Eine LED wird nicht heiß, damit sie leuchtet — sie macht aus Strom direkt Licht. Der Schlüssel dazu steckt im pn-Übergang, und die genaue Farbe steckt in der Größe ihrer Bandlücke.
Jede Diode lässt den Strom nur in eine Richtung durch. Eine Leuchtdiode zeigt dir zusätzlich, dass gerade Strom fließt.
Die Leuchtdiode
Bekannt: Eine Diode lässt Strom nur in eine Richtung durch; in Durchlassrichtung wird die Sperrschicht schmal.
Neu: Bei der Leuchtdiode gibt jedes Elektron am pn-Übergang ein Lichtpaket ab; sie erzeugt sofort Licht, nicht erst Wärme.
Ein Elektron fällt auf ein niedrigeres Energieniveau. Die Energie, die dabei frei wird, verlässt den Kristall als Licht.
Wie groß der Absturz ist, legt das Material fest.
Bandlücke und Farbe:
große Bandlücke → energiereiches Photon → blaues Licht
: Kleine Bandlücke → energieärmeres Photon → rotes Licht.
: Die Bandlücke ist eine Eigenschaft des Materials.
: Die Farbe entsteht also beim Bau des Kristalls, nicht durch farbiges Plastik.
Rekombination: Ein freies Elektron fällt ins Loch, vom Leitungsband ins Valenzband; die frei werdende Energie verlässt den Kristall als einzelnes Photon.
Schleusenspannung: Die Bandlücke bestimmt Photonenenergie, Farbe und Schleusenspannung; in Volt entspricht sie ungefähr der Bandlücke in Elektronenvolt: rot etwa 1,9 V, blau etwa 2,8 V.
Material: Silizium gibt die Energie als Wärme ab; LEDs bestehen aus Verbindungshalbleitern. Weißes Licht entsteht aus einer blauen LED mit Leuchtstoff.
| Farbe | Material (Beispiel) | Bandlücke | Schleusenspannung |
|---|---|---|---|
| rot | Galliumarsenidphosphid | etwa 1,9 eV | etwa 1,9 V |
| gelb | Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid | etwa 2,1 eV | etwa 2,1 V |
| grün | Indiumgalliumnitrid | etwa 2,4 eV | etwa 2,4 V |
| blau | Galliumnitrid | etwa 2,8 eV | etwa 2,8 V |
Du siehst, welches Photon beim Sprung eines Elektrons entsteht, welche Farbe es hat und welche Schleusenspannung diese LED bräuchte. Achte darauf, dass Bandlücke, Farbe und Schleusenspannung immer im Gleichschritt wandern.
Mit wachsender Bandlücke wird die Wellenlänge kürzer, die Farbe wandert von Rot über Gelb und Grün bis Blau — und die nötige Schleusenspannung steigt mit. Genau diese drei Größen hängen bei jeder echten LED zusammen.
Weißes Licht ist eine Mischung vieler Farben — eine einzelne Bandlücke kann das nicht liefern.
Drei Punkte, die bei der LED immer wieder durcheinandergeraten.
„Die LED leuchtet, weil sie heiß wird.“ Genau umgekehrt: Das Licht entsteht direkt beim Rekombinieren, Wärme ist hier nur ein unerwünschter Nebeneffekt.
Die Farbe steckt im Material, nicht im Gehäuse. Viele LEDs sitzen in glasklarem Kunststoff und leuchten trotzdem farbig.
Polung und Vorwiderstand beachten. Falsch herum eingebaut sperrt die LED nur, und ohne Vorwiderstand ist sie nach Sekundenbruchteilen zerstört.