Das Wunderding Leuchtdiode

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1 Das Wunderding Leuchtdiode Grundlagen der Lichterzeugung Dipl.-Ing.Dr.techn. Rudolf Hornischer Tel.: Inhalt Was ist Licht Lichterzeugung mit LED Gestalten mit Licht ein unphysikalischer Abschluss 2 1

2 Licht und Mensch Prometheus Leben Farbe Religion Physik: Quantenmechanik Erkenntnis Wahrnehmung Physiologie Lichtmesstechnik Lichterzeugung 3 Licht und Spektrum Licht ist der vom Menschen sichtbare Ausschnitt des Spektrums Elektromagnetischer Strahlung (380nm < λ < 780nm). Damit ist Licht eine Form von Energie. 4 2

3 Was ist Lichttechnik Lichttechnik ist eine Verbindung von Physik, Elektrotechnik und Physiologie Physik beschreibt die objektive Seite von Licht als Strahlung Elektrotechnik beschäftigt sich mit der technischen Lichterzeugung Physiologie beschreibt die subjektive Wahrnehmung von Licht und beschäftigt sich mit Photometrie Photometrie ist die Messung entsprechend menschlicher Wahrnehmung 5 Das Dreieck der Lichttechnik 6 3

4 Was ist zur Lichterzeugung erforderlich Zur Lichterzeugung ist es erforderlich, Energie in einem dafür bestimmten Raum und ein bestimmtes Medium so zu konzentrieren, dass dessen innere Energie größer ist als die, die ihm im energetischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung zukommt Der Energieüberschuss wird nach einer mehr oder weniger langen Speicherzeit wieder abgegeben über Wärmeleitung, Konvektion oder als Strahlung 7 Technische Lichterzeugung 8 4

5 LED wie fing alles an? 1907 berichtet H.J.Round in Electrical World Vol.49 über a curious phenomen bei Siliciumcarbid 1951:durch die Entwicklung des Transistors kann mit der Halbleiterphysik die Lichtemission Erklärt werden 1962: Nick Holonyak entwickelt bei General Electrics die erste Leuchtdiode 9 Was ist Licht Lichterzeugung mit LED Glühlampe Elektronen erwärmen eine Wendel, Photonen werden abgestrahlt LED Stromdurchflossener Festkörper mit positiven und negativen Ladungsträgern Bei Rekombination der positiven und negativen Ladungen entstehen sichtbares Licht und Wärme (Gitter) 20% Licht 80% Wärme 10 5

6 Lichterzeugung ein klein wenig Physik In Atomen und Molekülen sind die Elektronen auf unterschiedlichen Bahnen verteilt. Beim Wechsel zwischen den Bahnen absorbiert (Anregung) oder emittiert (Relaxation) das Elektron die Energiedifferenz in Form eines Energiepakets. Die Anregung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen (elektr. Strom, Licht, usw.) Ein angeregtes Elektron relaxiert in sehr kurzer Zeit (Lebensdauer ca. 10nsec) und emittiert ein Photon 11 Kombinieren von Atomen - Bändermodell In Atomen und Molekülen sind die Elektronen auf unterschiedlichen Bahnen verteilt. Bei Kombination von Atomen im Festkörper spalten sich die einzelnen Energieniveaus in ein Band auf Es entsteht ein quasi-kontinuum von Energieniveaus - Band 12 6

7 Leiter und Isolator Bändermodell Für elektrisches Verhalten ist die Besetzung mit Elektronen entscheidend Strom = bewegte Elektronen Zusätzliche kinetische Energie muss möglich sein 13 Halbleiter Bändermodell Zugabe von Fremdatomen Mit weniger Elektronen (Akzeptoren) p Halbleiter (fehlende Elektronen = Löcher verhalten sich wie positive Ladungsträger Mit mehr Elektronen (Donatoren) n - Halbleiter 14 7

8 Diode: pn Übergang in Ruhe Kombination von p- und n- Halbleiter mit geeigneter Bandstruktur An den Kontaktstellen von p- und n- Halbleiter durch Diffusion kurzzeitiger Ladungsaustausch Aufbau einer Potentialdifferenz stoppt weiteren Ladungsträgeraustausch 15 Diode: pn Übergang unter Spannung Bei Anlegen einer Spannung geeigneter Polarität strömen Ladungsträger durch die Grenzfläche (Junction) Elektronen im Leitungsband stehen Löchern im Valenzband gegenüber Rekombination Energie wird frei Äußere Stromquelle liefert ständig Ladungsträger nach Bei geeigneter Bandlücke Energie kann als Strahlung frei werden 16 8

9 Licht Emittierende Diode Hoher elektrischer Widerstand im Halbleiter ist ungünstig nur dünne Halbleiterschichten Risiko: Ladungsträger rekombinieren direkt an den Elektroden Positive und Negative Ladungsträger gegenüberliegend konzentrieren Mehrschichtaufbau für LEDs ( Heterojunction ) 17 LED strahlende und nichtstrahlende Rekombination (Photonen und Phononen) Strahlende Rekombination: Photon passend zur Bandlücke wird emittiert Nichtstrahlende Rekombination: Energie des Elektrons wird in Vibrationsenergie, dh. Wärme umgewandelt (Phonon) Leistungsaufteilung: 20% Licht 80% Wärme 18 9

10 Emission und Farbe Dotierung verändert die Farbe Kristalldefekte und Temperaturbewegung führt zu Degradation 19 Material und Farbe Wegen der gut definierten Energieabstände zwischen Valenz- und Leitungsband erfolgt die Emission nahezu monochrom λ 30nm Aluminium Indium Gallium Phosphit: Rot bis Gelb Indium Gallium Nitrat: Grün bis Blau sowie nahes UV Weiß mit Phosphor 20 10

11 Weißes Licht mit LED Mischung des Lichts von roten, grünen und blauen LEDs (RGB-Prinzip) bzw. zusätzlich bernsteinfarben (amber) (RGBA) Umwandlung des Lichts von blauen LEDs durch Leuchtstoffe Umwandlung des Lichts von UV LEDs durch Leuchtstoffe 21 Weißes Licht basierend auf Multi - LED dynamische Farbanpassung großer Farbumfang Rückkopplung erforderlich komplex und teuer 22 11

12 Weißes Licht: Multi - LED 23 Weißes Licht: Multi LED Temperaturabhängigkeit 24 12

13 Weißes Licht basierend auf Wellenlängenumwandlung (Phosphor) Blaue LED mit Phosphor: Gute Farbwiedergabe Einfach Preiswert Temperaturempfindlich Energieverlust durch Umwandlung UV LED mit Phosphor: Hervorragende Farbwiedergabe Fester Farbpunkt Effiziente UV-LED erforderlich Energieverlust durch Umwandlung 25 Weißes Licht basierend auf Wellenlängenumwandlung (Phosphor) 26 13

14 Weiße LED Phosphorverteilung 27 Spektrum Weiße LED partielle Umwandlung mittels Phosphor 28 14

15 Spektrum Weiße LED partielle Umwandlung mittels Phosphor 29 LED klassische Bauform Einflussfaktoren auf Effizienz Brechungsindex Geometrie des Chips Aufbau des Chips Wärmeabtransport Chipmaterial 30 15

16 Effizienz einer LED Lichtstrom = Augenempfindlichkeit x interne Effizienz x Auskoppeleffizienz Augenempfindlichkeit: Natur, V(λ) Interne Effizienz: Materialeigenschaft Erzeugte Photonen / Injizierte Elektronen Auskoppeleffizienz: LED Chipdesign Ausgekoppelte Photonen / Injizierte Elektronen 31 Effizienz einer LED: Problem Totalreflexion Lichtaustritt aus dem Halbleiter Grenzwinkel g: sin g =n2/n1 N2 = 1 (Luft) N1 =1,5 (Epoxidharz): g = 42 N1 =2,5 (Blau): g = 24 N1 =3,5 (Rot): g = 17 Licht kann aus LED nur sehr eingeschränkt austreten Austrittskegel Absorption 32 16

17 Effizienz einer LED: Bauformen für mehr Lichtaustritt Vergrößerung des Austrittskegels durch Überbeschichten mit z.b. Epoxy Möglichst viele Austrittskegel ermöglichen Seitlicher Austritt Transparentes Substrat 33 Effizienz einer LED: Bauformen für mehr Lichtaustritt 34 17

18 Effizienz einer LED: Chipaufbau 35 Effizienz einer LED: Chipaufbau Standard - Chip Volumen Emitter Emittierende Flächen: A = 4 x Seitenfläche + Oberfläche Beispiel: Seitenkante Chip a = 1,1mm Höhe Chip h = 0,2mm Strahlende Fläche A = 2mm² Dünnfilm - Chip Reiner Oberflächen Emitter Emittierende Flächen: A = Oberfläche Strahlende Fläche A = 1mm² L Dünnfilm-Chip = 2 x L Volumen-Chip 36 18

19 Elektrische Kennlinie LED Exponentielle Strom Spannungs Kennlinie Geringe Spannungsänderung führt zu großer Stromänderung Arbeitspunkt der LED über den Strom definiert Ansteuerung mit Konstantstromquelle Lebensdauer und Wirkungsgrad der LED sinken mit höherem Strom 37 Temperaturverhalten der LED Lebensdauer und Wirkungsgrad einer LED steigen mit sinkender Chip- Temperatur Wärmeabfuhr vom Chip durch entsprechendes Design und Kühlkörper ist das entscheidende Kriterium für zufriedenstellende Funktion Beispiel von vorher: Fläche Chip: A = 1mm² Leistung LED: P = 1W Umgerechnet auf 1m² muss 1MW abgeführt werden!!! Anmerkung Leistungsverteilung: 20% Licht 80% Wärme 38 19

20 Packaging LED 39 Was will ich mit dem Licht Qualitative Lichtplanung Anregungen aus der Wahrnehmungspsychologie Anregungen aus der Bühnenbeleuchtung Lichtqualität an Stelle der Lichtquantität Licht zum Sehen Licht zum Hinsehen Licht zum Ansehen 40 20

21 Licht zum Sehen Allgemeine Beleuchtung der Umgebung Raum, Menschen und Objekte sichtbar Orientierung möglich Ähnlich quantitativer Lichtplanung Keine Pauschalbeleuchtung Keine vermeintlich optimale Beleuchtungsstärke 41 Licht zum Hinsehen Licht lenkt auf Information Relevante Objekte durch Beleuchtungsniveau hervorheben Notausgang Kunstobjekt Warenpräsentation Unwichtige Objekte entsprechend geringeres Beleuchtungsniveau 42 21

22 Licht zum Ansehen Licht selbst enthält Information Einsatz von Lichtskulpturen Einsatz von Brillanzeffekten auf spiegelnden Oberflächen 43 Literatur Baer, Grundlagen Beleuchtungstechnik, 3. Auflage Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung, 3. Auflage Philips Lighting Application Center, Grundlagen von Licht und Beleuchtung Philips Licht Akademie, Online-Schulung LED & OLED Osram Opto Semiconductor, Datenblätter LED Osram Deutschland, Produktdatenblätter LED Leuchtmittel Instrument Systems, Handbuch der LED-Messtechnik CIE 127:2007, Technical Report, Measurements of LEDs ERCO Ratgeber, Ausgabe Lange, Handbuch für Beleuchtung, Stand Schubert, Light-Emitting Diodes, Second Edition Neumann, LED in der Praxis, Karlsruhe Institute of Technology Wikipedia Die freie Enzyklopädie 44 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 45 23