LED-Lichtprinzip

LED (Leuchtdiode)ist ein Festkörper-Halbleiterbauelement, das elektrische Energie in sichtbares Licht umwandeln kann. Es kann Strom direkt in Licht umwandeln. Das Herzstück der LED ist ein Halbleiterchip. Ein Ende des Chips ist an einer Halterung befestigt, ein Ende ist die negative Elektrode und das andere Ende ist mit der positiven Elektrode der Stromversorgung verbunden, sodass der gesamte Chip in Epoxidharz eingekapselt ist.

Der Halbleiterwafer besteht aus zwei Teilen. Ein Teil ist ein Halbleiter vom P-Typ, in dem Löcher dominieren, und das andere Ende ist ein Halbleiter vom N-Typ, in dem hauptsächlich Elektronen vorhanden sind. Wenn diese beiden Halbleiter jedoch verbunden werden, entsteht zwischen ihnen ein PN-Übergang. Wenn durch den Draht Strom auf den Wafer wirkt, werden die Elektronen in den P-Bereich gedrückt, wo sie sich mit Löchern rekombinieren und dann Energie in Form von Photonen emittiert. Dies ist das Prinzip der LED-Lichtemission. Die Wellenlänge des Lichts, also die Farbe des Lichts, wird durch das Material bestimmt, das den P-N-Übergang bildet.

LED kann direkt rotes, gelbes, blaues, grünes, cyanfarbenes, orangefarbenes, violettes und weißes Licht ausstrahlen.

Ursprünglich wurden LEDs als Anzeigelichtquellen für Instrumente verwendet. Später wurden LEDs verschiedener Lichtfarben häufig in Ampeln und großflächigen Bildschirmen eingesetzt und brachten große wirtschaftliche und soziale Vorteile mit sich. Nehmen Sie als Beispiel eine 12 Zoll große rote Ampel. In den Vereinigten Staaten wird als Lichtquelle eine langlebige 140-Watt-Glühlampe mit geringer Lichtausbeute verwendet, die 2.000 Lumen weißes Licht erzeugt. Nach dem Durchgang durch den Rotfilter gehen 90 % des Lichts verloren, sodass nur noch 200 Lumen rotes Licht übrig bleiben. In der neu gestalteten Lampe verwendet Lumileds 18 rote LED-Lichtquellen, die inklusive Schaltungsverlusten insgesamt 14 Watt Leistung verbrauchen, um den gleichen Lichteffekt zu erzeugen. Auch Kfz-Signalleuchten sind ein wichtiger Bereich für LED-Lichtquellenanwendungen.

Für die Allgemeinbeleuchtung benötigt der Mensch weiße Lichtquellen. Im Jahr 1998 wurde die weißlichtemittierende LED erfolgreich entwickelt. Diese Art von LED wird durch die Verpackung von GaN-Chips und Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) hergestellt. Der GaN-Chip emittiert blaues Licht (λp=465 nm, Wd=30 nm), und der YAG-Leuchtstoff, der Ce3+ enthält und durch Hochtemperatursintern hergestellt wird, emittiert gelbes Licht, nachdem er durch das blaue Licht angeregt wurde, mit einem Spitzenwert von 550 nLED-Lampe m. Das blaue LED-Substrat ist in einem schalenförmigen reflektierenden Hohlraum installiert und mit einer dünnen Schicht aus mit YAG gemischtem Harz (ca. 200–500 nm) bedeckt. Ein Teil des vom LED-Substrat emittierten blauen Lichts wird vom Leuchtstoff absorbiert, und der andere Teil des blauen Lichts wird mit dem vom Leuchtstoff emittierten gelben Licht gemischt, um weißes Licht zu erhalten.

Bei weißen InGaN/YAG-LEDs kann durch Änderung der chemischen Zusammensetzung des YAG-Leuchtstoffs und Anpassung der Dicke der Leuchtstoffschicht weißes Licht in verschiedenen Farben mit einer Farbtemperatur von 3500–10000 K erhalten werden. Diese Methode zur Erzeugung von weißem Licht durch blaue LEDs ist einfach aufgebaut, kostengünstig und technologisch ausgereift und wird daher am häufigsten verwendet.