im Jahr 2014 wurden experimentelle weiße LEDs mit einer Lichtausbeute von 303 Lumen pro Watt Stromverbrauch (lm/W) getestet; einige von ihnen halten bis zu 100.000 Stunden. Kommerziell erhältliche LEDs haben jedoch eine Effizienz von bis zu 223 lm/W (Stand 2018). Der bisherige Rekord von 135 lm/W wurde von Nichia im Jahr 2010 erreicht. Im Vergleich zu Glühbirnen ist dies ein enormer Anstieg der elektrischen Effizienz, und obwohl LEDs in der Anschaffung teurer sind, sind die Gesamtkosten über die Lebensdauer deutlich günstiger als die von Glühbirnen. ⓘ

Der LED-Chip ist in einer kleinen, weißen Kunststoffform eingekapselt. Er kann mit Harz (auf Polyurethanbasis), Silikon oder Epoxidharz eingekapselt werden, das (pulverförmigen) Cer-dotierten YAG-Leuchtstoff enthält. Nachdem die Lösungsmittel verdunstet sind, werden die LEDs häufig getestet und auf Klebestreifen für SMT-Bestückungsanlagen zur Verwendung in der LED-Glühbirnenproduktion gelegt. Die Verkapselung erfolgt nach dem Sondieren, dem Dicing, dem Transfer der Chips vom Wafer in das Gehäuse und dem Drahtbonden oder der Flip-Chip-Montage, eventuell unter Verwendung von Indiumzinnoxid, einem transparenten elektrischen Leiter. In diesem Fall wird der Bonddraht bzw. werden die Bonddrähte an der ITO-Schicht befestigt, die in die LEDs eingebracht wurde. Einige "Remote Phosphor"-LED-Glühbirnen verwenden eine einzige Kunststoffabdeckung mit YAG-Phosphor für mehrere blaue LEDs, anstatt Phosphorbeschichtungen auf weißen Einzelchip-LEDs zu verwenden. ⓘ

Die Temperatur des Leuchtstoffs während des Betriebs und die Art und Weise, wie er aufgebracht wird, begrenzt die Größe eines LED-Die. Auf Wafer-Ebene verpackte weiße LEDs ermöglichen extrem kleine LEDs. ⓘ

Physikalische Grundlagen der Lichterzeugung und -emission

In einer Leuchtdiode wird durch die Rekombination von Elektronen und Elektronenlöchern in einem Halbleiter Licht (im infraroten, sichtbaren oder UV-Bereich) erzeugt, ein Prozess, der als "Elektrolumineszenz" bezeichnet wird. Die Wellenlänge des Lichts hängt von der Energiebandlücke des verwendeten Halbleiters ab. Da diese Materialien einen hohen Brechungsindex haben, sind für eine effiziente Lichtemission spezielle optische Beschichtungen und eine besondere Form der Chips erforderlich. ⓘ

Im Gegensatz zu einem Laser ist das von einer LED emittierte Licht weder spektral kohärent noch hoch monochromatisch. Ihr Spektrum ist jedoch so eng, dass es dem menschlichen Auge als reine (gesättigte) Farbe erscheint. Im Gegensatz zu den meisten Lasern ist ihre Strahlung auch nicht räumlich kohärent, so dass sie die für Laser charakteristische sehr hohe Intensität nicht erreichen kann. ⓘ

Farben

Durch die Auswahl verschiedener Halbleitermaterialien können einfarbige LEDs hergestellt werden, die Licht in einem schmalen Band von Wellenlängen vom nahen Infrarot über das sichtbare Spektrum bis in den ultravioletten Bereich emittieren. Je kürzer die Wellenlängen werden, desto höher ist die Betriebsspannung der LED, da die Bandlücke dieser Halbleiter größer ist. ⓘ

Blau und ultraviolett

Blaue LED aus InGaN ⓘ

Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten Halbleitermaterials ab. Der Bandabstand kann im Rahmen der Herstellung über die Zusammensetzung des Halbleiters in gewissen Grenzen variiert werden. Die Farbe einer Leuchtdiode entspricht direkt einer bestimmten Wellenlänge λ, d. h. dem Kehrwert der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung, multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit. Beispiele von häufig verwendeten Materialien sind:

• Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – infrarot bis 1000 nm Wellenlänge, rot (665 nm)
• Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
• Galliumphosphid (GaP) – (gelb-)grün
• Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – Ultraviolett, Violett, blau und grün (true green) ⓘ

Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs basierend auf Indiumgalliumnitrid, mit einer vor dem LED-Chip befindlichen gelblichen Lumineszenzschicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt und primär im Bereich der LED-Leuchtmittel Einsatz findet. Ähnlich, aber mit veränderter Lumineszenzschicht, sind LEDs in Pastelltönen aufgebaut. ⓘ

Selten verwendete Werkstoffe für Leuchtdioden sind unter anderem:

• Siliziumkarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; kaum noch in praktischen Einsatz da nur geringe Effizienz
• Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte ⓘ

Spektren einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode ⓘ

Materialsysteme von LEDs verschiedener Wellenlängen ⓘ

Farbe	Wellenlänge λ	Werkstoff
Infrarot	2500 nm < λ < 5000 nm	InAs/AlSb-Heterostruktur
Infrarot	1400 nm < λ < 1600 nm	Indiumphosphid (InP)
Infrarot	760 nm < λ < 760 nm	Galliumarsenid (GaAs) Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
Rot	610 nm < λ < 760 nm	Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Orange	590 nm < λ < 610 nm	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Gelb	570 nm < λ < 590 nm	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Grün	500 nm < λ < 570 nm	Indiumgalliumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN) Galliumphosphid (GaP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP) Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Blau	450 nm < λ < 500 nm	Zinkselenid (ZnSe) Indiumgalliumnitrid (InGaN) Siliziumkarbid (SiC) Silizium (Si) als Träger, in Entwicklung Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Violett	400 nm < λ < 450 nm	Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Ultraviolett	230 nm < λ < 400 nm	Aluminiumnitrid (AlN) Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN) Diamant (C) Experimentell: Hexagonales Bornitrid (BN)

Blaue LEDs haben einen aktiven Bereich, der aus einem oder mehreren InGaN-Quantentöpfen besteht, die zwischen dickeren Schichten aus GaN, den so genannten Mantelschichten, liegen. Durch Variation des relativen In/Ga-Anteils in den InGaN-Quantentöpfen kann die Lichtemission theoretisch von violett bis bernsteinfarben variiert werden. ⓘ

Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) mit unterschiedlichem Al/Ga-Anteil kann zur Herstellung der Mantel- und Quantentopfschichten für ultraviolette LEDs verwendet werden, doch haben diese Bauelemente noch nicht den Wirkungsgrad und die technologische Reife der blau/grünen InGaN/GaN-Bauelemente erreicht. Wird in diesem Fall unlegiertes GaN zur Bildung der aktiven Quantentopfschichten verwendet, so emittiert das Bauelement nahezu ultraviolettes Licht mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 365 nm. Grüne LEDs, die aus dem InGaN/GaN-System hergestellt werden, sind weitaus effizienter und heller als grüne LEDs, die mit nicht-nitridischen Materialsystemen hergestellt werden, aber praktische Geräte weisen immer noch eine zu geringe Effizienz für Anwendungen mit hoher Helligkeit auf. ⓘ

Weiß

Es gibt zwei Hauptmethoden zur Herstellung weißer Leuchtdioden. Die eine besteht in der Verwendung einzelner LEDs, die drei Grundfarben - Rot, Grün und Blau - ausstrahlen und dann alle Farben zu weißem Licht mischen. Die andere besteht darin, ein Phosphormaterial zu verwenden, um monochromatisches Licht von einer blauen oder UV-LED in weißes Licht mit breitem Spektrum umzuwandeln, ähnlich wie bei einer Leuchtstofflampe. Bei dem gelben Leuchtstoff handelt es sich um ceriumdotierte YAG-Kristalle, die in das Gehäuse eingeschlossen oder auf die LED aufgetragen sind. Dieser YAG-Phosphor lässt weiße LEDs im ausgeschalteten Zustand gelb erscheinen, und der Zwischenraum zwischen den Kristallen lässt bei LEDs mit partieller Phosphorkonversion etwas blaues Licht durch. Alternativ können weiße LEDs auch andere Leuchtstoffe wie Mangan(IV)-dotiertes Kaliumfluorsilikat (PFS) oder andere technische Leuchtstoffe verwenden. PFS trägt zur Erzeugung von rotem Licht bei und wird in Verbindung mit herkömmlichem Ce:YAG-Leuchtstoff verwendet. Bei LEDs mit PFS-Phosphor wird ein Teil des blauen Lichts durch die Phosphore geleitet, der Ce:YAG-Phosphor wandelt blaues Licht in grünes und rotes (gelbes) Licht um, und der PFS-Phosphor wandelt blaues Licht in rotes Licht um. Die Farbe, das Emissionsspektrum oder die Farbtemperatur von mit weißem Phosphor umgewandelten und anderen mit Phosphor umgewandelten LEDs kann durch Änderung der Konzentration mehrerer Phosphore, die eine in einem LED-Gehäuse verwendete Phosphormischung bilden, gesteuert werden. ⓘ

Die "Weiße" des erzeugten Lichts wird so eingestellt, dass sie dem menschlichen Auge entspricht. Aufgrund der Metamerie ist es möglich, ganz unterschiedliche Spektren zu erzeugen, die weiß erscheinen. Das Erscheinungsbild von Objekten, die von diesem Licht beleuchtet werden, kann je nach Spektrum variieren. Dies ist ein Problem der Farbwiedergabe, das nichts mit der Farbtemperatur zu tun hat. Ein orangefarbenes oder blaugrünes Objekt könnte in der falschen Farbe und viel dunkler erscheinen, da die LED oder der Leuchtstoff nicht die Wellenlänge emittiert, die sie reflektiert. Die LEDs mit der besten Farbwiedergabe verwenden eine Mischung von Leuchtstoffen, was zu einer geringeren Effizienz und einer besseren Farbwiedergabe führt. ⓘ

RGB-Systeme

Kombinierte Spektralkurven für blaue, gelb-grüne und hochhelle rote Halbleiter-LEDs. Die spektrale FWHM-Bandbreite beträgt für alle drei Farben etwa 24-27 nm. ⓘ

RGB-LED ⓘ

Das Mischen von roten, grünen und blauen Quellen zur Erzeugung von weißem Licht erfordert elektronische Schaltungen zur Steuerung der Farbmischung. Da LEDs leicht unterschiedliche Emissionsmuster haben, kann sich die Farbbalance je nach Betrachtungswinkel ändern, selbst wenn die RGB-Quellen in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, weshalb RGB-Dioden nur selten zur Erzeugung von weißem Licht verwendet werden. Nichtsdestotrotz findet diese Methode wegen der Flexibilität beim Mischen verschiedener Farben viele Anwendungen, und im Prinzip hat dieser Mechanismus auch eine höhere Quanteneffizienz bei der Erzeugung von weißem Licht. ⓘ

Es gibt verschiedene Arten von mehrfarbigen weißen LEDs: di-, tri- und tetrachromatische weiße LEDs. Zu den Schlüsselfaktoren, die bei diesen verschiedenen Methoden eine Rolle spielen, gehören die Farbstabilität, die Farbwiedergabefähigkeit und die Lichtausbeute. Oft bedeutet eine höhere Effizienz eine geringere Farbwiedergabe, was einen Kompromiss zwischen Lichtausbeute und Farbwiedergabe darstellt. So haben z. B. dichromatische weiße LEDs die beste Lichtausbeute (120 lm/W), aber die geringste Farbwiedergabefähigkeit. Tetrachromatische weiße LEDs haben zwar eine ausgezeichnete Farbwiedergabe, aber oft eine schlechte Lichtausbeute. Trichromatische weiße LEDs liegen dazwischen und haben sowohl eine gute Lichtausbeute (>70 lm/W) als auch eine gute Farbwiedergabe. ⓘ

Eine der Herausforderungen ist die Entwicklung von effizienteren grünen LEDs. Das theoretische Maximum für grüne LEDs liegt bei 683 Lumen pro Watt, aber bis 2010 übertreffen nur wenige grüne LEDs 100 Lumen pro Watt. Die blauen und roten LEDs nähern sich ihren theoretischen Grenzen. ⓘ

Mehrfarbige LEDs bieten auch eine neue Möglichkeit, Licht in verschiedenen Farben zu erzeugen. Die meisten wahrnehmbaren Farben können durch Mischen unterschiedlicher Mengen von drei Grundfarben erzeugt werden. Dies ermöglicht eine präzise dynamische Farbsteuerung. Allerdings nimmt die Emissionsleistung dieser Art von LEDs mit steigender Temperatur exponentiell ab, was zu einer erheblichen Veränderung der Farbstabilität führt. Solche Probleme behindern den industriellen Einsatz. Mehrfarbige LEDs ohne Leuchtstoff können keine gute Farbwiedergabe bieten, da jede LED eine Schmalbandquelle ist. LEDs ohne Phosphor sind zwar eine schlechtere Lösung für die Allgemeinbeleuchtung, aber die beste Lösung für Displays, entweder für die Hintergrundbeleuchtung von LCDs oder für direkte LED-basierte Pixel. ⓘ

Es ist schwierig, eine mehrfarbige LED-Quelle so zu dimmen, dass sie den Eigenschaften von Glühlampen entspricht, da Herstellungsschwankungen, Alter und Temperatur den tatsächlich ausgegebenen Farbwert verändern. Um das Erscheinungsbild einer gedimmten Glühlampe zu emulieren, ist ein Rückkopplungssystem mit Farbsensor zur aktiven Überwachung und Steuerung der Farbe erforderlich. ⓘ

LEDs auf Phosphorbasis

Spektrum einer weißen LED mit blauem Licht, das direkt von der GaN-basierten LED emittiert wird (Spitzenwert bei etwa 465 nm), und dem breitbandigeren, Stokes-verschobenen Licht, das vom Ce³⁺:YAG-Leuchtstoff emittiert wird, der bei etwa 500-700 nm strahlt ⓘ

Bei dieser Methode werden LEDs einer Farbe (meist blaue LEDs aus InGaN) mit verschiedenfarbigen Leuchtstoffen beschichtet, um weißes Licht zu erzeugen; die so entstandenen LEDs werden phosphorbasierte oder phosphorkonvertierte weiße LEDs (pcLEDs) genannt. Ein Teil des blauen Lichts durchläuft die Stokes-Verschiebung, die es von kürzeren in längere Wellenlängen umwandelt. Je nach der Farbe der ursprünglichen LED werden verschiedenfarbige Leuchtstoffe verwendet. Durch die Verwendung mehrerer Phosphorschichten unterschiedlicher Farben wird das emittierte Spektrum verbreitert und der Farbwiedergabeindex (CRI) effektiv erhöht. ⓘ

LEDs auf Phosphorbasis haben Effizienzverluste aufgrund von Wärmeverlusten durch die Stokes-Verschiebung und andere phosphorbezogene Probleme. Ihre Lichtausbeute im Vergleich zu normalen LEDs hängt von der spektralen Verteilung der resultierenden Lichtleistung und der ursprünglichen Wellenlänge der LED selbst ab. Die Lichtausbeute einer typischen weißen LED mit gelbem YAG-Phosphor beträgt beispielsweise das Drei- bis Fünffache der Lichtausbeute der ursprünglichen blauen LED, da das menschliche Auge für Gelb empfindlicher ist als für Blau (wie in der Leuchtkraftfunktion modelliert). Aufgrund der einfachen Herstellung ist die Phosphormethode nach wie vor die beliebteste Methode zur Herstellung weißer LEDs mit hoher Lichtintensität. Der Entwurf und die Herstellung einer Lichtquelle oder einer Leuchte mit einem monochromen Emitter mit Phosphorkonversion ist einfacher und billiger als ein komplexes RGB-System, und die Mehrzahl der derzeit auf dem Markt befindlichen hochintensiven weißen LEDs wird mit Phosphorkonversion hergestellt. ⓘ

Eine der Herausforderungen bei der Verbesserung der Effizienz von LED-basierten Weißlichtquellen ist die Entwicklung effizienterer Leuchtstoffe. Im Jahr 2010 ist der effizienteste gelbe Leuchtstoff immer noch der YAG-Leuchtstoff mit einem Stokes-Shift-Verlust von weniger als 10 %. Weitere 10 % bis 30 % des Effizienzverlustes sind auf interne optische Verluste aufgrund von Re-Absorption im LED-Chip und in der LED-Verpackung selbst zurückzuführen. Derzeit wird im Bereich der Entwicklung von Leuchtstoff-LEDs viel Aufwand betrieben, um diese Geräte für eine höhere Lichtleistung und höhere Betriebstemperaturen zu optimieren. Die Effizienz kann beispielsweise durch ein besseres Gehäusedesign oder durch die Verwendung eines geeigneteren Leuchtstoffs gesteigert werden. Das Problem der unterschiedlichen Leuchtstoffdicke wird häufig durch konforme Beschichtung gelöst. ⓘ

Bei einigen weißen LEDs auf Phosphorbasis werden blaue InGaN-LEDs in phosphorbeschichtetes Epoxid eingekapselt. Alternativ kann die LED mit einem abgesetzten Leuchtstoff gepaart werden, einem vorgeformten Polycarbonatteil, das mit dem Leuchtstoff beschichtet ist. Abgesetzte Leuchtstoffe liefern ein diffuseres Licht, was für viele Anwendungen wünschenswert ist. Außerdem sind sie toleranter gegenüber Schwankungen im Emissionsspektrum der LEDs. Ein gängiges gelbes Leuchtstoffmaterial ist ceriumdotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Ce³⁺:YAG). ⓘ

Weiße LEDs können auch durch Beschichtung von LEDs im nahen Ultraviolettbereich (NUV) mit einer Mischung aus hocheffizienten Leuchtstoffen auf Europiumbasis, die rot und blau emittieren, sowie mit Kupfer und Aluminium dotiertem Zinksulfid (ZnS:Cu, Al), das grün emittiert, hergestellt werden. Dies ist eine Methode, die der Funktionsweise von Leuchtstofflampen entspricht. Diese Methode ist weniger effizient als blaue LEDs mit YAG:Ce-Phosphor, da die Stokes-Verschiebung größer ist, so dass mehr Energie in Wärme umgewandelt wird, aber sie liefert Licht mit besseren spektralen Eigenschaften, das Farben besser wiedergibt. Aufgrund der höheren Strahlungsleistung der ultravioletten LEDs im Vergleich zu den blauen, bieten beide Methoden eine vergleichbare Helligkeit. Ein Problem besteht darin, dass UV-Licht aus einer nicht ordnungsgemäß funktionierenden Lichtquelle austreten und die Augen oder die Haut des Menschen schädigen kann. ⓘ

Andere weiße LEDs

Eine andere Methode zur Herstellung experimenteller Weißlicht-LEDs kam ganz ohne Phosphor aus und basierte auf homoepitaktisch aufgewachsenem Zinkselenid (ZnSe) auf einem ZnSe-Substrat, das gleichzeitig blaues Licht aus seinem aktiven Bereich und gelbes Licht aus dem Substrat emittierte. ⓘ

Eine neue Art von Wafern aus Galliumnitrid auf Silizium (GaN-on-Si) wird zur Herstellung weißer LEDs auf 200-mm-Siliziumwafern verwendet. Dadurch wird das typische kostspielige Saphir-Substrat in relativ kleinen 100- oder 150-mm-Wafern vermieden. Die Saphirvorrichtung muss mit einem spiegelähnlichen Kollektor gekoppelt werden, um das Licht zu reflektieren, das sonst verloren ginge. Es wurde vorhergesagt, dass ab 2020 40 % aller GaN-LEDs mit GaN-on-Si hergestellt werden. Die Herstellung von großflächigem Saphirmaterial ist schwierig, während großflächiges Siliziummaterial billiger und in größerer Menge vorhanden ist. Für LED-Unternehmen dürfte die Umstellung von Saphir auf Silizium eine minimale Investition sein. ⓘ

Organische lichtemittierende Dioden (OLEDs)

Bei einer organischen Leuchtdiode (OLED) besteht das elektrolumineszente Material, aus dem die emittierende Schicht der Diode besteht, aus einer organischen Verbindung. Das organische Material ist aufgrund der Delokalisierung von Pi-Elektronen, die durch die Konjugation über das gesamte Molekül oder einen Teil davon verursacht wird, elektrisch leitfähig und funktioniert daher wie ein organischer Halbleiter. Bei den organischen Materialien kann es sich um kleine organische Moleküle in einer kristallinen Phase oder um Polymere handeln. ⓘ

Zu den potenziellen Vorteilen von OLEDs gehören dünne, kostengünstige Displays mit niedriger Betriebsspannung, großem Betrachtungswinkel sowie hohem Kontrast und Farbumfang. Polymer-LEDs haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie druckbar und flexibel sind. OLEDs wurden für die Herstellung von Bildschirmen für tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Digitalkameras, Beleuchtungen und Fernsehgeräte verwendet. ⓘ

Typen

LEDs werden in einer Vielzahl von Formen und Größen hergestellt. Die Farbe der Kunststofflinse entspricht oft der Farbe des ausgestrahlten Lichts, aber nicht immer. So wird beispielsweise für Infrarot-LEDs häufig violetter Kunststoff verwendet, während die meisten blauen Geräte farblose Gehäuse haben. Moderne Hochleistungs-LEDs, wie sie für Beleuchtung und Hintergrundbeleuchtung verwendet werden, befinden sich in der Regel in SMT-Gehäusen (nicht abgebildet). ⓘ

LEDs werden in verschiedenen Gehäusen für unterschiedliche Anwendungen hergestellt. Für die Verwendung als Anzeige- oder Kontrollleuchte können eine oder mehrere LED-Kontakte in einem Miniaturgerät untergebracht werden. Ein LED-Array kann Steuerschaltungen im selben Gehäuse enthalten, die von einem einfachen Widerstand über eine Blink- oder Farbwechselsteuerung bis hin zu einer adressierbaren Steuerung für RGB-Geräte reichen können. Weiß emittierende Geräte mit höherer Leistung werden auf Kühlkörpern montiert und für die Beleuchtung verwendet. Alphanumerische Anzeigen in Punktmatrix- oder Balkenformaten sind weithin verfügbar. Spezielle Gehäuse ermöglichen den Anschluss von LEDs an optische Fasern für Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsverbindungen. ⓘ

Miniatur-LEDs

Abbildung von oberflächenmontierten Miniatur-LEDs in den gängigsten Größen. Sie können viel kleiner sein als eine herkömmliche 5-mm-Lampe, die in der oberen linken Ecke abgebildet ist. ⓘ

Sehr kleines (1,6×1,6×0,35 mm) rotes, grünes und blaues oberflächenmontierbares Miniatur-LED-Gehäuse mit goldenen Drahtbonddetails. ⓘ

Es handelt sich dabei meist um Single-Die-LEDs, die als Anzeigen verwendet werden, und es gibt sie in verschiedenen Größen von 2 mm bis 8 mm, in Gehäusen mit Durchgangsbohrung und zur Oberflächenmontage. Typische Nennströme reichen von etwa 1 mA bis über 20 mA. Mehrere LED-Dies, die an einem flexiblen Trägerband befestigt sind, bilden ein LED-Leuchtband. ⓘ

Übliche Gehäuseformen sind rund, mit gewölbter oder flacher Oberseite, rechteckig mit flacher Oberseite (wie bei Balkenanzeigen) und dreieckig oder quadratisch mit flacher Oberseite. Die Verkapselung kann auch klar oder getönt sein, um den Kontrast und den Betrachtungswinkel zu verbessern. Infrarotgeräte können eine schwarze Tönung haben, um sichtbares Licht zu blockieren, während sie Infrarotstrahlung durchlassen. ⓘ

Ultra-Hochleistungs-LEDs sind für die Betrachtung in direktem Sonnenlicht ausgelegt. ⓘ

5-V- und 12-V-LEDs sind gewöhnliche Miniatur-LEDs, die über einen Vorwiderstand für den direkten Anschluss an eine 5-V- oder 12-V-Versorgung verfügen. ⓘ

Leistungsstarke

Hochleistungs-Leuchtdioden auf einem LED-Sternsockel (Luxeon, Lumileds) ⓘ

High-Power-LEDs (HP-LEDs) oder High-Output-LEDs (HO-LEDs) können mit Strömen von Hunderten von mA bis zu mehr als einem Ampere betrieben werden, im Vergleich zu den zehn mA bei anderen LEDs. Einige können über tausend Lumen abgeben. Es wurden LED-Leistungsdichten von bis zu 300 W/cm² erreicht. Da eine Überhitzung zerstörerisch ist, müssen die HP-LEDs auf einem Kühlkörper montiert werden, damit die Wärme abgeleitet werden kann. Wenn die Wärme einer HP-LED nicht abgeleitet wird, fällt das Gerät innerhalb von Sekunden aus. Eine HP-LED kann oft eine Glühbirne in einer Taschenlampe ersetzen oder in einer Reihe angeordnet werden, um eine leistungsstarke LED-Lampe zu bilden. ⓘ

Einige bekannte HP-LEDs in dieser Kategorie sind die Nichia 19-Serie, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon und Cree X-lamp. Seit September 2009 übertreffen einige von Cree hergestellte HP-LEDs 105 lm/W. ⓘ

Beispiele für das Haitz'sche Gesetz, das einen exponentiellen Anstieg der Lichtausbeute und der Effizienz von LEDs im Laufe der Zeit vorhersagt, sind die LED der Serie XP-G von CREE, die 2009 105 lm/W erreichte, und die Serie 19 von Nichia mit einer typischen Effizienz von 140 lm/W, die 2010 auf den Markt kam. ⓘ

AC-gesteuert

Die von Seoul Semiconductor entwickelten LEDs können ohne Gleichstromkonverter mit Wechselstrom betrieben werden. Bei jedem Halbzyklus leuchtet ein Teil der LED und ein Teil ist dunkel, was sich beim nächsten Halbzyklus umkehrt. Die Effizienz dieser Art von HP-LED beträgt typischerweise 40 lm/W. Eine große Anzahl von in Reihe geschalteten LED-Elementen kann direkt an der Netzspannung betrieben werden. Im Jahr 2009 brachte Seoul Semiconductor eine Hochspannungs-LED mit dem Namen "Acrich MJT" auf den Markt, die mit einer einfachen Steuerschaltung auch mit Wechselstrom betrieben werden kann. Die geringe Verlustleistung dieser LEDs bietet mehr Flexibilität als das ursprüngliche AC-LED-Design. ⓘ

Anwendungsspezifische Varianten

Blinkend

Blinkende LEDs werden als aufmerksamkeitsstarke Indikatoren verwendet, ohne dass eine externe Elektronik erforderlich ist. Blinkende LEDs ähneln Standard-LEDs, enthalten aber einen integrierten Spannungsregler und eine Multivibratorschaltung, die die LED mit einer typischen Periode von einer Sekunde aufblinken lässt. Bei LEDs mit Streulinsen ist diese Schaltung als kleiner schwarzer Punkt sichtbar. Die meisten blinkenden LEDs geben Licht in einer Farbe ab, aber anspruchsvollere Geräte können zwischen mehreren Farben blinken und sogar durch eine Farbsequenz mit RGB-Farbmischung überblenden. Blinkende SMD-LEDs in den Formaten 0805 und anderen Größen sind seit Anfang 2019 erhältlich. ⓘ

Zweifarbige

Bi-Color-LEDs enthalten zwei verschiedene LED-Emitter in einem Gehäuse. Davon gibt es zwei Typen. Ein Typ besteht aus zwei Chips, die antiparallel zueinander an dieselben zwei Leitungen angeschlossen sind. Bei Stromfluss in eine Richtung wird eine Farbe emittiert, bei Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung die andere Farbe. Der andere Typ besteht aus zwei Dies mit separaten Leitungen für beide Dies und einer weiteren Leitung für die gemeinsame Anode oder Kathode, so dass sie unabhängig voneinander gesteuert werden können. Die gebräuchlichste Zweifarbenkombination ist rot/traditionell grün, aber es gibt auch andere Kombinationen wie bernsteinfarben/traditionell grün, rot/rein grün, rot/blau und blau/rein grün. ⓘ

RGB dreifarbig

Dreifarbige LEDs enthalten drei verschiedene LED-Emitter in einem Gehäuse. Jeder Emitter ist mit einer eigenen Leitung verbunden, so dass sie unabhängig voneinander gesteuert werden können. Typisch ist eine Vierleiteranordnung mit einem gemeinsamen Anschluss (Anode oder Kathode) und einem zusätzlichen Anschluss für jede Farbe. Andere hingegen haben nur zwei Anschlüsse (positiv und negativ) und verfügen über eine eingebaute elektronische Steuerung. ⓘ

RGB-SMD-LED ⓘ

RGB-LEDs bestehen aus einer roten, einer grünen und einer blauen LED. Durch die unabhängige Einstellung jeder der drei LEDs können RGB-LEDs eine große Farbskala erzeugen. Im Gegensatz zu dedizierten Farb-LEDs erzeugen sie jedoch keine reinen Wellenlängen. Die Module sind möglicherweise nicht für eine gleichmäßige Farbmischung optimiert. ⓘ

Dekorative Multicolor-LEDs

Dekorative Multicolor-LEDs verfügen über mehrere Emitter in verschiedenen Farben, die über nur zwei Zuleitungen versorgt werden. Die Farben werden intern durch Variation der Versorgungsspannung umgeschaltet. ⓘ

Alphanumerisch

Zusammengesetztes Bild einer 11 × 44 LED-Matrix-Anzeige für Revers-Namensschilder mit SMD-LEDs vom Typ 1608/0603. Oben: Etwas mehr als die Hälfte der 21 × 86 mm großen Anzeige. Mitte: Nahaufnahme der LEDs im Umgebungslicht. Unten: LEDs in ihrem eigenen roten Licht. ⓘ

Alphanumerische LEDs gibt es im Sieben-Segment-, Starburst- und Punktmatrix-Format. Sieben-Segment-Anzeigen können alle Zahlen und eine begrenzte Anzahl von Buchstaben darstellen. Starburst-Anzeigen können alle Buchstaben darstellen. Dot-Matrix-Anzeigen verwenden in der Regel 5×7 Pixel pro Zeichen. Sieben-Segment-LED-Anzeigen waren in den 1970er und 1980er Jahren weit verbreitet, aber der zunehmende Einsatz von Flüssigkristallanzeigen mit ihrem geringeren Stromverbrauch und ihrer größeren Anzeigeflexibilität hat die Beliebtheit von numerischen und alphanumerischen LED-Anzeigen verringert. ⓘ

Digitale RGB

Digital adressierbare RGB-LEDs enthalten ihre eigene "intelligente" Steuerelektronik. Zusätzlich zu Strom und Masse bieten sie Anschlüsse für Dateneingang, Datenausgang, Takt und manchmal ein Strobe-Signal. Diese sind in einer Daisy Chain verbunden. Die an die erste LED der Kette gesendeten Daten können die Helligkeit und Farbe jeder LED unabhängig von den anderen steuern. Sie werden dort eingesetzt, wo eine Kombination aus maximaler Steuerung und minimaler sichtbarer Elektronik benötigt wird, wie z. B. bei Lichterketten für Weihnachten und LED-Matrizen. Einige haben sogar Bildwiederholfrequenzen im kHz-Bereich, was einfache Videoanwendungen ermöglicht. Diese Geräte sind unter ihrer Teilenummer (WS2812 ist üblich) oder einem Markennamen wie NeoPixel bekannt. ⓘ

Glühfaden

Ein LED-Filament besteht aus mehreren LED-Chips, die auf einem gemeinsamen Längssubstrat in Reihe geschaltet sind und einen dünnen Stab bilden, der an einen herkömmlichen Glühfaden erinnert. Sie werden als kostengünstige, dekorative Alternative für herkömmliche Glühbirnen verwendet, die in vielen Ländern schrittweise ausgemustert werden. Die Glühfäden benötigen eine relativ hohe Spannung, so dass sie effizient mit Netzspannungen arbeiten können. Oft werden ein einfacher Gleichrichter und eine kapazitive Strombegrenzung eingesetzt, um einen kostengünstigen Ersatz für eine herkömmliche Glühbirne zu schaffen, ohne die Komplexität des Niederspannungs- und Hochstromkonverters, den Einzel-Die-LEDs benötigen. In der Regel sind sie in einem Gehäuse untergebracht, das den Lampen ähnelt, die sie ersetzen sollen, und mit einem Inertgas gefüllt, das etwas niedriger als der Umgebungsdruck ist, um die Wärme effizient abzuleiten und Korrosion zu verhindern. ⓘ

Chip-on-Board-Arrays

Oberflächenmontierte LEDs werden häufig in Chip-on-Board-Arrays (COB) hergestellt, die eine bessere Wärmeableitung ermöglichen als eine einzelne LED mit vergleichbarer Lichtleistung. Die LEDs können um einen Zylinder herum angeordnet werden und werden wegen der gelben LED-Reihen auch "Maiskolbenleuchten" genannt. ⓘ

Überlegungen zur Verwendung

Stromquellen

Einfache LED-Schaltung mit Widerstand zur Strombegrenzung ⓘ

Der Strom in einer LED oder anderen Dioden steigt exponentiell mit der angelegten Spannung (siehe Shockley-Diodengleichung), so dass eine kleine Änderung der Spannung eine große Änderung des Stroms verursachen kann. Der Strom durch die LED muss durch eine externe Schaltung, z. B. eine Konstantstromquelle, geregelt werden, um Schäden zu vermeiden. Da die meisten gängigen Netzteile (fast) Konstantspannungsquellen sind, müssen LED-Leuchten einen Stromwandler oder zumindest einen Strombegrenzungswiderstand enthalten. Bei einigen Anwendungen reicht der Innenwiderstand kleiner Batterien aus, um den Strom innerhalb der LED-Nennleistung zu halten. ⓘ

Elektrische Polarität

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Glühlampe leuchtet eine LED nur dann, wenn eine Spannung in Durchlassrichtung der Diode angelegt wird. Wenn die Spannung in umgekehrter Richtung angelegt wird, fließt kein Strom und es wird kein Licht abgegeben. Wenn die Sperrspannung die Durchbruchspannung übersteigt, fließt ein großer Strom und die LED wird beschädigt. Wenn der Sperrstrom ausreichend begrenzt ist, um Schäden zu vermeiden, ist die sperrende LED eine nützliche Rauschdiode. ⓘ

Sicherheit und Gesundheit

Bestimmte blaue und kaltweiße LEDs können die in Spezifikationen zur Augensicherheit wie ANSI/IESNA RP-27.1-05: Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamp and Lamp Systems" (Empfohlene Praxis für die photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen) definierten sicheren Grenzwerte für die sogenannte Blaulichtgefahr überschreiten. Eine Studie ergab, dass bei normaler Verwendung bei häuslicher Beleuchtungsstärke kein Risiko besteht und dass nur in bestimmten Berufssituationen oder für bestimmte Bevölkerungsgruppen Vorsicht geboten ist. Im Jahr 2006 veröffentlichte die Internationale Elektrotechnische Kommission die IEC 62471 Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen, die die Anwendung früherer laserorientierter Normen zur Klassifizierung von LED-Quellen ersetzt. ⓘ

Während LEDs gegenüber Leuchtstofflampen den Vorteil haben, dass sie kein Quecksilber enthalten, können sie andere gefährliche Metalle wie Blei und Arsen enthalten. ⓘ

Im Jahr 2016 gab die American Medical Association (AMA) eine Erklärung über den möglichen negativen Einfluss von bläulichem Straßenlicht auf den Schlaf-Wach-Rhythmus von Stadtbewohnern ab. Kritiker der Industrie behaupten, dass die Expositionswerte nicht hoch genug sind, um eine spürbare Wirkung zu haben. ⓘ

Vorteile

• Wirkungsgrad: LEDs geben mehr Lumen pro Watt ab als Glühbirnen. Die Effizienz von LED-Beleuchtungskörpern wird im Gegensatz zu Leuchtstoffröhren nicht durch Form und Größe beeinflusst.
• Farbe: LEDs können Licht in der gewünschten Farbe ausstrahlen, ohne Farbfilter zu verwenden, wie es bei herkömmlichen Beleuchtungsmethoden erforderlich ist. Dies ist effizienter und kann die Anschaffungskosten senken.
• Größe: LEDs können sehr klein sein (kleiner als 2 mm²) und lassen sich leicht auf Leiterplatten anbringen.
• Einschaltzeit: LEDs leuchten extrem schnell auf. Eine typische rote Anzeige-LED erreicht ihre volle Helligkeit in weniger als einer Mikrosekunde. In Kommunikationsgeräten verwendete LEDs können sogar noch schnellere Reaktionszeiten haben.
• Zyklisch: Im Gegensatz zu Glüh- und Leuchtstofflampen, die bei häufigem Einschalten schneller ausfallen, oder zu Hochdruck-Entladungslampen (HID-Lampen), die erst nach langer Zeit wieder eingeschaltet werden können, sind LEDs ideal für Anwendungen, bei denen sie häufig ein- und ausgeschaltet werden.
• Dimmen: LEDs lassen sich sehr leicht dimmen, entweder durch Pulsweitenmodulation oder durch Herabsetzen des Vorwärtsstroms. Diese Pulsweitenmodulation ist der Grund, warum LED-Lampen, insbesondere Autoscheinwerfer, bei der Betrachtung mit der Kamera oder durch manche Menschen zu blinken oder zu flackern scheinen. Dabei handelt es sich um eine Art Stroboskopeffekt.
• Kühles Licht: Im Gegensatz zu den meisten Lichtquellen strahlen LEDs nur sehr wenig Wärme in Form von Infrarotstrahlung ab, die empfindliche Gegenstände oder Stoffe beschädigen kann. Die überschüssige Energie wird als Wärme über den Sockel der LED abgeleitet.
• Langsamer Ausfall: LEDs versagen hauptsächlich durch Dimmen im Laufe der Zeit und nicht durch plötzliches Versagen wie bei Glühbirnen.
• Langlebigkeit: LEDs können eine relativ lange Nutzungsdauer haben. In einem Bericht wird die Lebensdauer auf 35.000 bis 50.000 Stunden geschätzt, wobei die Zeit bis zum vollständigen Ausfall kürzer oder länger sein kann. Die Lebensdauer von Leuchtstoffröhren liegt in der Regel bei 10.000 bis 25.000 Stunden, was zum Teil von den Einsatzbedingungen abhängt, und die von Glühbirnen bei 1.000 bis 2.000 Stunden. Mehrere DOE-Demonstrationen haben gezeigt, dass die geringeren Wartungskosten aufgrund der längeren Lebensdauer und nicht die Energieeinsparungen der wichtigste Faktor bei der Bestimmung der Amortisationsdauer eines LED-Produkts sind.
• Widerstandsfähigkeit gegen Stöße: Da es sich bei LEDs um Festkörperkomponenten handelt, sind sie im Gegensatz zu den zerbrechlichen Leuchtstoff- und Glühbirnen nur schwer durch äußere Stöße zu beschädigen.
• Fokussierung: Das solide Gehäuse der LED kann so gestaltet werden, dass das Licht gebündelt wird. Glühbirnen und Leuchtstoffröhren benötigen oft einen externen Reflektor, um das Licht zu bündeln und es in eine brauchbare Richtung zu lenken. Bei größeren LED-Gehäusen werden häufig Linsen mit interner Totalreflexion (TIR) verwendet, die den gleichen Effekt haben. Wenn jedoch große Lichtmengen benötigt werden, werden in der Regel viele Lichtquellen eingesetzt, die sich nur schwer auf ein und dasselbe Ziel fokussieren oder kollimieren lassen. ⓘ

Nachteile

• Temperaturabhängigkeit: Die Leistung von LEDs hängt weitgehend von der Umgebungstemperatur der Betriebsumgebung ab - oder von den Eigenschaften des Wärmemanagements. Wird eine LED bei hohen Umgebungstemperaturen zu stark beansprucht, kann dies zu einer Überhitzung des LED-Gehäuses und schließlich zu einem Ausfall des Geräts führen. Um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, ist ein angemessener Kühlkörper erforderlich. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen in der Automobilbranche, in der Medizin und im Militär, wo die Geräte in einem breiten Temperaturbereich arbeiten müssen und eine geringe Ausfallrate erfordern.
• Spannungsempfindlichkeit: LEDs müssen mit einer Spannung oberhalb ihrer Schwellenspannung und einem Strom unterhalb ihrer Nennleistung versorgt werden. Stromstärke und Lebensdauer ändern sich stark bei einer kleinen Änderung der angelegten Spannung. Sie benötigen daher eine stromgeregelte Versorgung (bei Anzeige-LEDs meist nur ein Vorwiderstand).
• Farbwiedergabe: Die meisten kaltweißen LEDs haben Spektren, die sich deutlich von denen eines schwarzen Strahlers wie der Sonne oder einer Glühlampe unterscheiden. Die Spitze bei 460 nm und die Senke bei 500 nm können dazu führen, dass die Farbe von Objekten unter kaltweißer LED-Beleuchtung anders erscheint als bei Sonnenlicht oder Glühlampen, was auf Metamerie zurückzuführen ist. Rote Oberflächen werden von typischen phosphorbasierten kaltweißen LEDs besonders schlecht wiedergegeben. Das Gleiche gilt für grüne Flächen. Die Qualität der Farbwiedergabe einer LED wird durch den Farbwiedergabeindex (CRI) gemessen.
• Flächige Lichtquelle: Einzelne LEDs entsprechen nicht einer punktförmigen Lichtquelle, die eine kugelförmige Lichtverteilung ergibt, sondern eher eine lambertsche Verteilung. Daher sind LEDs für Anwendungen, die ein kugelförmiges Lichtfeld erfordern, nur schwer einsetzbar; allerdings können verschiedene Lichtfelder durch den Einsatz verschiedener Optiken oder "Linsen" manipuliert werden. LEDs können keine Divergenz von weniger als ein paar Grad bieten.
• Lichtverschmutzung: Da weiße LEDs mehr kurzwelliges Licht aussenden als z. B. Natriumdampf-Hochdrucklampen, führt die erhöhte Blau- und Grünempfindlichkeit des skotopischen Sehens dazu, dass weiße LEDs in der Außenbeleuchtung ein wesentlich stärkeres Himmelsglühen verursachen.
• Wirkungsgradabfall: Der Wirkungsgrad von LEDs nimmt mit steigendem Strom ab. Auch die Erwärmung nimmt bei höheren Strömen zu, was die Lebensdauer der LEDs beeinträchtigt. Diese Effekte setzen dem Strom durch eine LED bei Hochleistungsanwendungen praktische Grenzen.
• Auswirkungen auf die Tierwelt: LEDs sind für Insekten viel attraktiver als Natriumdampflampen, und zwar so sehr, dass über die Möglichkeit einer Störung der Nahrungsnetze spekuliert wurde. LED-Beleuchtung in Strandnähe, insbesondere in intensiven blauen und weißen Farben, kann Schildkrötenbrütlinge verwirren und sie dazu bringen, ins Landesinnere zu wandern. Die Verwendung von "schildkrötensicheren" LEDs, die nur schmale Teile des sichtbaren Spektrums ausstrahlen, wird von Naturschutzverbänden empfohlen, um Schäden zu vermeiden.
• Verwendung bei winterlichen Bedingungen: Da sie im Vergleich zu Glühlampen nicht viel Wärme abgeben, können LED-Leuchten, die zur Verkehrsüberwachung eingesetzt werden, durch Schnee verdeckt werden, was zu Unfällen führen kann.
• Thermisches Durchgehen: Parallele LED-Stränge teilen sich den Strom aufgrund der Fertigungstoleranzen bei der Durchlassspannung nicht gleichmäßig. Werden zwei oder mehr Stränge an einer einzigen Stromquelle betrieben, kann es zum Ausfall der LEDs kommen, wenn die Geräte warm werden. Ist ein Binning der Vorwärtsspannung nicht möglich, ist eine Schaltung erforderlich, die eine gleichmäßige Verteilung des Stroms zwischen parallelen Strängen gewährleistet. ⓘ

Anwendungen

Tagfahrlicht-LEDs in einem Auto ⓘ

Die Anwendungen von LEDs lassen sich in fünf große Kategorien einteilen:

• Visuelle Signale, bei denen das Licht mehr oder weniger direkt von der Quelle zum menschlichen Auge gelangt, um eine Botschaft oder Bedeutung zu vermitteln
• Beleuchtung, bei der das Licht von Objekten reflektiert wird, um eine visuelle Reaktion dieser Objekte zu erzeugen
• Messung und Interaktion mit Prozessen, die kein menschliches Sehen erfordern
• Schmalband-Lichtsensoren, bei denen die LEDs in umgekehrter Vorspannung arbeiten und auf einfallendes Licht reagieren, anstatt Licht zu emittieren
• Innenanbau, einschließlich Cannabis. ⓘ

Indikatoren und Schilder

Der niedrige Energieverbrauch, der geringe Wartungsaufwand und die geringe Größe von LEDs haben dazu geführt, dass sie als Statusanzeigen und Displays in einer Vielzahl von Geräten und Anlagen eingesetzt werden. Großflächige LED-Anzeigen werden als Stadionanzeigen, dynamische dekorative Anzeigen und dynamische Hinweisschilder auf Autobahnen verwendet. Dünne, leichte Anzeigen werden auf Flughäfen und Bahnhöfen sowie als Fahrtzielanzeigen für Züge, Busse, Straßenbahnen und Fähren verwendet. ⓘ

Rote und grüne LED-Verkehrssignale ⓘ

Einfarbiges Licht eignet sich gut für Verkehrsampeln und -signale, Ausfahrtsschilder, die Beleuchtung von Rettungsfahrzeugen, Navigationslichter auf Schiffen und LED-basierte Weihnachtsbeleuchtung. ⓘ

Aufgrund ihrer langen Lebensdauer, der schnellen Schaltzeiten und der Sichtbarkeit bei hellem Tageslicht aufgrund ihrer hohen Leistung und Fokussierung werden LEDs in Bremslichtern und Blinkern für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Der Einsatz in Bremsen erhöht die Sicherheit, da die Zeit bis zum vollständigen Aufleuchten erheblich verkürzt wird, d. h. die Aufleuchtzeit ist etwa 0,1 Sekunden kürzer als bei Glühlampen. Dadurch haben nachfolgende Fahrer mehr Zeit zu reagieren. Werden die LEDs in einem Schaltkreis mit doppelter Intensität (hintere Begrenzungsleuchten und Bremsen) nicht schnell genug gepulst, können sie ein Phantomfeld erzeugen, in dem Geisterbilder der LED erscheinen, wenn die Augen schnell über das Feld fahren. Weiße LED-Scheinwerfer sind bereits auf dem Vormarsch. Die Verwendung von LEDs hat stilistische Vorteile, denn LEDs können viel dünnere Leuchten bilden als Glühlampen mit Parabolspiegeln. ⓘ

Da LEDs mit geringer Leistung relativ billig sind, werden sie auch für viele temporäre Anwendungen wie Leuchtstäbe, Knicklichter und das photonische Textil Lumalive verwendet. Auch Künstler haben LEDs für LED-Kunst verwendet. ⓘ

Beleuchtung

Mit der Entwicklung hocheffizienter und leistungsstarker LEDs ist es möglich geworden, LEDs in der Beleuchtung und Illumination einzusetzen. Um die Umstellung auf LED-Lampen und andere hocheffiziente Leuchtmittel zu fördern, rief das US-Energieministerium 2008 den Wettbewerb L Prize ins Leben. Die LED-Glühlampe von Philips Lighting North America gewann den ersten Wettbewerb am 3. August 2011, nachdem sie 18 Monate intensiver Feld-, Labor- und Produkttests erfolgreich absolviert hatte. ⓘ

Effiziente Beleuchtung ist für eine nachhaltige Architektur erforderlich. Seit 2011 bieten einige LED-Glühbirnen bis zu 150 lm/W, und selbst preiswerte Low-End-Modelle erreichen in der Regel mehr als 50 lm/W, so dass eine 6-Watt-LED die gleichen Ergebnisse erzielen kann wie eine herkömmliche 40-Watt-Glühbirne. Die geringere Wärmeabgabe von LEDs verringert auch den Bedarf an Klimaanlagen. Weltweit werden LEDs schnell eingeführt, um weniger effektive Leuchtmittel wie Glühlampen und CFLs zu ersetzen und den Stromverbrauch und die damit verbundenen Emissionen zu senken. Solarbetriebene LEDs werden als Straßenbeleuchtung und in der Architekturbeleuchtung eingesetzt. ⓘ

Aufgrund ihrer mechanischen Robustheit und langen Lebensdauer werden sie in der Fahrzeugbeleuchtung von Autos, Motorrädern und Fahrrädern eingesetzt. LED-Straßenlampen werden an Masten und in Parkhäusern eingesetzt. Im Jahr 2007 war das italienische Dorf Torraca der erste Ort, der seine Straßenbeleuchtung auf LED umstellte. ⓘ

In der Kabinenbeleuchtung neuerer Airbus- und Boeing-Flugzeuge kommen LED-Leuchten zum Einsatz. Auch in der Beleuchtung von Flughäfen und Hubschrauberlandeplätzen werden LEDs eingesetzt. Zu den LED-Flughafenbeleuchtungen gehören derzeit Beleuchtungen für Start- und Landebahnen mit mittlerer Helligkeit, Beleuchtungen für die Mittellinie der Start- und Landebahnen, Beleuchtungen für die Mittellinie und den Rand der Rollbahnen, Leitschilder und Hindernisbeleuchtungen. ⓘ

LEDs werden auch als Lichtquelle für DLP-Projektoren und zur Hintergrundbeleuchtung von LCD-Fernsehern (LED-TVs) und Laptop-Displays verwendet. RGB-LEDs erhöhen die Farbskala um bis zu 45 %. Bildschirme für Fernseh- und Computerbildschirme können durch den Einsatz von LEDs für die Hintergrundbeleuchtung dünner gemacht werden. ⓘ

LEDs sind klein, langlebig und benötigen wenig Strom, weshalb sie in tragbaren Geräten wie Taschenlampen eingesetzt werden. LED-Blitzlichter oder Kamerablitze arbeiten mit einer sicheren, niedrigen Spannung anstelle der 250+ Volt, die bei Xenon-Blitzlampen üblich sind. Dies ist besonders bei Kameras in Mobiltelefonen nützlich, wo der Platz knapp ist und sperrige Schaltkreise, die die Spannung erhöhen, unerwünscht sind. ⓘ

LEDs werden für die Infrarot-Beleuchtung in Nachtsichtgeräten, einschließlich Sicherheitskameras, verwendet. Ein Ring aus LEDs um eine Videokamera, der nach vorne auf einen retroreflektierenden Hintergrund gerichtet ist, ermöglicht Chroma-Keying in Videoproduktionen. ⓘ

LED für Bergleute, um die Sichtbarkeit in Bergwerken zu erhöhen ⓘ

Mit blauen LEDs beleuchtete Vincent-Thomas-Brücke in Los Angeles ⓘ

LEDs werden im Bergbau als Kappenlampen eingesetzt, um den Bergleuten Licht zu geben. Es wurde geforscht, um LEDs für den Bergbau zu verbessern, um die Blendwirkung zu verringern und die Beleuchtung zu verbessern, wodurch die Verletzungsgefahr für die Bergleute verringert wird. ⓘ

LEDs werden zunehmend auch in der Medizin und im Bildungswesen eingesetzt, zum Beispiel zur Verbesserung der Stimmung. Die NASA hat sogar Forschungsarbeiten über den Einsatz von LEDs zur Förderung der Gesundheit von Astronauten gefördert. ⓘ

Datenübertragung und andere Signalisierung

Licht kann zur Übertragung von Daten und analogen Signalen verwendet werden. Weiße LEDs können z. B. in Systemen eingesetzt werden, die Menschen bei der Navigation in geschlossenen Räumen helfen, während sie notwendige Räume oder Gegenstände suchen. ⓘ

Hörhilfen in vielen Theatern und ähnlichen Räumen verwenden Anordnungen von Infrarot-LEDs, um den Ton an die Empfänger der Zuhörer zu senden. Lichtemittierende Dioden (sowie Halbleiterlaser) werden zur Übertragung von Daten über viele Arten von Glasfaserkabeln verwendet, von digitalen Audiosignalen über TOSLINK-Kabel bis hin zu den Glasfaserverbindungen mit sehr hoher Bandbreite, die das Internet-Backbone bilden. Eine Zeit lang waren Computer üblicherweise mit IrDA-Schnittstellen ausgestattet, die es ihnen ermöglichten, Daten über Infrarot an Geräte in der Nähe zu senden und zu empfangen. ⓘ

Da LEDs Millionen Mal pro Sekunde ein- und ausgeschaltet werden können, lässt sich eine sehr hohe Datenbandbreite erzielen. Aus diesem Grund wurde die Kommunikation mit sichtbarem Licht (Visible Light Communication, VLC) als Alternative zur zunehmend konkurrenzfähigen Funkbandbreite vorgeschlagen. Da sie im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums arbeitet, können Daten übertragen werden, ohne die Frequenzen der Funkkommunikation zu belegen. ⓘ

Die Haupteigenschaft von VLC liegt in der Unfähigkeit des Lichts, physische undurchsichtige Barrieren zu überwinden. Diese Eigenschaft kann aufgrund der Störanfälligkeit gegenüber physischen Objekten als Schwachpunkt von VLC angesehen werden, ist aber auch eine ihrer vielen Stärken: Im Gegensatz zu Radiowellen sind Lichtwellen in den geschlossenen Räumen, in denen sie übertragen werden, begrenzt, was eine physische Sicherheitsbarriere erzwingt, die von einem Empfänger dieses Signals verlangt, dass er physischen Zugang zu dem Ort hat, an dem die Übertragung stattfindet. ⓘ

Eine vielversprechende Anwendung von VLC ist das Indoor Positioning System (IPS), ein dem GPS ähnliches System, das in geschlossenen Räumen funktioniert, in denen die Satellitenübertragungen, die den GPS-Betrieb ermöglichen, schwer zu erreichen sind. So sind beispielsweise Geschäftsgebäude, Einkaufszentren, Parkhäuser, U-Bahnen und Tunnelsysteme mögliche Anwendungen für VLC-basierte Indoor-Positionierungssysteme. Sobald die VLC-Lampen in der Lage sind, gleichzeitig mit der Datenübertragung auch die Beleuchtung zu übernehmen, können sie die Installation herkömmlicher Lampen mit nur einer Funktion einfach ersetzen. ⓘ

Andere Anwendungen für VLC umfassen die Kommunikation zwischen Geräten in einem intelligenten Haus oder Büro. Mit der zunehmenden Zahl von IoT-fähigen Geräten könnte die Konnektivität über herkömmliche Funkwellen gestört werden. Glühbirnen mit VLC-Fähigkeiten wären jedoch in der Lage, Daten und Befehle für solche Geräte zu übertragen. ⓘ

Bildverarbeitungssysteme

Maschinelle Bildverarbeitungssysteme benötigen oft eine helle und gleichmäßige Beleuchtung, damit interessante Merkmale leichter zu verarbeiten sind. Häufig werden LEDs verwendet. ⓘ

Barcode-Scanner sind das häufigste Beispiel für Bildverarbeitungsanwendungen, und viele dieser Scanner verwenden rote LEDs anstelle von Lasern. Optische Computermäuse verwenden LEDs als Lichtquelle für die Miniaturkamera in der Maus. ⓘ

LEDs sind für die industrielle Bildverarbeitung nützlich, weil sie eine kompakte, zuverlässige Lichtquelle darstellen. LED-Lampen können je nach Bedarf des Bildverarbeitungssystems ein- und ausgeschaltet werden, und die Form des erzeugten Lichtstrahls kann an die Anforderungen des Systems angepasst werden. ⓘ

Biologischer Nachweis

Die Entdeckung der strahlenden Rekombination in Aluminium-Gallium-Nitrid-Legierungen (AlGaN) durch das U.S. Army Research Laboratory (ARL) führte zur Entwicklung von UV-Leuchtdioden (LEDs), die in lichtinduzierte Fluoreszenzsensoren zur Erkennung biologischer Kampfstoffe eingebaut werden können. Im Jahr 2004 begann das Edgewood Chemical Biological Center (ECBC) mit der Entwicklung eines biologischen Detektors namens TAC-BIO. Das Programm stützt sich auf optische Halbleiter-UV-Quellen (SUVOS), die von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) entwickelt wurden. ⓘ

Die UV-induzierte Fluoreszenz ist eine der robustesten Techniken für den schnellen Echtzeit-Nachweis von biologischen Aerosolen. Bei den ersten UV-Sensoren handelte es sich um Laser, denen es an praktischer Anwendbarkeit im Feld mangelte. Um dieses Problem zu lösen, hat die DARPA die SUVOS-Technologie eingesetzt, um ein kostengünstiges, kleines, leichtes Gerät mit geringem Stromverbrauch zu entwickeln. Die Reaktionszeit des TAC-BIO-Detektors betrug eine Minute ab dem Zeitpunkt, an dem er einen biologischen Wirkstoff erkannte. Es wurde auch nachgewiesen, dass der Detektor wochenlang unbeaufsichtigt in Innenräumen und im Freien betrieben werden kann. ⓘ

Aerosolisierte biologische Partikel fluoreszieren und streuen Licht unter einem UV-Lichtstrahl. Die beobachtete Fluoreszenz hängt von der verwendeten Wellenlänge und den biochemischen Fluorophoren im biologischen Agens ab. Die UV-induzierte Fluoreszenz ist ein schnelles, genaues, effizientes und logistisch praktisches Verfahren zum Nachweis biologischer Stoffe. Der Grund dafür ist, dass die UV-Fluoreszenz ohne Reagenzien auskommt, d. h. ein Verfahren, das keine zusätzlichen Chemikalien für die Reaktion erfordert, keine Verbrauchsmaterialien benötigt und keine chemischen Nebenprodukte erzeugt. ⓘ

Außerdem kann TAC-BIO zuverlässig zwischen gefährlichen und nicht gefährlichen Aerosolen unterscheiden. Es soll empfindlich genug sein, um niedrige Konzentrationen zu erkennen, aber nicht so empfindlich, dass es zu Fehlalarmen führen würde. Der im Gerät verwendete Partikelzählalgorithmus wandelte Rohdaten in Informationen um, indem er die Photonenimpulse pro Zeiteinheit von den Fluoreszenz- und Streudetektoren zählte und den Wert mit einem festgelegten Schwellenwert verglich. ⓘ

Das ursprüngliche TAC-BIO wurde 2010 eingeführt, während die zweite Generation TAC-BIO GEN II im Jahr 2015 entwickelt wurde, um durch die Verwendung von Kunststoffteilen kosteneffizienter zu sein. Dank seiner kleinen und leichten Bauweise kann es an Fahrzeugen, Robotern und unbemannten Luftfahrzeugen angebracht werden. Das Gerät der zweiten Generation könnte auch als Umweltdetektor zur Überwachung der Luftqualität in Krankenhäusern, Flugzeugen oder sogar in Haushalten zur Erkennung von Pilzen und Schimmel eingesetzt werden. ⓘ

Andere Anwendungen

LED-Kostüm für Bühnenkünstler ⓘ

LED-Tapete von Meystyle ⓘ

Das Licht von LEDs kann sehr schnell moduliert werden, weshalb sie in großem Umfang in der faseroptischen Kommunikation und in der Freiraumoptik eingesetzt werden. Dazu gehören auch Fernbedienungen, z. B. für Fernsehgeräte, bei denen häufig Infrarot-LEDs verwendet werden. Opto-Isolatoren verwenden eine LED in Kombination mit einer Fotodiode oder einem Fototransistor, um einen Signalweg mit elektrischer Isolierung zwischen zwei Schaltkreisen zu schaffen. Dies ist besonders nützlich in medizinischen Geräten, bei denen die Signale eines (in der Regel batteriebetriebenen) Niederspannungs-Sensorkreises, der mit einem lebenden Organismus in Berührung kommt, von möglichen elektrischen Störungen in einem Aufzeichnungs- oder Überwachungsgerät, das mit potenziell gefährlichen Spannungen arbeitet, elektrisch isoliert werden müssen. Ein Optoisolator ermöglicht auch die Übertragung von Informationen zwischen Schaltkreisen, die kein gemeinsames Massepotenzial haben. ⓘ

Viele Sensorsysteme basieren auf Licht als Signalquelle. Aufgrund der Anforderungen der Sensoren sind LEDs als Lichtquelle oft ideal. Die Sensorleiste der Nintendo Wii verwendet Infrarot-LEDs. Pulsoxymeter verwenden sie zur Messung der Sauerstoffsättigung. Einige Flachbettscanner verwenden Arrays von RGB-LEDs anstelle der typischen Kaltkathoden-Leuchtstofflampe als Lichtquelle. Durch die unabhängige Steuerung der drei beleuchteten Farben kann sich der Scanner selbst kalibrieren, um eine genauere Farbbalance zu erzielen, und es ist keine Aufwärmphase erforderlich. Außerdem müssen die Sensoren nur monochromatisch sein, da die zu scannende Seite zu jedem Zeitpunkt nur von einer Lichtfarbe beleuchtet wird. ⓘ

Da LEDs auch als Fotodioden verwendet werden können, können sie sowohl für die Fotoemission als auch für die Erkennung eingesetzt werden. Dies könnte z. B. in einem Touchscreen verwendet werden, der das von einem Finger oder einem Stift reflektierte Licht registriert. Viele Materialien und biologische Systeme reagieren empfindlich auf Licht oder sind von diesem abhängig. In Wachstumslampen werden LEDs eingesetzt, um die Photosynthese in Pflanzen zu steigern, und mit UV-LEDs lassen sich Bakterien und Viren aus Wasser und anderen Substanzen entfernen. ⓘ

Tief-UV-LEDs mit einem Spektralbereich von 247 nm bis 386 nm finden auch in anderen Bereichen Anwendung, z. B. bei der Wasser-/Luftreinigung, der Oberflächendesinfektion, der Epoxidhärtung, der Kommunikation im freien Raum ohne Sichtverbindung, der Hochleistungsflüssigkeitschromatografie, der UV-Härtung und dem UV-Druck, der Phototherapie, der medizinischen/analytischen Instrumentierung und der DNA-Absorption. ⓘ

LEDs wurden auch als Spannungsreferenz mittlerer Qualität in elektronischen Schaltungen verwendet. Der Vorwärtsspannungsabfall (etwa 1,7 V bei einer roten LED oder 1,2 V bei einer infraroten LED) kann in Niederspannungsreglern anstelle einer Zenerdiode verwendet werden. Rote LEDs haben die flachste I/U-Kurve oberhalb des Knies. LEDs auf Nitridbasis haben eine ziemlich steile I/U-Kurve und sind für diesen Zweck unbrauchbar. Obwohl die Durchlassspannung von LEDs viel stärker vom Strom abhängt als die einer Zener-Diode, sind Zener-Dioden mit Durchbruchsspannungen unter 3 V nicht weit verbreitet. ⓘ

Die fortschreitende Miniaturisierung von Niederspannungs-Beleuchtungstechniken wie LEDs und OLEDs, die sich für den Einbau in Materialien mit geringer Dicke eignen, hat das Experimentieren mit der Kombination von Lichtquellen und Wandverkleidungsflächen für Innenwände in Form von LED-Tapeten begünstigt. ⓘ

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  Eine große LED-Anzeige hinter einem Discjockey

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  Sieben-Segment-Anzeige, die vier Ziffern und Punkte anzeigen kann

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  LED-Panel-Lichtquelle, die bei einem Experiment zum Pflanzenwachstum verwendet wird. Die Ergebnisse solcher Experimente könnten für den Anbau von Nahrungsmitteln im Weltraum bei Langzeitmissionen genutzt werden. ⓘ

Forschung und Entwicklung

Zentrale Herausforderungen

LEDs benötigen eine optimierte Effizienz, die von laufenden Verbesserungen wie Phosphormaterialien und Quantenpunkten abhängt. ⓘ

Auch der Prozess der Abwärtsumwandlung (die Methode, mit der Materialien energiereichere Photonen in andere, weniger energiereiche Farben umwandeln) muss verbessert werden. So sind beispielsweise die heute verwendeten roten Leuchtstoffe thermisch empfindlich und müssen in dieser Hinsicht verbessert werden, damit sie nicht ihre Farbe verändern und ihre Effizienz mit der Temperatur abnimmt. Rote Leuchtstoffe könnten auch von einer engeren spektralen Breite profitieren, um mehr Lumen zu emittieren und bei der Umwandlung von Photonen effizienter zu werden. ⓘ

Darüber hinaus ist noch einiges zu tun in Bezug auf den Abfall der Stromeffizienz, die Farbverschiebung, die Systemzuverlässigkeit, die Lichtverteilung, das Dimmen, das Wärmemanagement und die Stromversorgungsleistung. ⓘ

Potenzielle Technologie

Perowskit-LEDs (PLEDs)

Eine neue Familie von LEDs basiert auf Halbleitern, die Perowskite genannt werden. Im Jahr 2018, weniger als vier Jahre nach ihrer Entdeckung, war die Fähigkeit von Perowskit-LEDs (PLEDs), Licht aus Elektronen zu erzeugen, bereits so gut wie die der leistungsstärksten OLEDs. Sie haben ein Potenzial für Kosteneffizienz, da sie aus einer Lösung verarbeitet werden können, eine kostengünstige und technisch einfache Methode, die es ermöglichen könnte, auf Perowskiten basierende Geräte mit großen Flächen zu extrem niedrigen Kosten herzustellen. Ihre Effizienz ist besser, wenn nicht-strahlende Verluste, d. h. Rekombinationswege, die keine Photonen erzeugen, eliminiert werden, oder wenn das Problem der Auskopplung (das bei Dünnschicht-LEDs vorherrscht) gelöst wird oder die Ladungsträgerinjektion ausgeglichen wird, um die EQE (externe Quanteneffizienz) zu erhöhen. Die neuesten PLED-Bauteile haben die Leistungsgrenze durchbrochen, indem sie die EQE auf über 20 % gesteigert haben. ⓘ

Im Jahr 2018 veröffentlichten Cao et al. und Lin et al. unabhängig voneinander zwei Arbeiten zur Entwicklung von Perowskit-LEDs mit einer EQE von mehr als 20 %, was diese beiden Arbeiten zu einem Meilenstein in der PLED-Entwicklung machte. Ihre Bauelemente weisen eine ähnliche planare Struktur auf, d. h. die aktive Schicht (Perowskit) ist zwischen zwei Elektroden eingebettet. Um eine hohe EQE zu erreichen, haben sie nicht nur die nicht-strahlende Rekombination reduziert, sondern auch ihre eigenen, subtil unterschiedlichen Methoden zur Verbesserung der EQE eingesetzt. ⓘ

In der Arbeit von Cao et al. nahmen die Forscher das Problem der Auskopplung ins Visier, das darin besteht, dass die optische Physik von Dünnfilm-LEDs dazu führt, dass der Großteil des vom Halbleiter erzeugten Lichts im Gerät eingefangen wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wiesen sie nach, dass lösungsgefertigte Perowskite spontan submikrometergroße Kristallplättchen bilden können, die dem Bauelement effizient Licht entziehen. Diese Perowskite werden durch die Einführung von Aminosäurezusätzen in die Perowskit-Vorläuferlösungen gebildet. Darüber hinaus ist ihre Methode in der Lage, Perowskit-Oberflächendefekte zu passivieren und die nichtradiative Rekombination zu verringern. Durch die Verbesserung der Lichtauskopplung und die Verringerung der nichtradiativen Verluste gelang es Cao und seinen Kollegen, PLED mit einem EQE von bis zu 20,7 % herzustellen. ⓘ

In der Arbeit von Lin und seinen Kollegen wurde jedoch ein anderer Ansatz verwendet, um eine hohe EQE zu erreichen. Anstatt die Mikrostruktur der Perowskit-Schicht zu verändern, entschieden sie sich für eine neue Strategie zur Steuerung der Zusammensetzungsverteilung im Bauelement - ein Ansatz, der gleichzeitig eine hohe Lumineszenz und eine ausgewogene Ladungsinjektion ermöglicht. Mit anderen Worten: Sie verwendeten weiterhin eine flache emittierende Schicht, versuchten aber, das Gleichgewicht der in das Perowskit injizierten Elektronen und Löcher zu optimieren, um die Ladungsträger möglichst effizient zu nutzen. Darüber hinaus sind die Kristalle in der Perowskit-Schicht perfekt von einem MABr-Zusatz umschlossen (wobei MA für CH₃NH₃ steht). Die MABr-Schale passiviert die nichtradiativen Defekte, die sonst in den Perowskit-Kristallen vorhanden wären, was zu einer Verringerung der nichtradiativen Rekombination führt. Durch den Ausgleich der Ladungsinjektion und die Verringerung der nichtradiativen Verluste entwickelten Lin und seine Kollegen PLED mit einem EQE von bis zu 20,3 %. ⓘ

Die LED als Halbleiter

Funktionsprinzip

Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode; Leuchtdioden besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt werden, ist das Ausgangsmaterial für Leuchtdioden ein direkter Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter. ⓘ

Wird an eine Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang. Nach Übergang zur p-dotierten Seite geht das Elektron dann in das energetisch günstigere Valenzband über. Dieser Übergang wird Rekombination genannt, denn er kann auch als Zusammentreffen von einem Elektron im Leitungsband mit einem Defektelektron (Loch) interpretiert werden. Die bei der Rekombination frei werdende Energie wird in einem direkten Halbleiter meist direkt als Licht (Photon) abgegeben. ⓘ

Neben der direkten strahlenden Rekombination ist auch die Beteiligung von Exzitonen und Phononen möglich, was zu etwas weniger energiereicher Strahlung führt (die Farbe des abgestrahlten Lichts wird ins Rötliche verschoben). Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle. ⓘ

Spezielle Varianten, die nicht direkt zu den Leuchtdioden gezählt werden, aber auf ähnlichen Wirkprinzipien beruhen, sind die Laserdiode, die Resonant-cavity light emitting diode (RCLED bzw. RC-LED) sowie die organische Leuchtdiode (OLED). ⓘ

Materialwahl – indirekte und direkte Halbleiter

Bandstrukturen von
links: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid),
rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium) ⓘ

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt unter anderem das Verhalten der Energieübertragung beim Übergang eines Elektrons vom Leitungsband in das Valenzband und andersherum. In der Grafik rechts sind zwei vereinfachte Bandstrukturdiagramme dargestellt. Dabei ist der Verlauf des Leitungs- und des Valenzbandes über den Wellenvektor ${\vec {k}}$ aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate, der den nötigen Impulsübertrag charakterisiert. Dargestellt sind die beiden Grundformen von Halbleitern bzw. Bandübergängen: Links ein strahlender Übergang eines direkten Halbleiters und rechts ein Übergang eines indirekten Halbleiters. ⓘ

Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfordert der Wechsel der Elektronen vom Leitungsbandminimum in das Valenzbandmaximum einen zusätzlichen Impulsübertrag ${\vec {k}}$, um die Impulserhaltung zu gewährleisten. Der Impulsübertrag erfolgt z. B. durch die Emission oder Absorption eines Phonons (Gitterschwingung). Die Bedingung, dass ein zusätzliches Quasiteilchen an dem Übergang beteiligt sein muss, reduziert seine Wahrscheinlichkeit. Indirekte Halbleiter sind daher als Leuchtdiode nicht geeignet. Es dominieren nicht-strahlende Übergänge wie die Rekombination über Störstellen (Shockley-Read-Hall-Rekombination). Entsprechend leuchtet zum Beispiel eine normale Gleichrichterdiode nicht. ⓘ

Im Gegensatz dazu stehen die direkten Halbleiter, sie zeichnen sich durch einen „direkten Bandübergang“ aus, was bedeutet, dass die Elektronen am unteren Rand des Leitungsbandes (Leitungsbandminimum) und am oberen Ende des Valenzbandes (Valenzbandmaximum) denselben Impuls haben. Damit ist ein direkter Übergang des Elektrons unter Aussendung eines Photons (Licht) möglich, ohne dass ein Phonon zur Impulserhaltung beteiligt sein muss. Die Quantenausbeute des direkten Halbleiters Galliumarsenid liegt bei ca. 0,5, beim indirekten Halbleiter Silizium nur bei etwa 1·10⁻⁵. ⓘ

Die Energie des emittierten Photons ist gleich der Energie der Bandlücke, also dem energetischen Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband. ⓘ

$\lambda (W_{\mathrm {D} })={\frac {h\cdot c}{W_{\mathrm {D} }}}\,\qquad \mathrm {mit} \quad W_{\mathrm {D} }=E-E'$

als Zahlenwertgleichung:

$\lambda (W_{\mathrm {D} })={\frac {1240\,\mathrm {nm\,eV} }{W_{\mathrm {D} }}}$ ⓘ

λ(W_D): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn $W_{\mathrm {D} }$ in eV eingesetzt wird.)

h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10⁻³⁴ Js = 4,13567 · 10⁻¹⁵ eVs

c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 10⁸ ms⁻¹

W_D: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in Elektronenvolt), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff. ⓘ

Zusammenhang von LED-Leuchtfarbe und theoretisch minimal möglicher Durchlassspannung ⓘ

Die Größe der Bandlücke, also der Energielücke $E-E'$, bestimmt die Energie, das heißt die Frequenz, Wellenlänge bzw. Farbe des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. So verändert der Austausch von Atomen im Kristallgitter den kristallinen/molekularen Aufbau des Materials, u. a. seine Gitterparameter oder sogar seine Gitterstruktur. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, das heißt im Bereich des nahen Infrarot. Die Zugabe von Phosphor vergrößert den Bandabstand, was das ausgesandte Licht energiereicher macht, wobei die Wellenlänge abnimmt und die Farbe von Infrarot zu Rot und Gelb übergeht. Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 Prozent der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast zwei Elektronenvolt, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt. Die Energie der Bandlücke spiegelt sich auch in der Höhe der Durchlassspannung der Diode wider. Bei langwelligem Licht liegt sie bei ca. 1,5 V, bei blauem Licht bei 3 V, während Siliziumdioden kleinere Werte von ca. 0,6 V aufweisen. ⓘ

Weiße LED

Da Leuchtdioden grundsätzlich nur monochromatisches Licht erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz, um weißes Licht zu erzeugen. ⓘ

Eigenschaften

Spektrale Charakteristik

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Wärmestrahler. Bunte (nicht-weiße) Leuchtdioden emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich; das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von Leuchtdioden für allgemeine Beleuchtungszwecke werden meist blaue Leuchtdioden mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil. ⓘ

Bis Anfang der 1990er-Jahre konnten Leuchtdioden nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums in hinreichender Qualität hergestellt werden, insbesondere blaue Leuchtdioden waren nicht verfügbar. Auch der Einsatz grüner Leuchtdioden war für Verkehrsampeln wegen der geforderten blaugrünen Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück, wofür dieser 2014 den Nobelpreis für Physik bekam. Die Massenproduktion blaugrüner und danach blauer Leuchtdioden begann im Jahr 1993. ⓘ

Elektrische Eigenschaften

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie, die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. ⓘ

Typischer Verlauf des Lichtstromes in Abhängigkeit vom LED-Strom (5-mm-LED cyan) ⓘ

Die Flussspannung bzw. die Spannung über der Diode stellt sich durch den Betriebsstrom ein, besitzt Exemplarstreuung und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig angenähert in Form eines Vorwiderstandes) ist daher wichtig für eine definierte Leuchtstärke. Ein direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist sehr riskant, da der Arbeitspunkt über die Spannung für den gewünschten Strom wegen der Exemplarstreuung und der Temperaturabhängigkeit nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. ⓘ

Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute durch Optimierungen des Halbleitermaterials und der Geometrie von Halbleiterkristall und Gehäuse erhöht. Das ermöglichte es ab etwa den 1990er-Jahren, LEDs mit sehr kleinem Strom zu betreiben (Low-current-LEDs) und dennoch eine sinnvolle Helligkeit zu erzielen. Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung U_f (für englisch forward voltage) hängt vom Halbleitermaterial ab, das wiederum die Lichtfarbe bestimmt. Anhaltspunkte für den Spannungsabfall sind:

• Infrarot-LED: 1,2–1,8 V, typ. 1,3 V
• Rot: 1,6–2,2 V
• Gelb, Grün: 1,9–2,5 V
• Blau, Weiß: 2,7–3,5 V
• UV-LED: 3,1–4,5 V, typ. 3,7 V

Die Flussspannung hängt u. a. von der Stromdichte in der LED und von Serienwiderständen (Bahnwiderstand im Kristall) in der Diode und den Kontaktierungen, Bonddrähten und Anschlüssen ab und nimmt aufgrund dessen bei leistungsfähigeren LEDs zu. ⓘ

Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel 5 Volt, darüber wird die LED meist zerstört. ⓘ

Optische Eigenschaften

Die Lichtemission des LED-Chips bzw. der Leuchtstoffschicht erfolgt in einem Halbraum, wobei der Chip sich etwa wie ein Lambert-Strahler verhält, wenn nicht weitere Teile zur Lenkung/Bündelung des Lichts eingesetzt werden. Die Verlustwärme wird typisch in den anderen Halbraum abgeführt, etwa durch Wärmeleitung in einen Kühlkörper, auf den die LED montiert ist. ⓘ

Leuchtdioden werden oft mit Polymeren verkapselt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas-, Keramik- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen der Wärmeableitung. Der transparente Polymerkörper hat direkten Kontakt mit dem LED-Chip; dieser ist in der Regel in den Kunststoff eingegossen. Das setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Austritt des Lichts aus dem LED-Chip herab und verbessert so den Übergang des Lichts vom Chip in den Polymerkörper. Dieser ist oft wie eine Linse geformt und bündelt das Licht, so dass es innerhalb eines gegebenen Öffnungswinkels austritt. ⓘ

Dieser Öffnungswinkel ist ein wichtiger Parameter einer LED. Der Raumwinkel $\Omega$, in den das Licht abgestrahlt wird, kann aus dem Öffnungswinkel $\alpha$ berechnet werden, und der Lichtstrom $\Phi$ und die Lichtstärke $I$ der LED hängen über $\Omega$ zusammen:

$\Omega =2\pi (1-\cos(\alpha /2))$,

$\Phi =I\cdot \Omega$. ⓘ

In der Praxis gilt letztere Gleichung jedoch nur angenähert, da das Licht meist nicht ausschließlich innerhalb des Öffnungswinkels und in diesem auch nicht völlig gleichmäßig (d. h. mit konstanter Lichtstärke) abgegeben wird. ⓘ

Leuchtdioden mit einer Linse, die zur Erzielung großer Öffnungswinkel ausgelegt ist, werden auch als Straw-Hat-LEDs bezeichnet. Mitunter nutzt man auch eine konkave kegelförmige Frontfläche, an der das Licht total reflektiert wird und dann durch die zylinderförmige Seitenwand des Gehäuses austritt. ⓘ

Lichtstärke

Die Lichtstärke von LEDs wird in der Einheit Candela (cd) oder Teilen davon angegeben. Die Lichtstärke berücksichtigt, im Unterschied zum Lichtstrom, auch die Abstrahl-Charakteristik in Form des Raumwinkels. Typische Werte sind:

• 0,02 cd bis 0,05 cd für klassische LEDs für Signalanwendungen wie in Schaltpulten etc.
• bis 0,8 cd haben neuere sogenannte „superhelle“-LEDs, die damit auch für helle oder Tageslicht-Umgebungen geeignet sind
• bis 10 cd haben LED-Module zu Beleuchtungs-Zwecken, diese sind aus mehreren LED-Chips zusammengesetzt ⓘ

LED-Entwicklung

Stand der Technik

Massenfertigung

Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im Labor hergestellt und bald darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten „Fluxbinning“ werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten. ⓘ

Betrieb und Anschluss

Betrieb mit Konstantstromquelle

Beim Betrieb von Leuchtdioden an einer Konstantstromquelle entfällt das Problem der Abhängigkeit des Stromes von der Versorgungsspannung. Die LED kann dann über einen sehr weiten Spannungsbereich sicher betrieben werden. Konstantstromquellen lassen sich mit Transistoren oder integrierten Schaltungen realisieren. ⓘ

Als Stromquelle für LEDs geeignete Konstantstromquelle mit JFET ⓘ

Eine Möglichkeit zur Realisierung einer Konstantstromquelle bietet ein JFET in Form eines einfachen Linearreglers, der in Serie mit einer LED an eine Spannungsquelle geschaltet wird. Nebenstehende Schaltung wird dabei statt des Vorwiderstandes R in Serie zur LED geschaltet. Durch Wahl von R₁ kann die Stromstärke durch die LED eingestellt werden. Der Widerstandwert ist von den Parametern des JFET abhängig und – im Gegensatz zum Betrieb mit Vorwiderstand – nicht von der Versorgungsspannung. Überschlagsmäßig kann der Konstantstrom nach folgender Gleichung bestimmt werden:

$I_{\text{D}}\approx {\frac {U_{\text{GS}}}{R_{1}}}$ ⓘ

(U_GS ist die Spannung zwischen Gate und Source; dieser Wert ist aus dem Datenblatt des jeweiligen JFET zu entnehmen und gleich der Spannung, die im Betrieb am Widerstand R₁ anliegt.) ⓘ

Die mit dieser Schaltung erzielbaren typischen Versorgungsspannungsbereiche können den Bereich einiger weniger Volt bis zu 40 Volt überstreichen und sind durch die Spannungsfestigkeit und maximale Verlustleistung des JFETs begrenzt. ⓘ

Es besteht auch die Möglichkeit, den linearen Spannungsregler LM317 als Konstantstromquelle zu nutzen. ⓘ

Betrieb mit Schaltregler

Einfacher Aufwärtswandler zum Betrieb einer oder mehrerer weißer LED an einer Primärzelle (1,5 Volt) ⓘ

Lineare Schaltungen haben den Nachteil, dass sie das Produkt aus Spannungsdifferenz und Betriebsstrom in Form der Verlustleistung in Wärme umwandeln. Bei Hochleistungs-LEDs mit Betriebsströmen ab einigen 100 mA aufwärts werden zur Minimierung der Verluste häufig Schaltregler (Tiefsetzsteller) eingesetzt, welche auf einen konstanten Ausgangsstrom regeln. Schaltregler bieten auch die Möglichkeit, die Flussspannung der LED (bei weißen LEDs 2,5 V bis über 4 V) auch bei Betrieb an einer einzelnen Zelle (Akku, Primärzelle) zu erreichen (Hochsetzsteller). ⓘ

Schaltregler haben Wirkungsgrade von oft über 90 % und vermeiden daher die Verluste der vorgenannten Lösungen auch bei hohen Spannungsdifferenzen fast vollständig. Die hohe Schaltfrequenz und die Konstanthaltung des Stroms sorgen dafür, dass so betriebene LEDs für das menschliche Auge dennoch weitestgehend flimmerfrei leuchten. Außerdem kann man mit dafür ausgelegter Elektronik den Betriebsstrom und damit die Helligkeit mittels Pulsweitenmodulation (PWM) steuern. Dafür gibt es auch spezielle integrierte Schaltungen. ⓘ

Die im Bild rechts dargestellte einfache Schaltung besitzt dagegen keine Stromregelung – der Spitzenstrom, der bei gesperrtem Transistor durch die LED fließt, wird durch die Sättigungsstromstärke der Ferrit-Ringkernspule und/oder die Stromverstärkung des Transistors bestimmt. ⓘ

Schaltregler haben den Nachteil, dass der grundlegende Aufbau aufwendiger ist und sie Störungen verursachen können, deren Unterdrückung weiteren Aufwand erfordert. ⓘ

Betrieb an Netzspannung

Der Betrieb einer LED an Netzspannung ist mit einem Gleichrichter und einem Vorschaltkondensator möglich. Die Summe der Flussspannungen der in Reihe geschalteten LEDs muss dabei deutlich geringer als die Netzspannung sein, um den Strom innerhalb der Netzspannungstoleranz ausreichend konstant zu halten. Diese oft in Leuchtmitteln angewendete Lösung erfordert zusätzlich einen Widerstand zur Strombegrenzung, der den Gleichrichter beziehungsweise die LED vor dem vom Vorschaltkondensator verursachten Einschaltstromstoß schützt und oft auch als Sicherung fungiert, sowie einen Siebkondensator, um das 100-Hz-Flimmern zu unterdrücken. Nahezu flimmerfreies Licht ist mit dieser Methode nur unter Verlusten und mit großem Siebkondensator zu erreichen. Dimmbarkeit mit Phasenanschnittdimmern ist nicht möglich. Die Stromaufnahme ist wegen der nichtlinearen LED-Kennlinie nicht sinusförmig. ⓘ

Um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, haben einschlägige Firmen eine Vielzahl von LED-Treibern und Treiber-IC entwickelt, mit denen u. a. folgende Eigenschaften erreicht werden:

• Konstante Helligkeit auch bei Netzspannungs- und Temperaturschwankungen
• Begrenzte Dimmbarkeit mit üblichen Phasenanschnitt- oder Phasenabschnitt-Dimmern, dabei flimmerfreies Licht
• Temperaturmanagement
• Sinusförmige Netzstromaufnahme durch Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) ⓘ

Viele Treiber bieten analoge oder digitale Schnittstellen zur Helligkeitssteuerung. Die Schaltungstopologien sind Sperrwandler, Tiefsetzsteller oder Resonanzwandler. ⓘ

Weiße LED 5-fach ⓘ

Weiße LED 2fach ⓘ

Weiße LED 3fach ⓘ

Je höher die Spannung der LED-Kette, desto geringer der Strom (bei gleicher Leistung), und desto kleiner und billiger kann der Spannungswandler gebaut werden. Um höhere Spannungen zu erreichen, werden statt eines einzigen blauen LED-Chips mehrere kleinere in ein Gehäuse eingesetzt und in Reihe geschaltet. Inzwischen (Stand 2020) gibt es weiße LEDs mit 36 V Brennspannung und entsprechend vielen Chips im gleichen Gehäuse. ⓘ

LED filament 24 ⓘ

Verbreitet sind LED-'Filament'-Lampen mit Glaskolben, die optisch klassischen Glühfadenlampen nachempfunden sind. Ein solches Filament besteht beispielsweise aus 24 in Reihe geschalteten Chips, siehe Bild. Bei einer Reihenschaltung aus vier solchen Filamenten in einer Lampe erreicht die benötigte Diodenspannung fast die Netzspannung, so dass zur Spannungsreduktion ein kleiner Vorschaltkondensator ausreicht. ⓘ

Handhabung

LED müssen nicht nur vor zu hohem Durchlassstrom, sondern auch vor zu hoher Sperrspannung geschützt werden. Viele Hersteller geben nur 3–5 V maximale Sperrspannung an. Daher müssen LED insbesondere bei Betrieb an Wechselspannung oder bei Verpolung vor zu hoher Sperrspannung geschützt werden. Das kann durch eine antiparallele Diode (das kann auch eine weitere LED sein) erfolgen. LED müssen daher wie auch andere Halbleiterbauelemente vor elektrostatischen Entladungen (ESD) geschützt werden. Sie werden in elektrostatisch ableitenden Verpackungen geliefert und gelagert und dürfen nur mit ESD-Schutzmaßnahmen gehandhabt und verarbeitet werden. Einige LED haben einen eingebauten ESD-Schutz. ⓘ

Ansteuerung großer Mengen

Soll eine große Anzahl RGB-LEDs individuell gesteuert werden, so erfordert die Ansteuerung mit herkömmlichen Methoden einen hohen Materialaufwand, da jeder einzelne Leuchtpunkt eine eigene Treiberschaltung benötigt. Zur Reduzierung des Aufwands kommen daher bei LED-Wänden Multiplexverfahren zum Einsatz, bei denen die einzelnen Bildpunkte nicht gleichzeitig, sondern in (für das träge menschliche Auge nicht erkennbarer) schneller Abfolge zyklisch angesteuert werden. Somit genügt es, für jede Reihe und jede Spalte nur noch eine Treiberschaltung zu verwenden. ⓘ

Bei LED-Streifen oder Kunstinstallationen haben sich Module etabliert, bei welchen sich im Gehäuse jeder RGB-LED neben den drei leuchtenden Chips zusätzlich ein digitalen Controller zur Ansteuerung befindet. Über einen seriellen Datenbus können die gewünschten Helligkeitswerte vorgegeben werden. Die Adressierung erfolgt durch die Verbindungsreihenfolge der einzelnen Module (Daisy Chain). ⓘ