Eine Leuchtdiode ist eine spezielle Diode. Leuchtdioden bestehen wie gewöhnliche Dioden aus Halbleiterchips. Diese Halbleitermaterialien werden vorimplantiert oder dotiert, um p- und n-Strukturen zu erzeugen.
Wie bei anderen Dioden kann der Strom in der Leuchtdiode problemlos vom p-Pol (Anode) zum n-Pol (Kathode) fließen, jedoch nicht in die entgegengesetzte Richtung. Zwei unterschiedliche Träger: Löcher und Elektronen fließen unter unterschiedlichen Elektrodenspannungen von den Elektroden zu den p- und n-Strukturen. Wenn Löcher und Elektronen aufeinandertreffen und sich rekombinieren, fallen die Elektronen auf ein niedrigeres Energieniveau und setzen Energie in Form von Photonen frei (Photonen sind das, was wir oft Licht nennen).
Die Wellenlänge (Farbe) des von ihm emittierten Lichts wird durch die Bandlückenenergie der Halbleitermaterialien bestimmt, aus denen die p- und n-Strukturen bestehen.
Da Silizium und Germanium Materialien mit indirekter Bandlücke sind, ist die Rekombination von Elektronen und Löchern in diesen Materialien bei Raumtemperatur ein strahlungsloser Übergang. Solche Übergänge setzen keine Photonen frei, sondern wandeln Energie in Wärmeenergie um. Daher können Silizium- und Germaniumdioden kein Licht emittieren (sie emittieren Licht bei sehr niedrigen spezifischen Temperaturen, die in einem speziellen Winkel erfasst werden müssen, und die Helligkeit des Lichts ist nicht offensichtlich).
Die in Leuchtdioden verwendeten Materialien sind alle Materialien mit direkter Bandlücke, sodass die Energie in Form von Photonen freigesetzt wird. Diese verbotenen Bandenergien entsprechen der Lichtenergie im Nahinfrarot-, Sichtbaren- oder Nah-Ultraviolett-Band.
Dieses Modell simuliert eine LED, die Licht im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums aussendet.
In den frühen Entwicklungsstadien konnten Leuchtdioden mit Galliumarsenid (GaAs) nur Infrarot- oder Rotlicht emittieren. Mit der Weiterentwicklung der Materialwissenschaften können neu entwickelte Leuchtdioden Lichtwellen mit immer höheren Frequenzen aussenden. Heutzutage können Leuchtdioden in verschiedenen Farben hergestellt werden.
Dioden werden normalerweise auf einem Substrat vom N-Typ aufgebaut, auf dessen Oberfläche eine Schicht aus einem Halbleiter vom P-Typ abgeschieden und mit Elektroden verbunden ist. P-Typ-Substrate sind weniger verbreitet, werden aber auch verwendet. Viele kommerzielle Leuchtdioden, insbesondere GaN/InGaN, verwenden ebenfalls Saphirsubstrate.
Die meisten Materialien, die zur Herstellung von LEDs verwendet werden, haben sehr hohe Brechungsindizes. Das bedeutet, dass der Großteil der Lichtwellen an der Grenzfläche zur Luft in das Material zurückreflektiert wird. Daher ist die Lichtwellenextraktion ein wichtiges Thema für LEDs, und viel Forschung und Entwicklung konzentriert sich auf dieses Thema.
Der Hauptunterschied zwischen LEDs (Licht emittierenden Dioden) und gewöhnlichen Dioden besteht in ihren Materialien und ihrer Struktur, was zu erheblichen Unterschieden in ihrer Effizienz bei der Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie führt. Hier sind einige wichtige Punkte, die erklären, warum LEDs Licht aussenden können, normale Dioden jedoch nicht:
Verschiedene Materialien:LEDs verwenden III-V-Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Galliumnitrid (GaN) usw. Diese Materialien verfügen über eine direkte Bandlücke, die es Elektronen ermöglicht, direkt zu springen und Photonen (Licht) freizusetzen. Gewöhnliche Dioden verwenden normalerweise Silizium oder Germanium, die eine indirekte Bandlücke haben, und der Elektronensprung erfolgt hauptsächlich in Form der Freisetzung von Wärmeenergie und nicht in Form von Licht.
Unterschiedlicher Aufbau:Die Struktur von LEDs ist darauf ausgelegt, die Lichterzeugung und -emission zu optimieren. LEDs fügen am pn-Übergang meist spezifische Dotierstoffe und Schichtstrukturen hinzu, um die Erzeugung und Freisetzung von Photonen zu fördern. Gewöhnliche Dioden sind darauf ausgelegt, die Gleichrichtungsfunktion des Stroms zu optimieren und konzentrieren sich nicht auf die Lichterzeugung.
Energiebandlücke:Das Material der LED weist eine große Bandlückenenergie auf, was bedeutet, dass die von den Elektronen beim Übergang freigesetzte Energie hoch genug ist, um in Form von Licht zu erscheinen. Die Materialbandlückenenergie gewöhnlicher Dioden ist gering und die Elektronen werden beim Übergang hauptsächlich in Form von Wärme freigesetzt.
Lumineszenzmechanismus:Wenn der pn-Übergang der LED in Durchlassrichtung vorgespannt ist, bewegen sich Elektronen vom n-Bereich zum p-Bereich, rekombinieren mit Löchern und setzen Energie in Form von Photonen frei, um Licht zu erzeugen. Bei gewöhnlichen Dioden erfolgt die Rekombination von Elektronen und Löchern hauptsächlich in Form einer strahlungslosen Rekombination, das heißt, die Energie wird in Form von Wärme freigesetzt.
Diese Unterschiede ermöglichen es LEDs, während des Betriebs Licht auszusenden, während normale Dioden dies nicht können.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 01.08.2024