Physikalisches Wirkprinzip der LED
Um die Funktionsweise der Licht emittierenden Diode (LED) verstehen zu können, ist zunächst eine kurze Erläuterung des grundlegen Aufbaus von Atomen nötig. Ein Atom besteht aus einem positiv geladenem Kern, der durch eine festgelegte Anzahl von Protonen gebildet wird und der gleichen Anzahl von negativ geladenen Elektronen, die sich auf Bahnen um den Kern befinden. Diese Bahnen haben unterschiedliche Energieniveaus, die als Bänder bezeichnet werden. Das energietechnisch höchste noch mit Elektronen besetzte Band ist das sogenannte Valenzband, welches zum Beispiel bei chemischen Verbindungen eine wichtige Rolle spielt. Daneben liegt das Leiterband, welches beispielsweise bei Leitung von Strom zum Einsatz kommt. Zwischen diesen beiden Bändern liegt eine bestimmte Energiedifferenz, die als Bandlücke bezeichnet wird.
Für den Bau einer LED benötigt man zunächst ein direktes Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium oder Gallium-Arsenid. Diese Materialien zeichnen sich durch eine Bandlücke zwischen Leiter- und Valenzband aus, die einer Energie von Licht im sichtbaren Spektrum entspricht. Fügt man einem Elektron auf dem Leiterband genügend Energie zu, so kann es vom Leiter- ins Valenzband springen. Diese Energiezuvor kann thermisch oder wie bei der LED elektrisch sein.
 |
Mit dem Halbleiter wird dann eine Diode gebaut. Bei einer Diode gibt es zwei unterschiedlich dotierte Gebiete, das n- und das p-Gebiet. Im n-Gebiet besteht ein Überschuss an Elektronen im Leiterband und im p-Gebiet ein Mangel an Elektronen im Valenzband. Diese Vorladung der einzelnen Gebiete wird durch das gezielte Einbringen von Fremdatomen realisiert, dem Dotieren. Da beide Gebiete nach außen hin Ladungsneutral sind, bildet sich am sogenannten p-n-Übergang eine Sperrschicht oder Raumladungszone aus, für deren Durchwanderung eine bestimmte Energie benötigt wird.
Legt man nun eine Vorwärtsspannung an die LED, können die Ladungsträger die Sperrschicht überwinden, wodurch die überschüssigen Elektronen aus dem Leiterband im n-Gebiet den Mangel an Elektronen im Valenzband des p-Gebiets ausgleichen können. Bei diesem Ausgleichsvorgang springen die Elektronen vom Leiter- ins Valenzband. Hierbei wird zusätzlich bei jedem Sprung eines Elektrons zwischen den Bändern ein Photon erzeugt. Photonen werden oft auch als Lichtteilchen bezeichnet, es wird also bei dem Sprung der Elektronen Licht erzeugt.
Da durch die angelegte Spannung Elektronen in das n-Gebiet nachfließen, leuchtet die Diode solange weiter wie eine Spannung anliegt. Abhängig von der Größe der Bandlücke, also der Energiedifferenz zwischen Leiter- und Valenzband, haben die beim Sprung der Elektronen erzeugten Photonen unterschiedlich viel Energie. Dies wiederum bedingt die unterschiedliche Farbe des ausgestrahlten Lichts. Somit ist die Farbe der LED letztlich abhängig vom gewählten Halbleitermaterial.
 |