p-n-Übergang

Die Leuchtdioden, die als LEDs bezeichnet werden, sind anorganische Halbleiter. Das heißt, diese Leuchtdioden bestehen aus chemischen Verbindungen, die keinen Kohlenstoff enthalten. Im Gegensatz dazu gibt es auch organische Leuchtdioden, die OLEDs. Diese wiederum werden aus Kohlenstoffverbindungen hergestellt.

LEDs sind Festkörperkristalle, die aus Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems gebildet werden. Hauptgruppen enthalten chemische Elemente, die aufgrund der Anordnung und Anzahl ihrer Elektronen vergleichbare Stoffeigenschaften haben. Ihre Nummerierung gibt an, wie viele Elektronen im Schalenmodell auf der äußersten Schale eines Atoms liegen und damit zur Bindung mit anderen Atomen genutzt werden können. Während die Atome der dritten Hauptgruppe drei Elektronen haben, die Bindungen eingehen können, sind es bei der fünften Hauptgruppe dementsprechend fünf Elektronen. Diese speziellen Elektronen heißen Valenzelektronen.

Vereinfacht kann man sich ein Atom der dritten Hauptgruppe als Ball mit drei magnetischen Saugnäpfen vorstellen, ein Atom der fünften Hauptgruppe als Ball mit fünf Saugnäpfen. Die Saufnäpfe modellieren dabei die Elektronen, die eine Bindung mit anderen Atomen eingehen können.

Werden viele Bälle mit drei Saugnäpfen zusammengekippt, verbinden sich die Saugnäpfe miteinander und man erhält ein Gitter. Das Gleiche gilt für die Bälle mit fünf Saugnäpfen. Auch aus einer Mischung von Bällen mit drei und fünf Saugnäpfen entsteht ein Gitter.

Die dritte Hauptgruppe enthält beispielsweise die Elemente Bor, Aluminium, Indium und Gallium. In der fünften Hauptgruppe gibt es unter anderem die Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen und Antimon.

Allerdings sind die reinen III-V-Halbleiter bei Raumtemperatur kaum leitfähig. Daher werden sie für die Nutzung mit Elementen der vierten Hauptgruppe (z. B. Silizium oder Germanium) verunreinigt, um ihre Leitfähigkeit zu steigern. Dieser Vorgang der Verunreinigung wird Dotierung genannt. Es gibt auch Dotierungen mit Elementen der zweiten oder sechsten Hauptgruppe.

Es gibt zwei Arten der Dotierung. Entweder wird im Kristallgitter ein Element der dritten Hauptgruppe durch ein Dotieratom ersetzt. Das führt dazu, dass ein Elektron im Kristallgitter nicht gebunden ist. Es ist frei und kann als sogenannter Donator für die Elektronenleitung genutzt werden. Diese Art der Dotierung wird n-Dotierung genannt.

Im Gitter mit den Bällen mit drei und fünf Saugnäpfen wird also ein Ball mit vier Saugnäpfen statt eines Balls mit drei Saugnäpfen eingebaut. Ein Saugnapf des Balls mit vier Saugnäpfen ist daher jetzt frei, also zu viel. Ein Elektron ist somit im Gitter nicht gebunden.

Oder es wird ein Element der fünften Hauptgruppe durch ein Dotieratom ersetzt. In diesem Fall fehlt ein Elektron und es entsteht quasi eine positiv geladene Bindung, ein sogenanntes Loch oder auch Akzeptor. Bei dieser p-Dotierung kommt es zur Lochleitung.

Im Gitter mit den Bällen mit drei und fünf Saugnäpfen wird also ein Ball mit vier Saugnäpfen statt eines Balls mit fünf Saugnäpfen eingebaut. Hier ist jedoch ein Saugnapf zu wenig, um alle Verbindungen aufzubauen. Ein Elektron fehlt somit, es gibt ein Loch.

Wenn ein p-dotierter und ein n-dotierter Kristall direkt aneinander liegen, entsteht ein p-n-Übergang. Elektronen aus dem n-dotierten Bereich und Löcher aus dem p-dotieren Bereich ziehen sich gegenseitig an.

Direkt dort, wo beide Dotierungen direkt aneinander stoßen, füllen die freien Elektronen die Löcher auf. Dabei bewegen sich Elektronen und Löcher durch das Gitter. Die freien Saugnäpfe wandern quasi so lange von Ball zu Ball, bis sie einen anderen freien Saugnapf finden. Dieser Prozess heißt Diffusion.

Irgendwann gibt es im Bereich zwischen den beiden Dotierungen keine freien Elektronen und Löcher mehr. Er ist somit ladungsneutral. Die Anziehung der Elektronen und Löcher außerhalb dieses Bereiches ist aber zu gering, um noch weitere Verbindungen zu erzeugen. Ein stabiler Zustand ist entstanden. Dieser ladungsneutrale Bereich zwischen den beiden Dotierungen ist die sogenannte Raumladungszone (RLZ) aus.

Ohne eine Einwirkung von außen, bleibt die Raumladungszone also bestehen und es kann kein weiterer Ladungsaustausch zwischen p- und n-Bereich stattfinden. Erst durch eine angelegte elektrische Spannung in der richtigen Richtung verkleinert sich die Raumladungszone. Diese Richtung wird Vorwärtsrichtung genannt.

Bei der Vorwärtsrichtung liegt der Pluspol am p-Bereich, der Minuspol am n-Bereich an. Dem n-Bereich werden dadurch weitere Elektronen zugeführt. Dem p-Bereich hingegen Elektronen werden entzogen und es entstehen neue Löcher. Es bilden sich also viele weitere Elektronen (n-Bereich) und Löcher (p-Bereich).

Die Raumladungszone wird kleiner und Elektronen und Löcher können wieder zusammentreffen. Dieses Zusammentreffen heißt Rekombination. Bei der Rekombination wird Energie frei. Diese Energie ist Strahlungsenergie im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die LED leuchtet.

Da alle Elektronen-Loch-Paare in einem Material die gleiche potentielle Energie besitzen, ist das ausgesendete Licht quasi-monochromatisch. Es wird also nur Licht eines sehr schmalen Wellenlängenbereichs erzeugt.

Neben den Halbleiterkristallen aus je einem Element der dritten und einem der fünften Hauptgruppe gibt es auch Kristalle, die aus verschiedenen Elementen der beiden Gruppen gebildet worden sind, sogenannte Mischkristalle. Dadurch entsteht eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten, die dazu führen, dass die Kristalle, abhängig von ihrer Zusammensetzung, monochromatisches Licht unterschiedlicher Wellenlängen aussenden können. Die Zusammensetzung der Kristalle entscheidet also, in welcher Farbe eine Leuchtdiode leuchtet.

Heutzutage kann nahezu das gesamte sichtbare Spektrum abgedeckt werden. Darüber hinaus gibt es auch ultraviolett (UV) oder infrarot (IR) emittierende Dioden.

Beispiele für verwendete Halbleitermaterialien sind Indiumgalliumnitrid (UV, violett, blau, grün) und Galliumarsenidphosphid (rot, orange, gelb).