LED

LEDs sind Halbleiterkristalle und basieren auf einer Form der Lumineszenz. Werden sie an einen Stromkreis geschlossen, beginnen sie zu leuchten (aufgrund von physikalischen Effekten im Kristall). Diese sogenannte Elektrolumineszenz strahlt keine Wärme aus. Anders als bei einer Glühlampe ist also keine Erwärmung des Materials erforderlich und das Licht hat eine spezifische Farbe, die vom Material abhängt.

Allerdings wird im Kristall und in den verwendeten Bauteilen zugeführte Energie in Wärme umgesetzt. Die Bauteile und die LED erhitzen sich, was die Funktionsfähigkeit der LED stark beeinträchtigt. Deshalb ist ein gutes Wärmemanagement für Leuchtdioden erforderlich. Die Lebensdauer der Leuchtdioden hängt direkt davon ab, wie gut eine LED Wärme abführen kann.

In der Leuchtdiode ist dieser Festkörper ein Kristall. Dieser Kristall ist dabei weder Leiter noch Isolator, sondern ein sogenannter Halbleiter. Halbleiter weisen Eigenschaften auf, die sie vom Leiter und Isolator unterscheiden und die sie für viele elektrotechnische Bereiche unverzichtbar machen.

Halbleiter leiten elektrischen Strom nur unter bestimmten Voraussetzungen. Dadurch eignen sie sich besonders gut für die Digitaltechnik mit ihren zwei Zuständen „an“ und „aus“. Ohne Halbleiter gäbe es keine Transistoren und dadurch beispielsweise keine Computer oder Smartphones und viele weitere Errungenschaften des 20. Jahrhunderts.

Leuchtdioden sind also Halbleiter. Wird eine Spannung angelegt, verändern Elektronen im Kristall ihren Zustand und Licht wird ausgesandt. [Dafür sind quantenphysikalische Prozesse am p-n-Übergang des Halbleiters von entscheidender Bedeutung.]

Wie das Licht von Gasentladungslampen hat auch das Licht der LED eine bestimmte Farbe, die vom verwendeten Kristall abhängig ist.

Für mehrere Jahrzehnte war es nur möglich, rot und grün leuchtende LEDs herzustellen. Erst als Ende der 1980er / Anfang der 1990er ein Halbleiterkristall (Galliumnitrid, GaN) entwickelt wurde, der blaues Licht aussenden kann, kam die entscheidende Trendwende zur Nutzung von LEDs in der Allgemeinbeleuchtung. Für diese Entwicklung wurde 2014 der Nobelpreis für Physik an Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura verliehen.

Heutzutage gibt es Leuchtdioden, die violettes, blaues, grünes, gelbes, orangenes oder rotes Licht aussenden. Andere Dioden können UV-Strahlung oder Infrarotstrahlung abgeben.

Für die normale künstliche Beleuchtung wird jedoch weißes Licht gewünscht. Dieses weiße Licht kann mit Hilfe einer blauen Leuchtdiode erzeugt werden.

Der blau leuchtende Halbleiter wird dazu mit einem phosphoreszierenden chemischen Leuchtstoff beschichtet. Dieser wandelt das blaue Licht mittels Phosphoreszenz in weißes Licht um. Durch die Zusammensetzung des Leuchtstoffes kann das Spektrum verändert und somit die Farbtemperatur der weißen LED beeinflusst werden.

Weißes Licht lässt sich auch aus der Mischung von rotem, grünem und blauem Licht erzeugen. Dies wird in RGB-LEDs ausgenutzt. Dabei steht „R“ für Rot, „G“ für Grün, und „B“ für Blau.

Das Licht einer RGB-LED hat jedoch kein kontinuierliches Spektrum. Daher hat sich dieses Verfahren in der professionellen Allgemeinbeleuchtung nicht durchgesetzt. Es wird allerdings für großflächige LED-Bildschirme/-Videowände angewandt, wo das RGB-Verfahren – erzeugt auf verschiedene Arten (z. B. Kathodenstrahlröhre, LCD, LED, OLED) – bereits seit den ersten Farbfernsehern zum Einsatz kommt.

Durch Kombination von RGB-LEDs mit einer weißen Leuchtstoff-LED können RGBW-Lichtquellen erzeugt werden, die durch die drei Kanäle (rot, grün und blau) eine Veränderung des kontinuierlichen Spektrums der weißen LED und damit der Farbtemperatur ermöglichen. RGBW-Strahler werden beispielsweise für die Theater- und Studiobeleuchtung (Film und Fernsehen) eingesetzt.