Leuchtdioden: Eine Einführung

Halbleiter, die elektrische Energie in Lichtenergie umwandeln können, werden als Leuchtdioden oder LEDs bezeichnet. LEDs werden häufig nach einer von drei Wellenlängen kategorisiert: ultraviolett, sichtbar oder infrarot. Das Material und die Zusammensetzung des Halbleiters bestimmen die Farbe des Lichts, das das Gerät aussendet.

Im Handel erhältliche LEDs mit einer Einzelelement-Ausgangsleistung von mindestens 5 mW haben einen Wellenlängenbereich, der von 275 bis 950 nm reicht. Unabhängig vom Hersteller stammen die Komponenten für jeden Wellenlängenbereich alle aus derselben Familie von Halbleitermaterialien. In diesem Beitrag werfen wir einen umfassenden Blick auf die LED-Branche und geben einen Überblick über die Funktionsweise von LEDs. Es gibt viele verschiedene Arten von LEDs, und wir werden über diese sprechen, zusammen mit den ihnen entsprechenden Wellenlängen, den Materialien, die für ihre Konstruktion verwendet werden, und einigen Anwendungen für die verschiedenen Leuchten.

Ultraviolette LEDs (UV-LEDs): 240 bis 360 nm

UV-LEDs finden ihre häufigste Anwendung im Bereich der industriellen Härtung, gefolgt von der Wasserdesinfektion und schließlich medizinischen und biomedizinischen Anwendungen. Bei Wellenlängen von nur 280 nm war es möglich, Leistungsmengen von mehr als 100 mW zu erzeugen. Bei Wellenlängen von 360 nm oder länger ist Galliumnitrid/Aluminiumgalliumnitrid (GaN/AlGaN) das Material, das am häufigsten für ultraviolette Leuchtdioden (LEDs) verwendet wird. Für kürzere Wellenlängen werden Materialien mit eigenen Schutzrechten verwendet. Kürzere Wellenlängen werden nur von einigen wenigen Anbietern hergestellt, und die Preise für diese LEDs sind im Vergleich zu den Preisen der übrigen LED-Produktangebote immer noch recht hoch. Allerdings wird der Markt für längere Wellenlängen, also solche mit einer Länge von mindestens 360 nm, durch sinkende Preise und ein Überangebot an Anbietern stabiler.

LEDs im Bereich von nahezu ultraviolett bis grün: 395 bis 530 nm

Indiumgalliumnitrid (InGaN) ist das Material, das zur Herstellung von Artikeln verwendet wird, die in diesen Wellenlängenbereich fallen. Obwohl es theoretisch möglich ist, eine Wellenlänge an jedem Punkt zwischen 395 und 530 nm zu erzeugen, konzentriert sich die überwiegende Mehrheit der großen Anbieter auf die Erzeugung blauer LEDs (im Bereich von 450 bis 475 nm) für die Erzeugung von weißem Licht mit Leuchtstoffen und grünen LEDs im Bereich von 520 bis 530 nm für den Einsatz in der grünen Beleuchtung von Verkehrsampeln. Die Technologie hinter diesen LEDs gilt in den meisten Kreisen als fortschrittlich. Im Hinblick auf die Steigerung der optischen Effizienz wurden in den letzten Jahren kaum oder gar keine Fortschritte erzielt.

LEDs von gelbgrün bis rot: 565 bis 645 nm

Das für diesen Wellenlängenbereich eingesetzte Halbleitermaterial heißt Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid, kurz AlInGaP. Für die Herstellung werden überwiegend die Farben Ampelgelb (590 nm) und Ampelrot (625 nm) verwendet. Darüber hinaus sind mit dieser Technologie die hellgrünen (oder gelbgrünen 565 nm) und orangefarbenen (605 nm) Wellenlängen zugänglich; allerdings ist ihre Verfügbarkeit eingeschränkter.

Bemerkenswert ist, dass weder die InGaN- noch die AlInGaP-Technologie derzeit in der Lage sind, einen rein grünen Emitter mit einer Wellenlänge von 555 nm zu erzeugen. Es gibt einige ältere Technologien, die in dieser völlig grünen Zone nicht so effizient sind, aber diese Technologien gelten nicht als besonders hell oder effizient. Dies ist zum Teil auf mangelndes Interesse und folglich mangelnde Nachfrage des Marktes zurückzuführen, was dazu geführt hat, dass es an Finanzierung für die Entwicklung alternativer Materialien und Herstellungsverfahren für diesen Wellenlängenbereich mangelt.

660 bis 900 Nanometer (nm), oft bekannt als „Deep Red to Near-Infrared“ (IRLEDs)

Die Struktur der in dieser Region verwendeten Geräte kann viele verschiedene Formen annehmen, sie alle verwenden jedoch eine Art Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) oder Gallium-Arsenid (GaAs)-Material. Anwendungsbeispiele für diesen Wellenlängenbereich sind Infrarot-Fernbedienungen, Nachtsichtbeleuchtung, industrielle Fotosteuerungen und verschiedene medizinische Anwendungen (bei 660–680 nm).

Die Funktionstheorie hinter LEDs

LEDs sind eine Art Halbleiterdiode, die Licht erzeugen, wenn ein elektrischer Strom in Vorwärtsrichtung durch das Gerät fließt. An das Gerät muss eine elektrische Spannung angelegt werden, damit sich die Elektronen durch den Verarmungsbereich bewegen und sich mit einem Loch auf der anderen Seite verbinden, um ein Elektron-Loch-Paar zu bilden. Dabei gibt das Elektron seine gespeicherte Energie in Form von Licht ab, was letztlich zur Emission eines Photons führt.

Das emittierte Licht hat eine Wellenlänge, die durch die Bandlücke des Halbleiters bestimmt wird. Da kürzere Wellenlängen höheren Energieniveaus entsprechen, sind Substanzen mit einer größeren Bandlücke für die Emission kürzerer Wellenlängen verantwortlich. Die Leitung in Materialien mit einer größeren Bandlücke erfordert die Verwendung höherer Spannungen. LEDs, die UV-blaues Licht mit kurzer Wellenlänge aussenden, haben eine Durchlassspannung von 3,5 V, wohingegen LEDs, die Licht im nahen Infrarotbereich aussenden, eine Durchlassspannung im Bereich von 1,5 bis 2,0 V haben.

LEDs werden derzeit in den unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt. Diese Geräte sind sehr preisgünstig und sowohl für den Verbrauchermarkt als auch für den Industriemarkt attraktiv, da sie im Vergleich zu Lasern und Lampen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, einen hohen Wirkungsgrad und geringere Gesamtsystemkosten aufweisen. LEDs gibt es in verschiedenen Farben und Technologien, und jede einzelne wurde speziell für eine bestimmte Anwendung und einen bestimmten Bedarf entwickelt.

Hochleistungs-UV-LED-Licht

Merkmale:

● UV-LED-Leuchten mit hoher Wattzahl ähneln in Größe und Form herkömmlichen keimtötenden UV-Lampen, können jedoch mit einer höheren UV-Leistung betrieben werden.

● UV-LED-Leuchten mit hoher Wattzahl werden häufig in Umluftkanalsystemen und Wasserdesinfektionsanwendungen eingesetzt.

● UV-LED-Licht mit hoher Wattzahl wird häufig in der Geruchskontrolle und in fotochemischen Anwendungen eingesetzt.

● Erhältlich in den Versionen mit niedrigem Ozongehalt und Ozonproduktion.

Spezifikation: