UV-A Licht Emittierende Diode LED. Inhaltsverzeichnis. Stand der Technik. Anwendung in der Magnetpulver- und Farbeindringprüfung

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1 UV-A Licht Emittierende Diode LED Stand der Technik Anwendung in der Magnetpulver- und Farbeindringprüfung Rainer Link 1, Nathanael Riess 2 1 Consultant, Buchenhoehe 1, Kerpen, Germany 2 Helling GmbH, Spoekerdamm 2, Heidgraben, Germany Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 1 Einführung und Geschichte... 2 Physik der Halbleiter und Dioden... 5 Licht emittierende Diode LED Rekombination ohne Emission von Photonen Optische Aspekte, Licht-Kegel (Light Escape Cone) LED Heterostrukturen Praktisch Aspekte und Betrachtungen Effizienz einer LED Forderung der Normung in der ZfP Vergleich der konventionellen UV-A mit LED-Lampen Literatur Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 1

2 Einführung und Geschichte Licht Emittierende Dioden (LED) sind ein physikalisches Phänomen, das auch als Elektrolumineszenz bekannt ist. Es ist ein charakteristisches Merkmal einiger Halbleitermaterialien und wurde von H. J. Round 1907 an einem SiC Kristall (Carborundum) entdeckt (Abbildung 1) Abbildung 1: Original Veröffentlichung von H. J. Round, Electrical World (1907) Round kontaktierte SiC mit einem Metall. Dabei erzeugte er eine Lichtemission aus dem Kontaktbereich, nachdem er eine Spannung von etwa 10 V angelegt hatte. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 2

3 O. V. Lossev (Philosphical Magazine 6 (1024),1928) berichtete über eingehende Untersuchungen an SiC. Er erklärte die Lumineszenz als Effekt kalter Elektronenentladung. Weiterhin fand er heraus, dass das Licht sehr schnell an- und ausgeschaltet werden konnte, eine Eigenschaft, die allen LEDs gemeinsam ist. Heute werden LEDs aus SiC kommerziell nicht mehr produziert, da diese einen indirekten Bandübergang mit geringer Effizienz für die Lumineszenz zeigen. Erst in den 60er Jahren verstand man den physikalischen Mechanismus von Halbeiter LEDs, was den Beginn einer rasanten Entwicklung ergab. Die erste blaue LED wurde von der Firma NICHIA Corp., Japan, 1994 vorgestellt. (Abbildung 2). Sie bestand aus n-ingan, das mit Zn dotiert war. Bald darauf wurde von dieser Firma auch eine LED im UV Bereich des elektromagnetischen Spektrums vorgestellt. Abbildung 2: Schematische Darstellung der ersten blauen LED durch die Fa. NICHIA Corp. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 3

4 LEDs bestehen aus so genannten III-V Halbleitern des periodischen Systems (Abbildung 3). Abbildung 3: Periodisches System mit den Elementen III-V Mit dem Fortschritt in der Herstellung von Halbleiterverbindungen mit AlGaN und InGaN konnte man bald nahezu jede Wellenlänge zwischen 200 und 1800 nm erzeugen. Abbildung 4: Energie der Bandlücke (band gap) und Wellenlänge der emittierten Photonen als Funktion der Gitterkonstante (lattice constant) in Angströhm (A) von III-V Nitrid Halbleitern bei Raumtemperatur [1] Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 4

5 Physik der Halbleiter und Dioden Die periodischen Strukturen in einem Kristallgitter erzeugen Energiebänder, die mit unterschiedlichen Besetzungszahlen in den verfügbaren Energiezuständen mit Elektronen gefüllt werden. Innerhalb dieser Bänder können die Elektronen als freies Elektronengas betrachtet werden. Der energetische Abstand (Band Gap) zwischen Leitungs (conduction)- und Valenzband (valence band) hängt von dem Gitterabstand des Kristalls ab. Je kleiner der Gitterabstand ist, umso größer die energetische Differenz (Abbildung 4). Die Energielücke der Bänder für Leiter, Halbleiter und Isolatoren ist in Abbildung 5 schematisch gezeichnet. Isolatoren und Halbleiter unterscheiden sich durch den erheblich größeren Energieabstand in Isolatoren. Die Valenzbänder sind vollständig mit Elektronen gefüllt, die sich auf Grund des Pauli schen Ausschließungsprinzips nicht mehr frei bewegen können. Die Bandlücke ist ein energetisch verbotener Energiebereich. Ein Elektron muss die Energielücke überspringen, um sich im Leitungsband frei bewegen zu können. Abbildung 5: Bandstrukturen von Isolatoren, Halbleitern und Leitern; E F : Fermi Energie, E g: Energielücke Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 5

6 Die Fermi Energie (oder das Fermi Energieniveau) E F ist der Energiezustand bei der Temperatur T=O K bis zu dem alle Energieniveaus vollständig besetzt, und alle höheren Energiezustände vollständig leer sind. Im elektrischen Gleichgewicht liegt die Fermi Energie abgesehen von einer kleinen temperaturabhängigen Korrektur in der Mitte der Bandlücke. Die Fermi Verteilungsfunktion (oder richtiger die Fermi-Dirac- Funktion) wird durch die folgende Gleichung beschrieben. Sie ist in Abbildung 6 dargestellt. Sie ist symmetrisch zum Punkt (E F,0,5). f ( E) 1/(1 exp(( E E )/ k T) (1) F B Abbildung 5: Fermi-Dirac Verteilungsfunktion [3] Die Bandstruktur realistischer Halbleiterverbindungen ist wesentlich komplizierter, wie in Abbildung 7 für GaAs dargestellt. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 6

7 Abbildung 7: Bandstruktur von Gallium Arsenid GaAs. Г repräsentiert den Punkt mit dem Wellenvektor k=0 [2] Der Übergang von Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband (oder umgekehrt) kann durch einen so genannten direkten Übergang beim gleichen Wellenvektor k oder durch einen indirekten Übergang mit unterschiedlichen k-werten erfolgen. (Abbildung 8). Während des Übergangs müssen sowohl die Energie als auch der Impuls erhalten bleiben. Das Photon hat einen Impuls von ħ*k mit einem Betrag des k-vektors von 10^7/m, während das Elektron einen k-wert von 0-10^10/m besitzt. Deshalb sind direkte strahlende Übergänge nur möglich, wenn der Impuls des Elektrons nahe bei null liegt. Bei indirekten Bandübergängen muss ein Phonon (unterschiedliche Gitterschwingungsenergie) beteiligt sein. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 7

8 Liegen das Minimum des Leitungsbandes und das Maximum des Valenzbandes unmittelbar übereinander (beim geleichen k- Wert), so ist kein Phonon involviert und ein direkter Übergang kann mit sehr viel höherer Wahrscheinlichkeit erfolgen. In der Praxis sind heute alle LEDs direkte Halbleiter. Um den Wert k=0 werden die Dispersionsgleichungen der Energie für das Leitungsband E C und das Valenzband E V durch eine parabolische Abhängigkeit beschrieben. Dabei ist m e die effektive Masse des Elektrons und m h die effektive Masse der Löcher (fehlende Elektronen im Valenzband, h wie hole). E E E E C V 2 2 k k 2 2 / 2m / 2m e h (2) Abbildung 8: Direkte und indirekte Halbleiter (semiconductor) Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 8

9 Um Verbindungen herzustellen, die ausreichende Lumineszenz- Effekte bei lichtemittierenden Dioden hervorrufen können, müssen p- und n-dotierte Halbleiter miteinander kontaktiert werden. Abbildung 9: n- und p-dotierte Halbleiter Für einen n-halbleiter müssen so genannte Donatoren in das Kristallgitter implantiert werden. Das Energieniveau dieser Donatoren ist sehr nahe beim Leitungsband. Deshalb können die bei der Kristallbindung überschüssig gewordenen Elektronen der Donatoren durch thermische Anregung in das Leitungsband überführt werden (Abbildung 9). Die Fermi Energie im n-dotierten Halbleiter liegt in der Mitte zwischen dem Donatoren Energieniveau und dem Leitungsband. In Abbildung 10 ist die Kristallstruktur in einem n-halbleiter dargestellt. Das Kristallgitter z. B. Si oder Ge stellt vier Elektronen für die kovalente Bindung zur Verfügung. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 9

10 Ersetzt ein As Atom mit fünf Bindungselektronen ein Si Atom, so wird ein Elektron frei, das durch thermische Anregung in das Leitungsband gelangt. Obwohl die Dotierung relativ klein ist (10^-8 bis 10^-4) kann sie einen sehr großen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften haben. Abbildung10: As als Donator in einem Si-Kristallgitter [3] Bei p-dotierten Halbleitern werden Akzeptoren in das Gitter implantiert. Dabei ersetzt ein dreiwertiges Atom ein vierwertiges im Kristallgitter. Für eine vollständige kovalente Bindung nimmt es durch thermische Anregung ein Elektron aus dem Valenzband. Die Fermi Energie liegt dabei in der Mitte zwischen Valenzband und Energieniveau des Akzeptors. Ein Elektron kann nun leicht von einem Akzeptor Atom aufgenommen werden. Dabei hinterlässt es ein positives Loch im Valenzband, das sich nun frei als quasi positive Ladung in diesem bewegt. Die typische Energielücke zwischen Akzeptor Niveau und Valenzband bzw. zwischen Donator und Leitungsband beträgt ca mev. Kontaktiert man n- und p-halbleiter, so entsteht ein so genannter p-n-übergang, der die physikalische Basis aller Dioden bildet, insbesondere auch für die Elektrolumineszenz Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 10

11 der LED. Innerhalb des Kontaktbereiches entsteht ein steiler Gradient der Konzentration von Elektronen, die in den p- Halbleiter, und von positiven Löchern, die in den n-halbleiter diffundieren. Die in den p-halbleiter wandernden Elektronen werden von den Akzeptoren eingefangen oder rekombinieren mit den Löchern während die Löcher in den n-halbleiter wandern und von den Donatoren eingefangen werden oder mit den Elektronen rekombinieren. Auf diese Weise entsteht um den Kontakt ein Bereich ohne freie Ladungsträger sowie eine negative Ladungsdichte auf der Seite der p-halbleiter und eine positive im n-halbleiter (Abbildung 11). Abbildung 11: Ladungsdichte im Bereich des p-n-übergangs Die Diffusion besteht bis sich das entwickelnde elektrische Feld mit der Diffusion im Gleichgewicht befindet. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 11

12 Im Bereich des p-n-übergangs werden die Leitungsbänder gegeneinander versetzt (Abbildung 12). Abbildung 12: Versetzte Energiebänder im Bereich des p-n- Kontaktes; E C und E V sind die Energieniveaus des Leitungs- und Valenzbandes; E F ist die Fermi Energie; ev D ist die Versetzungsenergie der Bänder durch das ausbalancierende elektrische Feld [1,3] Die Dicke des p-n-übergangs am Kontakt (Junction) hängt von der Diffusionsspannung im Gleichgewicht V D und den Konzentrationen n D der Donatoren und n A der Akzeptoren ab, siehe Gleichung 3 (ε: dielektrischer Koeffizient). W 2 0 VD (1/ nd 1/ na) e (3) D / V D ist eine Funktion der Donatoren- und Akzeptoren Dichte und ist durch die folgende Gleichung 4 gegeben. e V k T ln( n n /( n n )) (4) D B A D Für einen p-n-übergang in Si mit ungefähr n A =10^15/cm 3 und n D =5*10^16/cm 3 (ε=12) beträgt A D Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 12

13 die Diffusion Spannung V D =0.68 V. Die Breite des Übergang ergibt sich zu W D =0.96 μm. Legt man an den p-n-halbleiter eine äußere Spannung V (+ in Vorwärtsrichtung, forward bias), so wird die Kontaktspannung V D am Übergang reduziert. Damit wird der Potentialsprung niedriger und der Übergang von Ladungsträgern (Elektronen und Löcher) und somit die Rekombination eines Elektrons mit einem Loch erleichtert (Abbildung 13). Abbildung 13: p-n-übergang bei positiver äußere Spannung [1,3] Das bedeutet, dass in Gleichung 3 V D durch (V D -V) ersetzt werden muss. Damit wird die Breite des p-n- Übergangs mit äußerer positiver Spannung geringer. Der Strom im p-n-halbleiter wächst mit steigender Spannung (j ic : Sperrstrom (inverse current), Equ. 5). j j (exp( e V / k T) 1) ic B (5) Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 13

14 Ein p-n-übergang stellt somit eine Diode dar (Abbildung 14). Abbildung 14: Stromdichte j gegen angelegte äußere Spannung bei einem p-n-halbleiter Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 14

15 Licht emittierende Diode LED LEDs (Light Emitting Diodes) sind die einfachsten Halbleiterverbindungen. Wie zuvor beschrieben können Elektronen im Bereich des p-n-übergangs mit den positiven Löchern über einen direkten Übergang vom Leitungsband zum Valenzband rekombinieren. Dabei wird die gewonnene Energie der Rekombination auf ein Photon mit der Energie der Bandlücke übertragen. Durch Veränderung der Zusammensetzung der Halbleiterverbindung kann die Bandlücke und somit die Wellenlänge des emittierten Photons gemäß Abbildung 4 von Infrarot bis zum UV Bereich verändert werden. Geeignete p-n-halbleiter für UV LEDs sind AlGaInN Verbindungen. Die Intensität I em des emittierten Energiespektrums bei direkten Halbleitern kann gemäß folgender Gleichung berechnet werden. I em const. h Eg exp( ( h Eg )/ kbt ) (6) Abbildung 15 stellt diese Beziehung graphisch dar. Die Temperaturabhängigkeit der Energielücke E g kann durch die experimentell abgeleitete so genannte Varshni Gleichung wiedergegeben werden. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 15

16 E g E g ( T 0K) T 2 /( T ) GaN : E g ( T 0K) 3.47eV a 10 4 ev / K (7) 600K Beispiel: Bei GaN wächst die der Bandlücke entsprechende Wellenlänge um 4.8 nm bei einer Temperaturerhöhung von 300 K auf 400 K. Abbildung 15: Emissions-Spektrum von direkten Halbleitern, λ=275 nm (arbitrary units, willkürliche Einheiten) Wie man sieht wird das Maximum der Wellenlänge mit steigender Temperatur des Kontaktbereiches leicht verschoben. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 16

17 Die Bandlückenverschiebung hat allerdings keine praktischen Auswirkungen für Anwendungen der LEDs als UV-A Leuchten in der Magnetpulver- und fluoreszierenden Eindringprüfung. Die Intensität des theoretischen Emissionsspektrums wird bei einer Temperaturerhöhung von 300 auf 400 K um nahezu 10% reduziert. Dies ist bei Anwendungen der Magnetpulver- und Eindringprüfung allerdings zu berücksichtigen. Abgesehen von der zuvor beschriebenen Temperaturabhängigkeit der Strahlungsrekombination gibt es weitere Effekte, die die Emission von Photonen d. h. die Lumineszenz und Effektivität von LEDs beeinflussen. Dies sind Rekombinationen ohne Emission von Photonen und optische Effekte der Lichtemission vom Halbleiter in den freien Raum. Rekombination ohne Emission von Photonen Störstellen im Kristallgitter eines Halbleiters können zu Rekombinationen ohne Emission von Photonen oder Rekombinationen mit niedrigerer Energie als der Bandlücke entspricht führen. Die Energieniveaus von Störstellen können zwischen dem Leitungs- und Valenzband liegen (Abbildung 16) Diese tief liegenden Energiezustände (deep level impurities) werden auch als Lumineszenz-Killer bezeichnet. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 17

18 Abbildung 16: Deep Level Rekombination Eine andere Rekombination ohne Photon Emission mit der Wellenlänge des Energieabstandes zwischen Valenz- und Leitungsband kann auch an der Oberfläche des Halbleiters entstehen. Starke Störungen der Gitterperiodizität und infolge dessen der Bandstruktur verändern die energetischen Abstände zwischen Leitungs- und Valenzband. Es entstehen Elektronzustände im verbotenen Bereich der Bandlücke, die zu nicht strahlenden Übergängen oder nieder-energetischen Übergängen im Infrarot Bereich führen. Eine weitere nicht strahlende Rekombination ist der Auger Effekt. Die Rekombinationsenergie eines Elektrons mit einem Loch wird auf ein anderes Elektron im Leitungsband übertragen, das daraufhin in ein höheres Energieniveau angehoben wird. Elektronen können auch über die energetische Lücke der Diffusionsspannung ohne Rekombination springen. Dieses Problem kann durch die Ausbildung einer Heterostruktur der LED behoben werden. (siehe entsprechendes Kapitel). Ein weiterer Effekt, der die Emission von Photonen aus der LED behindert, ist die interne Absorption der emittierten Photonen Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 18

19 noch innerhalb des Halbleiters. Auch dieser Effekt kann durch eine Heterostruktur minimiert werden. Die Temperaturabhängigkeit der Intensität der Lumineszenz wird durch die folgende phänomenologische Relation beschrieben. I I300 K exp( ( T 300/ T1 )) (8) Dabei ist T die Umgebungstemperatur und T 1 die charakteristische Temperatur der Halbleiterverbindung. In Abbildung 17 sind einige Beispiele dargestellt. Man erkennt, dass die Intensität der Lumineszenz der blauen GaInN/GaN LED relativ unempfindlich gegen Temperaturänderungen ist. Abbildung 17: Temperaturabhängigkeit der Intensität der Lumineszenz einiger LED Halbleiterverbindungen als Funktion der Umgebungstemperatur [1] Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 19

20 Optische Aspekte, Licht-Kegel (Light Escape Cone) Die Effektivität einer LED hängt stark von ihrer Fähigkeit ab, das erzeugte Elektrolumineszenz Licht in den freien Raum zu übertragen, das so genannte Light Escape Problem. Dieses Problem ist im Wesentlichen auf den hohen Brechungsindex der Halbleiter n s >2,5 zurückzuführen. Die Totalreflexion wird durch das Gesetz von Snellius beschrieben, das den kritischen Winkel der Totalreflexion ф c und damit den Lichtkegel der Emission bestimmt. n s c c sin n air c / n s n arcsin n air air sin 90 / n s (9) Abbildung 18: a) Winkel der Totalreflexion b) Flächenelement c) Fläche der Halbkugel Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 20

21 Unter Berücksichtigung der in Abbildung 18 angegebenen Relationen kann man die optische Leistung P opt, die emittiert wird im Verhältnis zur Leistung P int, die intern erzeugt wird, berechnen. Die Effektivität der Lichtausbeute η etr einer LED kann für die angegebenen Geometrien aus Abbildung 19 abgelesen werden. Abbildung 19: Lichtkegel für einige Geometrien der LED [1] Zum Beispiel erhält man für eine planare LED eine optische Effektivität von nur 50% bei einem Emissionswinkel von 60. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 21

22 Diese Situation kann man erheblich verbessern, wenn man die LED mit einer Epoxid Halbschale einhüllt wie in Abbildung 20 dargestellt. Abbildung 20: Verbesserung der optischen Effektivität einer LED durch Umhüllung mit einer Epoxid Halbschale [1] Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 22

23 LED Heterostrukturen Es ist naheliegend davon auszugehen, dass die Rekombinationsrate stark von der Konzentration der Ladungsträger abhängen wird. Mit den Heterostukturen der Halbleiter können sehr hohe Konzentrationen erreicht werden (Abbildung 21). Heute werden in allen LEDs diese Strukturen benutzt. Abbildung 21: Doppel Heterostruktur Die untere und obere Begrenzungsschicht (bottom, top confinement layer) haben eine größere Bandlücke als die aktive Schicht (active layer). In Abbildung 22 sind eine Homo- und Doppel-Heterostruktur bei Vorwärtspolung der äußeren Spannung dargestellt. Bei Homostrukturen werden die Ladungsträger Elektronen und Löcher entlang der vollständigen Diffusions-Länge verteilt. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 23

24 Bei Doppel-Heterostrukturen sind die Ladungsträger zwischen den beiden Begrenzungsschichten eingeschlossen, die eine wesentlich höhere Bandlücke besitzen als der aktive Bereich. Erstere müssen so hoch sein, das die Elektronen im Temperaturbereich der aktiven Region nicht über die hohe Barriere der Begrenzungsschichten springen können. Die Breite der aktiven Schicht bei einer Heterostruktur ist erheblich geringer, was schließlich zu der gewünschten hohen Dichte der Ladungsträger führt. Hinzu kommt, dass die in der aktiven Schicht erzeugten Photonen ohne Abschwächung durch die Begrenzungsschichten entkommen können, was zu einer höheren Effizienz der Lumineszenz führt. Abbildung 22: Homo- und Doppel-Heterostrukturen bei Vorwärtspolung. L n, L p sind die Diffusionslängen von Elektronen und Löchern. : Rekombinationsraten [1]. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 24

25 Die gemessene Dicke der aktiven Schicht bei einer AlGaInP Doppel-Heterostructure ist in Abbildung 23 dargestellt. Abbildung 23: Effektivität der Lumineszenz (luminous efficiency) als Funktion der Dicke der aktiven Schicht (active layer) bei einer AlGaInP Doppel-Heterostruktur mit den angegebenen Ladungsträgerdichten (carrier concentration) [1] Eine weitere Möglichkeit, die Strahlungsrekombination einer LED zu verbessern besteht darin, die Dotierung an Donatoren und Akzeptoren zu erhöhen. Das wird jedoch eingeschränkt durch den Effekt, dass dann der p-n-übergang bis zum oberen Ende der aktiven Schicht der Heterostruktur heranreicht. Dadurch können die Elektronen ohne Rekombination in der aktiven Schicht entweichen, was zu einer Reduzierung der Effektivität einer LED führt, wie in Abbildung 24 dargestellt. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 25

26 Abbildung 24: Effekt der Dotierungskonzentration bei AlGaInP LED auf die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht [1] Abbildung 24 zeigt, dass man eine hohe Quantenausbeute erhält, wenn die Konzentration der Donatoren im n-halbleiter kleiner als 0,5*10^-17/cm 3 und der Akzeptoren kleiner als 1.0*10^-17/cm 3 bei p-halbleitern in der aktiven Schicht ist. Höhere Stromdichten führen zu höheren Ladungsträgerdichten. Dabei wird allerdings wieder die aktive Schicht bis zum Rand mit Ladungsträgern geflutet, was sodann zu keiner weiteren Erhöhung der Rekombinationsrate führt. Eine weitere Verbesserung könnte durch Einsatz von Quanten- Potentialtöpfen (quantum wells) erreicht werden. Schematisch ist dies in Abbildung 25 dargestellt. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 26

27 Abbildung 25: Quanten-Potentialtöpfe als aktive Schichten Die aktive Schicht der Strukturen mit Potentialtopf muss erheblich dünner sein als bei normalen Heterostrukturen, um den quantenmechanischen Effekt der Bildung von diskreten Energieniveaus zu erreichen. In der zur Zeichenebene der Abbildung 25 senkrechten Richtung umfassen die aktiven Bereiche die ganze Fläche des Halbleiters, so dass in dieser Richtung Bandstrukturen ausgebildet werden können. Hohe effektive Lumineszenz in LED erfordert entweder sehr breite aktive Schichten bei normalen Heterostrukturen oder multiple Quanten-Potentialtopf Schichten. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 27

28 Praktisch Aspekte und Betrachtungen Eine typische Hochleistungs-LED für den Wellenlängenbereich des elektromagnetischen UV-A Bereichs ist schematisch in Abbildung 26 zu sehen. Abbildung 26: Schematische Darstellung einer Hochleistungs- LED [1] Aus zuvor diskutierten Gründen sind die wichtigsten Bestandteile neben dem Halbleiter Chip (GaInN flip chip), die Silikon Umhüllung (Silicon encapsulant) und die Linse aus Plastik (plastic lens) für optimale optische Effektivität. Der Silizium Halbleiterschaltkreis (Si Sub-mount chip) enthält eine ESD Absicherung der LED gegen Überspannung (Electrostatic Discharge Protection Diodes). Der Kathodenanschluss (cathode lead) und der Golddraht (gold wire) sind die Verbindung für die Vorwärtsspannung des p-n- Übergangs. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 28

29 Das Löten der LED erfordert besondere Vorsicht. Der Hersteller der LED gibt entsprechende maximale Löttemperaturen und Dauer an. Typische Werte sind maximal C und 120 s lang oder 260 C und 10 s. Es gibt eine Reihe temperaturabhängiger Effekte, die die Eigenschaften einer LED beeinflussen. Zur Übersicht sind die Gleichungen hier noch einmal aufgeführt: f ( E) 1/(1 exp(( E E )/ k T) (1) F e V k T ln( n n /( n n )) (4) D B A D A B D j j (exp( e V / k T) 1) ic B (5) I em const. h E exp( ( h E )/ k T) (6) g g B E E ( T 2 0K) T /( T ) g g (7) I I300 K exp( ( T 300/ T1 )) (8) Es ist offensichtlich, dass das Management der Temperatur sehr wichtig in Bezug auf den zuverlässigen Betrieb und die beabsichtigte Lebensdauer der LED in der Größenordnung von Betriebsstunden ist. Deshalb ist die Wärmesenke der LED (heat sink) und die Verbindung zu den tragenden Bauteilen essentiell. Der Wärmeübergang zur Umgebung muss sehr effektiv gestaltet werden, um eine Überhitzung zu vermeiden. Dies gilt gleichermaßen für offene als auch für geschlossene Gehäuse von LED-Lampen. Mit entsprechender Ausführung können auch geschlossene Lampen mit Hochleistungs-LEDs zuverlässig betrieben werden. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 29

30 Abbildung 27: Beispiel für ein angepasstes Temperatur- Management einer Hochleistungs-LED; die gemessenen Temperaturen sind: Umgebung T u =28 C, Gehäuse T 2 =39.6 C, LED Wärmesenke T 1= 42.7 C und aktive Schicht (junction) T jc. Für die Hochleistungs-LED der Abbildung 28 hat der Hersteller einen thermischen Widerstand R jc von 11 C/W und eine Leistung von 3 W angegeben. Mit den in Abbildung 27 angegebenen gemessenen Temperaturen ergibt sich nach Gleichung 10 eine Temperatur in der aktiven Schicht von T jc =76 C. Der Hersteller lässt eine Temperatur von 85 C zu. Bei höheren Umgebungstemperaturen muss die Stromstärke entsprechend reduziert werden. R total R i i i=r housing, R heat sink, R jc (10) Gemäß Gleichung 5 sind die Vorwärtsspannung V, Stromdichte j und Umgebungstemperatur miteinander korreliert. Aus diesem Grund wird die Vorwärtsspannung z. B. von 3,8 V bei 20 C bis 3,75 V bei 50 C vom Hersteller vorgegeben. Ein Stromkreis mit einem Widerstand in Reihe mit der LED, der auch als Shunt für die Messung des Stromes dient, ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Seine Größe wird durch die vom Hersteller angegebene Betriebsspannung und -Strom berechnet. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 30

31 Abbildung 28: Widerstand in Reihenschaltung für die Einhaltung der vom Hersteller angegebenen Betriebsbedingungen Eine andere und präzisere Schaltung für den zuverlässigen Betrieb ist die Benutzung einer Konstantstrom Quelle. Dadurch wird der Betrieb der LED unabhängig von Spannung und Temperatur. Ganz allgemein gilt: die Spezifikationen des Herstellers sind rigoros einzuhalten um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten und das langlebige Potential einer LED auszunutzen. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 31

32 Effizienz einer LED In der Literatur findet man eine ganze Reihe von durchaus nützlichen Definitionen für die Effizienz einer LED. Im Folgenden sollen einige Beispiele angegeben werden. Definition der verwendeten Symbole: P int : interne Leistung, die von der aktiven Schicht emittiert wird I: Strom durch LED P opt : optische Listung, die in den freien Raum emittiert wird P el : elektrische Leistung zur Versorgung der LED Mit diesen Definitionen können die folgenden Effektivitäten η beschrieben werden: a) Interne Quanten-Effizienz Photonen/s aus aktiver Schicht η int = =P int /(hν)/i/e Elektronen/s injiziert in aktive Schicht b) Extraktions-Effizienz Photonen/s emittiert in freien Raum η etr = =P opt /(hν)/p int /hν Elektronen/s emittiert aus aktiver Schicht Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 32

33 c) Externe Quanten-Effizienz Photonen/s emittiert in freien Raum η ext = = P opt /(hν)/i/e Elektronen/s injiziert in LED d) Leistungs-Effizienz η pow =P opt /P el Die Hersteller geben häufig die zuletzt genannte Leistungs- Effizienz an. Für Hochleistungs-LEDs liegt sie in der Größenordnung von η pow =P opt /P el =15%! Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 33

34 Forderung der Normung in der ZfP Die Anforderungen an den Einsatz von UV-A LED-Lampen im Bereich der Zerstörungsfreien Prüfung bei der Magnetpulverund fluoreszierenden Eindringprüfung unter UV Licht sind in der internationalen Norm EN ISO 3059 (neben anderen) beschrieben. Die wichtigsten Aspekte sind: Für die Entfernung überschüssigen Eindringmittels muss die UV-A Intensität >100 μw/cm 2 betragen und die Beleuchtungsstärke der Umgebung <100 lx sein b) Während der Begutachtung gilt: UV-A Strahlung >1.000 μw/cm 2 bei einer Entfernung von 40 cm von der beleuchteten Oberfläche Wellenlänge λ=365 nm +- 5 nm Halbwertsbreite FWHM < 30 nm Beleuchtungsstärke <20 lux. Falls die Umgebungsleuchtstärke größer ist, muss der Kontrast entsprechend erhöht werden (EN ISO 9934). Um diese Bedingungen zu garantieren, muss gutes Qualitätsmanagement des Herstellers der LED-Leuchte und der LED-Lampe gewährleistet sein. Es ist angebracht, wenn der Hersteller der LED-Lampe eine intensive Qualitätskontrolle jeder einzelnen LED-Leuchte durchführt (Binning). Jede LED-Lampe sollte mit einem Zertifikat versehen werden, das die angegebenen Spezifikationen aufzeigt. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 34

35 Vergleich der konventionellen UV-A mit LED- Lampen Ein grundlegender Unterschied zwischen einer LED und einer Quecksilberdampflampe ist deren elektromagnetisches Spektrum, wie in Abbildung 29 zu sehen. Abbildung 29: Spektrum einer Hochleistungs-UV-A Leuchte, oben: LED, unten: Quecksilberdampflampe Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 35

36 Die UV-LED benötigt auf Grund ihres sehr engen Spektrums keine zusätzlichen Filter für höhere Wellenlängen wie sie für die Quecksilberdampflampe erforderlich sind. Dies ist bei der LED nur erforderlich, wenn sehr stark reflektierende Materialien den Kontrast von Anzeigen in der Magnetpulver und Eindringprüfung mindern. Dann ist ein UV Filter erforderlich, der die höheren Wellenlängen zusätzlich abschneidet. Abbildung 30: Vergleich Quecksilberdampflampe gegen LED Weitere Vorteile der LED sind: Unempfindlich gegen elektromagnetische Strahlung Unempfindlich gegen Schwingungen Präzise Wellenlänge bei 365 nm Schutzart IP 65 möglich (vollständig Dicht gegen Staub und Wasserstrahl) Vielfältige Design Möglichkeiten In den nächsten Abbildungen sind einige Beispiele für die beschriebenen Vorteile von LED-Lampen dargestellt. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 36

37 Abbildung 31: Aufwärmzeiten für Quecksilberdampflampen und LED In der nächsten Abbildung sind die unerwünschten Reflexionen bei einigen Materialien zu sehen, die durch die Wellenlängenanteile im Bereich des violetten elektromagnetischen Spektrums bei Quecksilberdampflampen entstehen. Im entsprechenden Beispiel für die UV-A LED-Lampe ist dies auf Grund des vernachlässigbaren Anteils von Wellenlängen im sichtbaren Bereich nicht zu erkennen. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 37

38 Abbildung 32: Magnetpulverprüfung unter fluoreszierendem Licht bei stark reflektierenden Materialien: links: Quecksilberdampflampe, rechts: LED-Lampe Abbildung 33: Design Variationen mit UV-A LED-Lampen [Helling GmbH] Um die Spezifikation und einwandfreie Funktion einer LED- Lampe zu garantieren, wird für jede ein Zertifikat mitgeliefert (Abbildung 34), das die Übereinstimmung mit der Norm bestätigt. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 38

39 Abbildung 34: Qualitäts-Zertifikat für jede UV-A LED-Lampe mit Spektrum, Wellenlänge (hier 365 nm) und Intensitätsverteilung Die Zukunft von UV-A Lampen in der ZfP bei fluoreszierender Eindring- und Magnetpulverprüfung gehört zweifellos der Licht Emittierenden Diode, was von der so genannten Haitz schen Regel noch unterstützt wird. Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 39

40 Abbildung 35: Haitz sche Regel, Entwicklung der LED Aber: Es ist schwierig Vorhersagen zu machen, besonders wenn sie die Zukunft betreffen! Niels Bohr Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 40

41 Literatur 1. E. Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, Cambridge University Press (2014) 2. Frank Thuselt, Physik der Halbleiterbauelemente, Springer Verlag Berlin Heidelberg (2011) 3. Wolfgang Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag Berlin Heidelberg (2010) Qualität und Innovation aus Tradition Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 41