Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche

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1 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche

2 Herstellung Geschichte Entwicklung UV-Licht Halbleiterelemente / deren Eigenschaften Film Herstellungsverfahren Aufbau der LED Funktionsweise Bändermodell Dotierung Bauformen / Anwendungsbeispiele Weiße LEDs Additive Mischung Knackpunkt warmes Licht Verbesserte Methoden / Try and Error UV LEDs Anwendung Vor- und Nachteile Quellen

3 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Eine Leuchtdiode, auch Lumineszenz-Diode, kurz LED für Light Emitting Diode bzw. lichtemittierende Diode, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement.

4 Henry Joseph Round Henry Joseph Round gilt als Erfinder der Leuchtdiode. Der Wissenschaftler entdeckte 1907, dass anorganische Stoffe zu leuchten fähig sind, wenn man ihnen elektrische Spannung anlegt. Unwissend von der Beobachtung, machte 1921 der aus Russland kommende Physiker Oleg Vladimirovich Lossew auch diese Endeckung. Diesen Effekt untersuchte er genauer. Durch Zufall beobachtete 1935 auch der Wissenschaftler George Destriau ein Leuchtphänomen an Zinksulfid. Die Entdeckung benannte Destriau nach dem Russen in Lossew-Licht

5 Im Jahr 1951 gab es einen großen Fortschritt in der Halbleiterphysik. Man konnte sich nun, durch die Entwicklung des Transistors, erklären wie die Lichtemissionen zu Stande kamen. Es wurde zwar noch weiter mit Zinksulfid experimentiert, jedoch setzte man viel Hoffnung in die Forschung an den Halbleitern. Durch denn zunehmenden Erfolg an der Forschung mit Halbleitern, konzentrierte man sich ab 1957 nur noch darauf. Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement zum Schalten und Verstärken von elektrischen Signalen ohne mechanische Bewegungen.

6 Das Diagramm zeigt die Entwicklung des Wirkungsgrades der LED über die Zeit. Einfach gesagt hat sich jedes Jahrzehnt seit der Einführung der LED ihre Effizienz verzehnfacht. Durch die Halbleiter Galliumarsenid und Galliumphosphid konnte die Lichtemission im sichtbaren Bereich deutlich erhöht werden. Heutzutage gibt es Leuchtdioden in nahezu allen Farben. Die ersten LEDs in den 1960er Jahren hatten ein Spektrum von rot bis gelb. In den siebziger Jahren kamen dann auch grüne LEDs dazu und in den achtziger- und neunziger Jahren von grün über blau bis UV.

7 Schon die suche nach Halbleitern im kurzwelligen blau und UV Licht, gestaltete sich als äußerst kompliziert. Erst 1992 gelang es Shuji Nakamura die erste kommerzielle blaue LED zu entwickeln. Durch seine Forschung konnte 1993 die Palette um weiße LEDs und blaue Laser erweitert werden. Alle blauen LEDs die es vor 1992 gab, waren auf Siliziumcarbid Basis und hatten nur eine geringe Lichtausbeute.

8 Am häufigsten vertreten sind die III/V-Halbleiter, die aus Elementen der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems bestehen, weil sie passende Bandabstände haben und weil ihre Bandstruktur effizient strahlende Rekombination ermöglicht. Im Halbleiter spricht man von Rekombination, wenn ein ins Leitungsband angeregtes Elektron wieder relaxiert, d. h. unter Abgabe eines Photons (Gitterschwingung) ins Valenzband zurückfällt.

9 Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich (das entspricht im sichtbaren Bereich der Farbe) und die Effizienz lassen sich so beeinflussen: Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) rot und infrarot Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) Galliumphosphid (GaP) Siliciumcarbid (SiC) erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz Zinkselenid (ZnSe) blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte Indiumgalliumnitrid (InGaN) - UV, blau Galliumnitrid (GaN) Kupferplumbid (CuPb) Emitter im nahen Infrarot

10 CIE-Normfarbtafel Durch die Zugabe von Leuchtstoffen auf den LED-Chip können Mischfarben erzeugt werden. Dadurch sind weiße LED oder auch pastellfarbene LED möglich. Es ist eine Lücke zwischen gelb und grün zu erkennen. Für diese LED-Farben sind noch keine effektiven Halbleiter gefunden worden. Wissenschaft forschen aber weiter um auch diese Lücke zu füllen.

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12 Herstellung der LED Ausgangspunkt für die Herstellung von Lumineszenzdioden ist ein einkristallines Grundmaterial. Einkristalle werden nach dem Schutzschmelzverfahren hergestellt. Ein Impf- oder Keimkristall wird in die Schmelze des Materials eingetaucht und unter dauerndem Drehen wieder herausgezogen. Man erhält Kristalle bis zu 100 mm Durchmesser. Diese Kristalle können jedoch nicht direkt zur Herstellung von Lumineszenzdioden verwendet werden, weil bei den hohen Herstellungstemperaturen Verunreinigungen und eine Vielzahl von Kristalldefekten auftreten. Kristalldefekte führen zu nichtstrahlenden Rekombinationen, wodurch der Wirkungsgrad sehr klein wird.

13 Man verwendet die Einkristalle als tragendes und die Kristallausrichtung als vorgebendes Substrat. Dazu wird er in dünne Scheiben geschnitten. Auf diesen sogenannten Wafern wachsen die mit Epitaxieverfahren aufgebrachten unterschiedlich dotierten Schichten, die die geforderten Lumineszenzeigenschaften haben. Nachdem die pn Übergänge hergestellt wurden, werden die Kontaktierungen vorgenommen und der Wafer in Halbleiterplättchen zerschnitten. Es folgt das Aufkleben oder Auflegieren des Halbleiterplättchens auf ein Leitermaterial und das Verbinden des Oberseitenkontaktes mit dem zweiten Elektrodenstift mit Hilfe eines Golddrahtes. Schließlich wird die Lumineszenzdiode in einen Kunststoff eingegossen. Die Kunststoffumhüllung dient zum Schutz der Lumineszenzdiode, bestimmt deren Abstrahlcharakteristik und verbessert die Lichtaustrittsverhältnisse.

14 Halbleiterwerkstoffe Halbleiterwerkstoffe haben einen kristallinen Aufbau. In einem Halbleiterkristall existiert das sogenannte Valenzband, das die Energie der gebundenen Elektronen der Atome repräsentiert und ein höheres Energieband, genannt das Leitungsband, das die Energie der im Kristall frei beweglichen Elektronen charakterisiert. Bei Zimmertemperatur ist die thermische Energie groß genug, um einige Atome des Halbleitermaterials zu ionisieren. Es existiert daher eine geringe aber entscheidende Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit lässt sich durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in weiten Grenzen gezielt beeinflussen.

15 n-dotiert p-dotiert Fügt man einen p-dotierten und einen n-dotierten Halbleiter zusammen, so entsteht ein p-n-übergang. Im Grenzbereich wandern "überzählige" Elektronen vom n-dotierten Halbleiter in die "Löcher" vom p-dotierten Halbleiter. Diese Elektronenwanderung wird durch das Bestreben der Atome ausgelöst, die Außenschale mit genau 8 Elektronen aufzufüllen.

16 Dioden sind elektrische Bauteile, die durch Anlegen von Spannung den Strom in der einen Richtung leiten und in der anderen sperren. Mit n- und p- dotierten Halbleitern kann man dieses Verhalten erreichen. Wird einem Elektron genügend Energie zugeführt, um seinem Mutteratom zu entkommen, so bewegt es sich willkürlich durch das Material, bis es ein ionisiertes Atom, ein sogenanntes Loch trifft, mit dem es rekombiniert. Durch den Rekombinationsprozess verliert es die Energie, die der Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband entspricht. Diese Energie kann in Form eines Photons abgegeben werden und bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichts.

17 Der Halbleiterkristall ist in einer Reflektorwanne eingebettet. Der rechteckige Draht, der den Reflektor trägt, stellt bei den meisten LEDs den Kontakt zur Kathode her und nimmt die Verlustwärme auf. Der Bonddraht, stellt den Kontakt zur Anode her. Bei fabrikneuen LEDs ist der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel: Kathode = kurz = Kante).

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19 Die Lichtstärke in die verschiedenen Ausstrahlungsrichtungen hängt vom Lampenkörper ab, sie wird durch die Lichtstärkeverteilungskurve (LVK) beschrieben. Charakteristik einer 3mm LED mit einem Abstrahlwinkel von 60

20 LED Bauformen SMD LED Spider LED, SuperFlux oder auch Piranha Luxeon bedrahtete LED

21 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Einsatzgebiete der Leuchtdiode Für den Einsatz der LED sprechen die vielen Vorzüge der Leuchtdiode, wie ihre Kleinheit und Stabilität, der Betrieb unter Schutzkleinspannung, die definierte Abstrahlcharakteristik sowie die hohe Effizienz und Lebensdauer. Es bietet sich an, Leuchtdioden aufgrund der UV- und IR-freien Strahlung in Bereichen einzusetzen, in denen diese Strahlung schädlich ist: Museums- und Vitrinenbeleuchtung Bilderleuchten Beleuchtung von empfindlichen Materialien Medizinische Leuchten LED-Lampen sind robust und unempfindlich gegen Erschütterungen: Automobile Fahrradleuchten Signalleuchten Notbeleuchtung LED werden mit Schutzkleinspannung betrieben. Defekte bedeuten keine Gefahr fürs Leben: Feuchtraumleuchten unter Wasser LED sind miniaturisierte Lichtquellen: Möbelleuchten Displays LED erzeugen wenig Wärme: Möbelleuchten Kühlthekenbeleuchtung explosionsgefährdete Umgebungen Die langlebigen Leuchtdioden können (auch gekoppelt mit Solarzellen) energiesparend stationär oder mobil eingesetzt werden: Beleuchtung von Haltestellen Not- und Hinweisleuchten Gartenleuchten Campingleuchten Signalleuchten Taschenlampen, Outdoor

22 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche UV- LEDs

23 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Weiße LEDs Weiße LEDs Für die weiße Leuchtdiode werden blau oder auch UV emittierende LED mit Lumineszenzfarbstoffen (Photolumineszenz) kombiniert. Das kurzwellige und damit energiereichere blaue Licht regt den Farbstoff zum Leuchten an. Dabei wird langwelligeres, energieärmeres gelbes Licht abgegeben. Da nicht das gesamte blaue Licht umgewandelt wird, ergibt die resultierende additive Mischung der Spektralfarben das weiße Licht.

24 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Weiße LEDs

25 Weiße LEDs Leuchtdioden verschiedener Farben z. B. Blau und Gelb (zwei LEDs) oder Rot, Grün und Blau (RGB) werden so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint.

26 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Problem

27 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Problem Die Dioden strahlen bisher nur blaues oder bläulich-weißes Licht ab. Problem: wirkt kühl Ziel: naturgetreues Licht Problem: die richtige Mischung zu finden, damit das blaue Licht ergänzt, verändert oder vollständig umgewandelt wird.

28 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Forschung Verbesserte Methoden Bei der Erforschung von LED-Material haben Wissenschaftler nicht nur bei der Wahl der Ausgangsstoffe und deren Zusammensetzung, sondern auch bei den zahlreichen Verarbeitungsschritten nahezu unbegrenzte Möglichkeiten. Dafür ist die Kombinatorik ein extrem leistungsfähiges Werkzeug, mit dem sehr rasch sehr viele Verbindungen untersucht werden können: Sie beschleunigt die Suche bis auf das Hundertfache. Die Siemens-Forscher analysierten zusammen mit dem US-Unternehmen Symyx in zwei Jahren rund Kombinationen - das sind umgerechnet fast 350 pro Arbeitstag.

29 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Forschung Try and Error Für die Suche nach Leuchtstoffen verteilten die Münchner Forscher beispielsweise Oxide der Elemente Strontium, Barium, Gadolinium und Molybdän in genau definierten Mischungen auf einer Trägerplatte mit 121 Vertiefungen. Nach der Verarbeitung untersuchte ein automatisiertes Analysesystem die Verbindungen auf ihre Eignung als LED-Material. Nur die besten Kombinationen wurden weiter optimiert. Bei dem hohen Durchsatz konnten die Siemens-Forscher auch exotische Varianten testen, die im normalen Laborbetrieb zu viel Zeit gekostet hätten.

30 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche UV LEDs Leuchtdioden sollen Wasser schneller desinfizieren Physiker Michael Kneissl sucht eine Methode, sauberes Trinkwasser herzustellen Leuchtdioden sollen ultraviolettes Licht abstrahlen, das die DNA von Krankheitserregern beschädigt. "Dadurch wird ein Virus entweder getötet oder kann sich nicht vermehren, so dass das menschliche Immunsystem die Viren oder Bakterien leicht aus dem Körper herausfiltern kann." Mediziner und Wissenschaftler nutzen seit langem Quecksilberdampflampen, die UV-Licht abstrahlen, um Geräte und Wasser keimfrei zu machen. Aber Quecksilber ist hochgiftig, und solche Lampen haben eine Lebensdauer, die in etwa der einer herkömmlichen Glühbirne entspricht: einige Tausend Stunden. Leuchtdioden dagegen sind vom Material her unschädlich und halten zehn- bis hunderttausend Stunden durch. Außerdem sind sie viel kompakter als die Quecksilberdampflampen.

31 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Vor- und Nachteile der LED Wirtschaftliche Vorteile geringer Energieverbrauch einzelner LED geringe Wärmeentwicklung Reduzierung der Klimatisierungskosten hohe Lebensdauer Umwelt Vorteile LED enthalten kein Quecksilber geringerer Energiebedarf im Betrieb Technische Vorteile stoß- und vibrationsfest kein Hohlkörper der implodieren kann plötzlicher Ausfall ist unwahrscheinlich präzise Lichtlenkung ohne zusätzlichen Reflektor durch Optik keine IR Strahlung (Wärme) keine Lampenfassungen erforderlich gute Farbwiedergabeeigenschaften bei RGB Mischung Design Vorteile kleine Bauform (miniaturisierte SMD-LED) Dimmen ist ohne Änderung der Lichttemperatur möglich Lichtfarbe ist regelbar alle Lichtfarben möglich (LUCO-LED oder Farbkombination) große Typenvielfalt Wirtschaftliche Nachteile die angestrebte Effizienz ist noch nicht erreicht (Preis pro Lumen) hohe Stückkosten geringere Lebensdauer bei Hochleistungs-LED große Zahl von LED nötig, um Leuchtstärke konventioneller Leuchtmittel zu erreichen Entwicklungskosten der Platinen Umwelt Nachteile Energiebilanz? (Energiebedarf bei der Fertigung im Verhältnis zum erzeugten Lichtstrom über die Lebensdauer) Wie ist die Relation bei den verschiedenen Leuchtmitteln? Technische Nachteile Effizienz und Lichtfarbe ist mehr oder weniger temperaturabhängig LED Lebensdauer ist kritisch zu bewerten Farbwiedergabe weißer LED (blaue LED + ein Leuchtstoff) ist nicht in allen Anwendungsfällen ausreichend LED müssen farblich selektiert werden um homogene Farben zu erlangen Vorschaltgeräte notwendig Design Nachteile keine durchgängig standardisierten Bauformen bei Hochleistungs-LED

32 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Einsatzbereiche Quellen Quellen images.google.de

33 Inhaltsverzeichnis Geschichte Funktionsweise Bauarten Anwendung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit