Im Alltagsgebrauch finden technische Begriffe nur selten Platz. Oft sind sie nicht nur zu unbekannt, die sprachliche Präzision ist in der Regel auch gar nicht nötig, um sich verständlich auszudrücken. Erst mit der tiefergehenden Beschäftigung treten Fachbegriffe in den Vordergrund. Dann, wenn Experten nicht mehr alles umschreiben wollen, sondern für komplexe Themen spezifische Wörter brauchen, kommen sie zum Einsatz. Das kommt auch im Zusammenhang mit der lichtemittierenden Diode vor; der LED. Während das Licht uns helle Momente beschert, stecken allerlei technische und physikalische Details in dem Leuchtmittel, die mit entsprechenden Begriffen eine Erläuterung finden.
Was ist eine LED? Erklärung
Die lichtemittierende Diode, ursprünglich aus dem Englischen als light-emitting diode bekannt, ist in der Alltagssprache unter der Abkürzung LED bekannt. Damit ist eine ganz spezielle Technik gemeint. Dabei beschreibt das Wort Diode explizit ein elektrisches Bauteil, dessen Halbleiter den Strom nur in eine Richtung durchlässt (Durchlassrichtung). In die andere Richtung wiederum sperrt das Bauelement den Stromfluss. Emission wiederum meint im Fachjargon der Physik das Aussenden von Strahlung durch Moleküle und Atome. Bei der LED handelt es sich demnach um das beschriebene Bauelement, das Licht aussendet. Aufgrund der überlegenen Technik sind fast ausschließlich LED-Lampen, wie sie bei Ledkia zu finden sind, im Einsatz. LEDs eignen sich nicht nur für die Beleuchtung einer Wohnung, sondern auch für Garagen, Außenbereiche oder sogar als Fluchtlicht in großen Stadien.
Was sind Halbleiter? Erklärung
Um die Funktionsweise einer LED überhaupt nachvollziehen zu können, ist es notwendig, sich mit dem Halbleiter auseinanderzusetzen. Wie der Name bereits suggeriert, handelt es sich dabei um ein Material, das sowohl leitet, als auch nicht leitet. In diesem Sinne liegt der Halbleiter bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit zwischen einem Isolator und einem Leiter. Genauer gesagt besitzt der Halbleiter Eigenschaften sowohl eines Isolators als auch eines Leiters.
Die Grenzen zwischen Leiter und Isolator sind fließend. Leiter sind Materialien mit freien Elektronen, in denen beim Anlegen einer Spannung Strom fließt. Dazu zählen etwa Metalle, die freie Elektronen und einen geringen spezifischen Widerstand besitzen und somit in der Regel hervorragende Leiter sind. Isolatoren besitzen dagegen keine freien Elektronen und einen hohen spezifischen Widerstand.
Bei Halbleitern dagegen liegen die Elektronen auf dem Valenzband (das ist auch bei Isolatoren und Leitern der Fall) und können unter zwei Bedingungen auf das Leitungsband springen (das ist bei Isolatoren nicht möglich). Entweder springen die Elektronen durch Zufuhr thermischer Energie in das Leitungsband oder erhalten durch Photonen, also durch Licht (einer bestimmten Wellenlänge), die dazu notwendige Energie. Im Leitungsband können sich die Elektronen frei bewegen. Dadurch fließt bei einer angelegten Spannung Strom. Die energetische Lücke, die dem Elektron fehlt, um vom Valenzband auf das Leitungsband zu springen, nennt sich Bandlücke.
Halbleiter, die bei höheren Temperaturen an Leitfähigkeit hinzugewinnen, nennen sich thermische Halbleiter. Licht entsteht bei Halbleitern dann, wenn Elektronen Energie in Form von Photonen (also Licht) abgeben. Das geschieht, wenn Elektronen vom Leitungsband in das Valenzband fallen.
Halbleiter mit p-Dotierung und n-Dotierung
Um die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu verbessern, können die Materialien mit Fremdatomen versetzt werden. Dieser Vorgang nennt sich ”Dotierung”. Die wohl bekannteste und am häufigsten angewandte Dotierung ist die des Halbmetalls Silizium, in das meist das 3-wertige Element Bor oder das 5-wertige Element Phosphor eingebracht wird.
Silizium hat 4 Außenelektronen und ist damit 4-wertig. Durch das Einbringen eines 5-wertigen Atoms steigt die Leitfähigkeit des Siliziums an. Da sich Elektronen gegenseitig abstoßen, nimmt die Größe der Bandlücke ab und es ist weniger Energie nötig, um Elektronen in das Leitungsband zu befördern. Es entsteht ein freies Elektron im Material, und die Leitfähigkeit steigt. Diese Dotierung nennt sich n-Dotierung (n für negativ). Durch das Einbringen eines 3-wertigen Fremdatoms entsteht dagegen ein Mangel an Elektronen. Das fehlende Elektron erzeugt ein Loch im Valenzband des Siliziums, indem das Silizium sein Elektron abgibt. Diese Vorgehensweise nennt sich p-Dotierung (p für positiv).
LEDs gehören zu den III/V-Halbleitern, also zu denen, die mit 3- und 5-wertigen Fremdatomen versetzt sind. Durch die hohe Leitfähigkeit entsteht trotz niedriger Spannung (und damit wenig Energie) häufig die Situation, dass Elektronen vom Leitungsband in das Valenzband fallen. Dies geschieht in der sogenannten Sperrschicht, die zwischen p-dotierten und n-dotierten Material liegt. Das zusätzliche Elektron aus der n-Schicht fällt in das Loch der p-Schicht.
Wirkungsgrad
Eine der wesentlichen Merkmale technischer Bauteile ist der Wirkungsgrad. Er bestimmt etwa, wie effektiv ein Auto den Kraftstoff in Leistung umwandelt. Hinter dem Begriff verbirgt sich eine physikalische Berechnung, wobei der Wirkungsgrad mit dem griechischen Buchstaben η (Eta) beschrieben wird. Er beschreibt das Verhältnis von zugeführter Energie und genutzter Energie, bzw. von zugeführter Leistung und Nutzleistung. Als Ergebnis kommt immer eine Zahl zwischen 0 und 1 heraus. Der Wirkungsgrad beträgt der Umrechnung zufolge 0 bis 100 %. LEDs zeichnen sich vor allem gegenüber anderen Leuchtmitteln durch ihre hohe Effizienz aus.
Wellenlänge
LEDs senden im Gegensatz zu anderen Leuchtmitteln verschiedene Farben aus. Welche Farbe Licht besitzt, bestimmt dabei die sogenannte Wellenlänge. Trifft zum Beispiel Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm (Nanometer) auf die Netzhaut, interpretiert das Gehirn das Licht als rote Farbe, bei 550 nm hingegen als grüne. Die Wellenlänge ist dabei der Abstand zweier Punkte der gleichen Phase. Bei einer Sinuskurve etwa der Abstand zweier aufeinanderfolgender Hochpunkte. Die Wellenlänge ist bei LEDs wichtig, um genau zu wissen, welche Farbe sie ausstrahlt. Mit verschiedenen Techniken erreichen die Hersteller des Leuchtmittels ganz unterschiedliche Farben, was auf diese Weise vorher nicht möglich war.
Monochromatisches Licht
Monochromatisches Licht bedeutet, dass das sichtbare Licht einfarbig ist, also etwa nur rot oder blau. Das Wort kommt aus dem Griechischen, wobei „mono“ allein oder einzig bedeutet und „chromo“ Farbe. Der Begriff spielt bei der Technik insofern eine wesentliche Rolle, als Leuchtdioden nur monochromatisches Licht erzeugen können. Das Problem: Weißes Licht entsteht, wenn das gesamte Wellenspektrum auf das Auge trifft.
Leuchtdioden können also kein weißes Licht aussenden. Dafür bedienen sich die Hersteller anderer Mittel, um das Licht der Lampen weiß erscheinen zu lassen. Dazu werden etwa verschiedenfarbige LEDs zusammen genutzt oder ein spezieller Farbstoff mit blauen oder ultravioletten Dioden kombiniert.