Was ist eine LED?
LED-Definition
Eine Leuchtdiode (LED) ist ein Halbleiterbauteil, das Licht emittiert, wenn elektrischer Strom durch sie fließt.Ältere LED-Technologien verwendeten Galliumarsenidphosphid (GaAsP), Galliumphosphid (GaP) und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs).LEDs erzeugen sichtbares Licht durch den Effekt der Elektrolumineszenz, der auftritt, wenn Gleichstrom durch einen dotierten Kristall mit einer PN-Schicht fließt.
Dotierung beinhaltet das Hinzufügen von Elementen aus den Gruppen III und V des Periodensystems. Wenn durch einen vorwärts polarisierten Strom (IF) energisiert, emittiert die p-n-Schicht Licht in einer Wellenlänge, die durch die Energiebandlücke der aktiven Region (Eg) bestimmt wird.
Funktion einer Leuchtdiode (LED)
Wenn der vorwärts polarisierte Strom IF durch die p-n-Schicht der Diode fließt, werden Minderheitsladungsträger-Elektronen in die p-Region injiziert und entsprechende Minderheitsladungsträger-Elektronen in die n-Region. Die Photonemission erfolgt durch die Rekombination von Elektronen und Löchern in der p-Region.
Energieübergänge der Elektronen über die Energiebandlücke, auch als strahlende Rekombinationen bekannt, produzieren Photonen (d.h. Licht), während Schaltenergieübergänge, auch als nicht-strahlende Rekombinationen bekannt, Phononen (d.h. Wärme) produzieren. Die lichttechnische Wirkungsgrade typischer AlInGaP-LEDs und InGaN-LEDs für verschiedene Spitzenwellenlängen sind in der folgenden Tabelle dargestellt.
Der Wirkungsgrad von LEDs wird beeinflusst durch das an der Schicht erzeugte Licht und Verluste durch Wiederaufnahme, während das Licht den Kristall verlässt. Aufgrund des hohen Brechungsindexes der meisten Halbleiter reflektiert ein Großteil des Lichts zurück in den Kristall, was seine Intensität verringert, bevor es entkommen kann. Der Wirkungsgrad, ausgedrückt in Bezug auf diese letztendlich messbare sichtbare Energie, wird als externer Wirkungsgrad bezeichnet.
Das Phänomen der Elektrolumineszenz wurde im Jahr 1923 in natürlichen Schichten beobachtet, war aber damals wegen seines geringen lichttechnischen Wirkungsgrades beim Umwandeln von elektrischer Energie in Licht praktisch nicht nutzbar. Heute hat sich der Wirkungsgrad jedoch erheblich verbessert, und LEDs werden nicht nur in Signalen, Indikatoren, Schildern und Anzeigen, sondern auch in Innenbeleuchtungsanwendungen und Straßenbeleuchtungsanwendungen eingesetzt.
Farbe einer LED
Die Farbe eines LED-Geräts wird in Bezug auf die dominante emittierte Wellenlänge, λd (in nm), ausgedrückt. AlInGaP-LEDs erzeugen die Farben Rot (626 bis 630 nm), Rot-Orange (615 bis 621 nm), Orange (605 nm) und Bernstein (590 bis 592 nm). InGaN-LEDs erzeugen die Farben Grün (525 nm), Blaugrün (498 bis 505 nm) und Blau (470 nm). Die Farbe und die Vorwärtsspannung von AlInGaP-LEDs hängen von der Temperatur der LED-pn-Schicht ab.
Wenn die Temperatur der LED-pn-Schicht steigt, nimmt die Lichteinstrahlung ab, die dominante Wellenlänge verschiebt sich in Richtung längerer Wellenlängen und die Vorwärtsspannung sinkt. Die Variation der Lichteinstrahlung von InGaN-LEDs bei Betriebstemperaturen ist gering (ca. 10%) von − 20°C bis 80°C. Allerdings variiert die dominante Wellenlänge von InGaN-LEDs mit dem LED-Strom; wenn der LED-Strom zunimmt, bewegt sich die dominante Wellenlänge in Richtung kürzerer Wellenlängen.
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Dimmen
LEDs können gedimmt werden, um 10% ihrer Nennleistung zu erreichen, indem der Antriebsstrom reduziert wird. LEDs werden normalerweise mittels Pulsweitenmodulation gedimmt.
Zuverlässigkeit
Die maximale Junctionstemperatur (TJMAX) ist entscheidend für die Lebensdauer einer LED. Eine Überschreitung dieser Temperatur beschädigt in der Regel das eingekapselte Bauteil. Die Lebensdauer von LEDs wird durch die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) gemessen, die durch das Testen zahlreicher LEDs bei Standardstrom und -temperatur bis zur Hälfte der Ausfälle berechnet wird.
Weiße LEDs
Weiße LEDs werden derzeit mit zwei Methoden hergestellt: Bei der ersten Methode werden rote, grüne und blaue LED-Chips in derselben Gehäuse kombiniert, um weißes Licht zu erzeugen; bei der zweiten Methode wird Phosphoreszenz verwendet. Die Fluoreszenz im Phosphor, der in dem Epoxid um den LED-Chip eingekapselt ist, wird durch die kurzwellige Energie des InGaN-LED-Bauteils aktiviert.
Lichttechnischer Wirkungsgrad
Der lichttechnische Wirkungsgrad von LEDs wird definiert als der emittierte Lichtstrom (in lm) pro verbrauchter elektrischer Leistung (in W). Blaue LEDs haben einen internen Wirkungsgrad von etwa 75 lm/W; rote LEDs, etwa 155 lm/W; und bernsteinfarbene LEDs, 500 lm/W. Unter Berücksichtigung von Verlusten durch interne Wiederaufnahme liegt der lichttechnische Wirkungsgrad bei etwa 20 bis 25 lm/W für bernsteinfarbene und grüne LEDs. Diese Definition des Wirkungsgrades wird als externer Wirkungsgrad bezeichnet und ist analog zur Definition des Wirkungsgrades, die üblicherweise für andere Lichtquellenarten verwendet wird.
