Leuchtdioden (LED)

Eine LED ist im Kern ein in Durchlassrichtung betriebener pn-Übergang aus einem direkten Halbleiter. Legt man eine Vorwärtsspannung an, senkt sich die Potentialbarriere der Raumladungszone, und Elektronen aus der n-Seite sowie Löcher aus der p-Seite werden über die Verarmungszone hinweg injiziert – man spricht von Minoritätsträgerinjektion. Im aktiven Bereich treffen beide Ladungsträgertypen aufeinander und rekombinieren strahlend, wie im Grundlagenkapitel beschrieben; die Photonenenergie entspricht dabei näherungsweise der Bandlücke des Materials, leicht reduziert durch die thermische Energieverteilung der Ladungsträger (daher ist das Emissionsspektrum kein scharfer Peak, sondern hat eine spektrale Breite von typischerweise 20–30 nm bei Raumtemperatur). Anders als beim Si-pn-Übergang, der primär als Diode oder Solarzelle genutzt wird, ist bei der LED die Lichtemission der eigentliche Zweck, nicht Nebeneffekt.

Die Durchlassspannung einer LED korreliert direkt mit der Bandlücke: Faustregel V_f ≈ E_g/e, leicht erhöht durch Serienwiderstände und Kontaktverluste. Eine rote AlGaInP-LED (E_g ≈ 2 eV) hat daher eine typische Flussspannung um 1,8–2,2 V, eine blaue InGaN-LED (E_g ≈ 2,7 eV) liegt bei 2,8–3,4 V – deutlich höher als bei einer klassischen Si-Diode (≈0,7 V), was sich direkt in der benötigten Betriebsspannung von LED-Schaltungen niederschlägt. Der Wirkungsgrad hängt entscheidend davon ab, wie viele Ladungsträger tatsächlich strahlend statt nichtstrahlend rekombinieren – gesteuert durch Dotierqualität, Defektdichte und Grenzflächenzustände im Kristall, die als Rekombinationszentren wirken und Ladungsträger ohne Photonemission "verschlucken".

Die Emissionsfarbe folgt direkt aus der Bandlücke des Materials, weshalb jede LED-Farbe ihr eigenes etabliertes System hat. Rote und gelbe LEDs basieren auf AlGaInP-Heterostrukturen auf GaAs-Substrat, gitterangepasst durch die Wahl des Aluminium-Gallium-Verhältnisses. Infrarot- und einfache rote LEDs nutzen historisch auch GaAsP oder AlGaAs. Blaue und grüne LEDs nutzen InGaN auf Saphir- oder SiC-Substrat – trotz erheblicher Gitterfehlanpassung zum Substrat (bis zu 16 % bei GaN-auf-Saphir), was zu hohen Versetzungsdichten führt, die die Materialqualität lange limitierten.

Die technologische Reife von InGaN in den 1990er-Jahren (Shuji Nakamura, Nobelpreis Physik 2014) war die entscheidende Voraussetzung für effiziente weiße LEDs, da zuvor nur Rot und Gelb in ausreichender Effizienz verfügbar waren – das sogenannte "Green Gap" (mangelnde Effizienz grüner LEDs zwischen den gut beherrschten Systemen InGaN/blau und AlGaInP/gelb) ist bis heute ein aktives Forschungsthema. Weißes Licht entsteht heute überwiegend nicht durch additive RGB-Mischung, sondern durch eine einzelne blaue InGaN-LED (Peak ≈ 450–460 nm), deren Licht teilweise von einem gelben Phosphor (meist Ce:YAG, Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) durch Photolumineszenz in längerwelliges Licht (Peak ≈ 560 nm) umgewandelt wird. Die Kombination aus durchscheinendem Blau und angeregtem Gelb ergibt für das menschliche Auge einen weißen Farbeindruck; über Phosphor-Mischungen und -Dicke lässt sich die Farbtemperatur (warmweiß bis kaltweiß) sowie der Farbwiedergabeindex (CRI) gezielt einstellen.