Leuchtdiode

Innerer Reflektor einer Leuchtdiode

Leuchtdiode in SMD-Bauweise

Verschiedene Leuchtdioden

Der Halbleiterkristall vieler Leuchtdioden ist auf den Boden einer kegelförmigen Vertiefung in einem Metallhalter gelötet. Die Innenseiten der Vertiefung wirken als Reflektor für das aus den Seiten des Kristalls austretende Licht. Die Lötstelle bildet einen der beiden elektrischen Anschlüsse des Kristalls. Gleichzeitig nimmt sie die Abwärme auf, die entsteht, weil der Halbleiterkristall nur einen Teil der elektrischen Leistung in Licht umsetzt. Der Halter mit dem Reflektor ist bei bedrahteten Leuchtdioden als Draht mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt, der als elektrischer Anschluss dient. Anders als sonst bei Elektronikbauteilen üblich, bestehen die Anschlüsse nicht aus Kupfer, sondern aus verzinntem Eisendraht. Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist vergleichsweise gering. Dadurch wird der Halbleiterkristall beim Einlöten des Bauteils in eine Leiterplatte nicht durch Überhitzung zerstört.

Die Oberseite des Kristalls ist nur durch einen sehr dünnen Bonddraht elektrisch mit dem zweiten Anschluss verbunden, damit die Zuführung nur sehr wenig der lichtemittierenden Oberfläche verdeckt.

Die Kathode (−) ist durch eine Abflachung am Bund des Gehäusesockels markiert. Bei fabrikneuen Leuchtdioden ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer. Merkregel: Kathode = kurz = Kante. Bei den meisten Leuchtdioden ist der Reflektor die Kathode. In seltenen Fällen ist der Aufbau umgekehrt. Bezüglich des Schaltzeichens (s. u.) gilt die Merkregel, dass die technische Stromrichtung von dem Pfeil, den die Anode (+) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird.

Hochleistungs-Leuchtdioden (H-LED) werden mit höheren Strömen als 20 Milliampere (mA) betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder durch Wärmeleiter, die in den Leuchtdiodenkörper eingearbeitet sind, abgeführt werden. Die meisten H-LEDs von 1 Watt aufwärts sind für die Montage auf Kühlkörper vorbereitet.[1] Eine hohe Temperatur führt bei LEDs (anders als bei Glühlampen) zur Absenkung des Wirkungsgrads, außerdem wird die zu erwartende Lebensdauer verkürzt.

Zwei COB-LEDs mit 20 (links) und 10 W elektrischer Leistung (rechts); die LEDs befinden sich unter der gelben Leuchtstoff enthaltenden Harzmasse

Eine weitere Möglichkeit ist das direkte Drahtbonden des Leuchtdioden-Chips auf der Platine (chip on board – COB) und der spätere Verguss mit Silikon. Im Fachhandel werden diese Leuchtmittel „COB-LED“ genannt.

Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (2–4) Dioden in einem Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode oder Kathode und einen Anschluss für jede Farbe. Bei einer Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei Leuchtdioden-Chips antiparallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder die andere Diode. Eine quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren.

Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode; Leuchtdioden besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt werden, ist das Ausgangsmaterial für Leuchtdioden ein direkter Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter.

Wird an eine Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang. Nach Übergang zur p-dotierten Seite geht das Elektron dann in das energetisch günstigere Valenzband über. Dieser Übergang wird Rekombination genannt, denn er kann auch als Zusammentreffen von einem Elektron im Leitungsband mit einem Defektelektron (Loch) interpretiert werden. Die bei der Rekombination frei werdende Energie wird in einem direkten Halbleiter meist direkt als Licht (Photon) abgegeben.

Neben der direkten strahlenden Rekombination ist auch die Beteiligung von Exzitonen und Phononen möglich, was zu etwas weniger energiereicher Strahlung führt (die Farbe des abgestrahlten Lichts wird ins Rötliche verschoben). Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.

Spezielle Varianten, die nicht direkt zu den Leuchtdioden gezählt werden, aber auf ähnlichen Wirkprinzipien beruhen, sind die Laserdiode, die Resonant-cavity light emitting diode (RCLED bzw. RC-LED) sowie die organische Leuchtdiode (OLED).

Bandstrukturen von
links: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid),
rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium)

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt unter anderem das Verhalten der Energieübertragung beim Übergang eines Elektrons vom Leitungsband in das Valenzband und andersherum. In der Grafik rechts sind zwei vereinfachte Bandstrukturdiagramme dargestellt. Dabei ist der Verlauf des Leitungs- und des Valenzbandes über den Wellenvektor ${\displaystyle {\vec {k}}}$ aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate, der den nötigen Impulsübertrag charakterisiert. Dargestellt sind die beiden Grundformen von Halbleitern bzw. Bandübergängen: Links ein strahlender Übergang eines direkten Halbleiters und rechts ein Übergang eines indirekten Halbleiters.

Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfordert der Wechsel der Elektronen vom Leitungsbandminimum in das Valenzbandmaximum einen zusätzlichen Impulsübertrag ${\displaystyle {\vec {k}}}$, um die Impulserhaltung zu gewährleisten. Der Impulsübertrag erfolgt z. B. durch die Emission oder Absorption eines Phonons (Gitterschwingung). Die Bedingung, dass ein zusätzliches Quasiteilchen an dem Übergang beteiligt sein muss, reduziert seine Wahrscheinlichkeit. Indirekte Halbleiter sind daher als Leuchtdiode nicht geeignet. Es dominieren nicht-strahlende Übergänge wie die Rekombination über Störstellen (Shockley-Read-Hall-Rekombination). Entsprechend leuchtet zum Beispiel eine normale Gleichrichterdiode nicht.

Im Gegensatz dazu stehen die direkten Halbleiter, sie zeichnen sich durch einen „direkten Bandübergang“ aus, was bedeutet, dass die Elektronen am unteren Rand des Leitungsbandes (Leitungsbandminimum) und am oberen Ende des Valenzbandes (Valenzbandmaximum) denselben Impuls haben. Damit ist ein direkter Übergang des Elektrons unter Aussendung eines Photons (Licht) möglich, ohne dass ein Phonon zur Impulserhaltung beteiligt sein muss. Die Quantenausbeute des direkten Halbleiters Galliumarsenid liegt bei ca. 0,5, beim indirekten Halbleiter Silizium nur bei etwa 1·10⁻⁵.

Die Energie des emittierten Photons ist gleich der Energie der Bandlücke, also dem energetischen Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband.

${\displaystyle \lambda (W_{\mathrm {D} })={\frac {h\cdot c}{W_{\mathrm {D} }}}\,\qquad \mathrm {mit} \quad W_{\mathrm {D} }=E''-E'}$

als Zahlenwertgleichung:

${\displaystyle \lambda (W_{\mathrm {D} })={\frac {1240\,\mathrm {nm\,eV} }{W_{\mathrm {D} }}}}$

λ(W_D): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn ${\displaystyle W_{\mathrm {D} }}$ in eV eingesetzt wird.)

h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10⁻³⁴ Js = 4,13567 · 10⁻¹⁵ eVs

c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 10⁸ ms⁻¹

W_D: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in Elektronenvolt), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.

Zusammenhang von LED-Leuchtfarbe und theoretisch minimal möglicher Durchlassspannung

Die Größe der Bandlücke, also der Energielücke ${\displaystyle E''-E'}$, bestimmt die Energie, das heißt die Frequenz, Wellenlänge bzw. Farbe des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. So verändert der Austausch von Atomen im Kristallgitter den kristallinen/molekularen Aufbau des Materials, u. a. seine Gitterparameter oder sogar seine Gitterstruktur. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, das heißt im Bereich des nahen Infrarot. Die Zugabe von Phosphor vergrößert den Bandabstand, was das ausgesandte Licht energiereicher macht, wobei die Wellenlänge abnimmt und die Farbe von Infrarot zu Rot und Gelb übergeht. Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 Prozent der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast zwei Elektronenvolt, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden. Die Energie der Bandlücke spiegelt sich auch in der Höhe der Durchlassspannung der Diode wider, wie im Diagramm rechts gezeigt. Bei langwelligem Licht liegt sie bei ca. 1,5 V, bei blauem Licht bei 3 V, während Siliziumdioden kleinere Werte von ca. 0,6 V aufweisen.

Blaue LED aus InGaN

Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten Halbleitermaterials ab. Der Bandabstand kann im Rahmen der Herstellung über die Zusammensetzung des Halbleiters in gewissen Grenzen variiert werden. Die Farbe einer Leuchtdiode entspricht direkt einer bestimmten Wellenlänge λ, d. h. dem Kehrwert der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung, multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit. Beispiele von häufig verwendeten Materialien sind:

• Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – infrarot bis 1000 nm Wellenlänge, rot (665 nm)
• Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
• Galliumphosphid (GaP) – (gelb-)grün
• Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – ultraviolett, violett, blau und grün (true green)

Weiße LEDs sind meistens auf Indiumgalliumnitrid basierende blaue LEDs mit einem Überzug aus einer gelblichen Lumineszenzschicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt. Sie werden vielfach für LED-Leuchtmittel eingesetzt. Ähnlich, aber mit veränderter Lumineszenzschicht, sind LEDs in Pastelltönen aufgebaut.

Selten verwendete Werkstoffe für Leuchtdioden sind unter anderem:

• Siliziumkarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; kaum noch in praktischem Einsatz, da nur geringe Effizienz
• Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie kommerzielle Reife erreichte

Zur Herstellung blauer und grüner LEDs können mit dem Atomlagenepitaxie-Verfahren aus Magnesocen dünne Schichten Magnesium-dotierter Nitrid-Filme von Metallen der 3. Hauptgruppe (überwiegend Gallium) aufgebracht werden.[2]

Spektren einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode

Nahaufnahme einer RGB-Leuchtdiode (Durchmesser ca. 5 mm) mit den drei einzelnen LED-Chips

Da Leuchtdioden grundsätzlich nur monochromatisches Licht erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz, um weißes Licht zu erzeugen.

Rote, grüne, blaue Leuchtdioden, sogenannte RGB-LEDs, abgeleitet von dem Begriff des RGB-Farbraumes, werden in einem LED-Gehäuse miteinander so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit bei entsprechender Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden von außen als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten wie ein Diffusor erforderlich. Bei dieser Kombination von Leuchtdioden ist durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden auch andersfarbiges Licht herstellbar, selbst fließende Farbübergänge sind möglich.

Selten wird eine Ultraviolette-LED (UV-LED) mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen in rot, grün und blau kombiniert, was eine gute Farbwiedergabe bis über R_a = 90 erlaubt. Dabei werden drei relative schmale Peaks im Spektrum erzeugt, was für Licht in drei engen Frequenzbändern steht. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen allerdings insbesondere am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe; auch kann die Farbtemperatur oder Farbe nicht wie bei RGB-LEDs im Betrieb geändert werden.

Erzeugen weißen Lichtes mit einer blauen Leuchtdiode und einem breitbandigen Lumineszenzfarbstoff. Übliches Verfahren bei weißen LEDs.

Schematische Darstellung, wie mit einer blauen LED mit darüber liegendem gelbem Leuchtstoff weißes Licht erzeugt wird

Eine blaue oder ultraviolette LED wird mit photolumineszierendem Farbstoff, auch als Leuchtstoff bezeichnet, kombiniert.[6] Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren wird dadurch das kurzwellige Licht der blauen oder ultravioletten LED in langwelligeres Licht umgewandelt. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren und legt die Farbtemperatur fest.

Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid epitaktisch, meist mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), auf einen Träger (Substrat) aus Saphir aufgebracht. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. Die lichtemittierende Schicht besteht in der Regel aus InGaN, deren blaues Licht vom Leuchtstoff teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird. In einem neuen Verfahren,[7] dessen wesentliche Grundlagen im Jahr 2000 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt wurden, wird das teure Saphirsubstrat durch Silizium ersetzt.[Firma 1] Auf das Silizium lässt man dann nach einer ersten AlN-Schicht das Galliumnitrid aufwachsen. Effizient sind solche LEDs jedoch nur, wenn das lichtabsorbierende Siliziumsubstrat entfernt und durch eine hochreflektierende Schicht, meist auf Silberbasis, ersetzt wird, wie es für Hochleistungs-LEDs auf Saphirsubstraten inzwischen der Fall ist. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden, und der Ablöseprozess vom Substrat wird stark vereinfacht.

Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand der Grafik erkennen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Lumineszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LEDs hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.

Farbverlauf der in Kelvin (K) angegebenen Farbtemperaturen von LED-Leuchtmitteln

Das Maß für die quantitative Beschreibung des Farbeindrucks weißer LEDs ist die Farbtemperatur. Sie wird in Kelvin (K) angegeben.

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Wärmestrahler. Bunte (nicht-weiße) Leuchtdioden emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich; das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von Leuchtdioden für allgemeine Beleuchtungszwecke werden meist blaue Leuchtdioden mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.

Bis Anfang der 1990er-Jahre konnten Leuchtdioden nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums in hinreichender Qualität hergestellt werden, insbesondere blaue Leuchtdioden waren nicht verfügbar. Auch der Einsatz grüner Leuchtdioden war für Verkehrsampeln wegen der geforderten blaugrünen Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück, wofür dieser 2014 den Nobelpreis für Physik bekam.[8] Die Massenproduktion blaugrüner und danach blauer Leuchtdioden begann im Jahr 1993.

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie, die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom.

Typischer Verlauf des Lichtstromes in Abhängigkeit vom LED-Strom (5-mm-LED cyan)

Die Flussspannung bzw. die Spannung über der Diode stellt sich durch den Betriebsstrom ein, besitzt Exemplarstreuung und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig angenähert in Form eines Vorwiderstandes) ist daher wichtig für eine definierte Leuchtstärke. Ein direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist sehr riskant, da der Arbeitspunkt über die Spannung für den gewünschten Strom wegen der Exemplarstreuung und der Temperaturabhängigkeit nicht ausreichend genau eingestellt werden kann.

Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute durch Optimierungen des Halbleitermaterials und der Geometrie von Halbleiterkristall und Gehäuse erhöht. Das ermöglichte es ab etwa den 1990er-Jahren, LEDs mit sehr kleinem Strom zu betreiben (Low-current-LEDs) und dennoch eine sinnvolle Helligkeit zu erzielen. Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung U_f (für englisch forward voltage) hängt vom Halbleitermaterial ab, das wiederum die Lichtfarbe bestimmt. Anhaltspunkte für den Spannungsabfall sind:

• Infrarot-LED: 1,2–1,8 V, typ. 1,3 V
• Rot: 1,6–2,2 V
• Gelb, Grün: 1,9–2,5 V
• Blau, Weiß: 2,7–3,5 V[Firma 2]
• UV-LED: 3,1–4,5 V, typ. 3,7 V[Firma 3]

Die Flussspannung hängt u. a. von der Stromdichte in der LED und von Serienwiderständen (Bahnwiderstand im Kristall) in der Diode und den Kontaktierungen, Bonddrähten und Anschlüssen ab[9] und nimmt aufgrund dessen bei leistungsfähigeren LEDs zu.

Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel 5 Volt, darüber wird die LED meist zerstört.

Die Lichtemission des LED-Chips bzw. der Leuchtstoffschicht erfolgt in einem Halbraum, wobei der Chip sich etwa wie ein Lambert-Strahler verhält, wenn nicht weitere Teile zur Lenkung/Bündelung des Lichts eingesetzt werden. Die Verlustwärme wird typisch in den anderen Halbraum abgeführt, etwa durch Wärmeleitung in einen Kühlkörper, auf den die LED montiert ist.[10]

Leuchtdioden werden oft mit Polymeren verkapselt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas-, Keramik- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen der Wärmeableitung. Der transparente Polymerkörper hat direkten Kontakt mit dem LED-Chip; dieser ist in der Regel in den Kunststoff eingegossen. Das setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Austritt des Lichts aus dem LED-Chip herab und verbessert so den Übergang des Lichts vom Chip in den Polymerkörper. Dieser ist oft wie eine Linse geformt und bündelt das Licht, so dass es innerhalb eines gegebenen Öffnungswinkels austritt.

Dieser Öffnungswinkel ist ein wichtiger Parameter einer LED. Der Raumwinkel ${\displaystyle \Omega }$, in den das Licht abgestrahlt wird, kann aus dem Öffnungswinkel ${\displaystyle \alpha }$ berechnet werden, und der Lichtstrom ${\displaystyle \Phi }$ und die Lichtstärke ${\displaystyle I}$ der LED hängen über ${\displaystyle \Omega }$ zusammen:

${\displaystyle \Omega =2\pi (1-\cos(\alpha /2))}$,

${\displaystyle \Phi =I\cdot \Omega }$.

In der Praxis gilt letztere Gleichung jedoch nur angenähert, da das Licht meist nicht ausschließlich innerhalb des Öffnungswinkels und in diesem auch nicht völlig gleichmäßig (d. h. mit konstanter Lichtstärke) abgegeben wird.

Leuchtdioden mit einer Linse, die zur Erzielung großer Öffnungswinkel ausgelegt ist, werden auch als Straw-Hat-LEDs bezeichnet. Mitunter nutzt man auch eine konkave kegelförmige Frontfläche, an der das Licht total reflektiert wird und dann durch die zylinderförmige Seitenwand des Gehäuses austritt.

Die Lichtstärke von LEDs wird in der Einheit Candela (cd) oder Teilen davon angegeben. Die Lichtstärke berücksichtigt, im Unterschied zum Lichtstrom, auch die Abstrahl-Charakteristik in Form des Raumwinkels.[11] Typische Werte sind:

• 0,02 cd bis 0,05 cd für klassische LEDs für Signalanwendungen wie in Schaltpulten etc.
• bis 0,8 cd haben neuere sogenannte „superhelle“-LEDs, die damit auch für helle oder Tageslicht-Umgebungen geeignet sind
• bis 10 cd haben LED-Module zu Beleuchtungs-Zwecken, diese sind aus mehreren LED-Chips zusammengesetzt.

Darüber hinaus können wie bei allen Lampen mehrere LEDs kombiniert werden, um beliebige Lichtstärken zu erreichen.

Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der ihr Lichtstrom im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist (L70B50-Wert);[Firma 4][Firma 5] einige Internet-Quellen sprechen auch vom Ende der Lebensdauer bei 80 % oder 50 % des anfänglichen Lichtstroms.

Der Lichtstrom von Leuchtdioden nimmt nach und nach ab, sie fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus.[12] Die Alterung ist annähernd linear. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial, den Betriebsbedingungen (Temperatur, Strom) und der individuell tolerierbaren Farbtemperaturveränderung der Fluoreszenzfarbstoffe ab (weiße LEDs werden blaustichiger). Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Mit optimal aufeinander abgestimmten Komponenten können Lebensdauern von 50.000 Stunden und mehr erreicht werden.[13]

Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im Blau- und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar.

Nachbildung des Experiments H. J. Rounds. Eine negativ geladene Nadelspitze auf Siliziumkarbid erzeugt einen grün glimmenden Leuchtdiodenübergang.

Entwicklung des maximalen Lichtstroms (rot) kommerziell erhältlicher LEDs. Die Skala ist logarithmisch und die Gerade entspricht daher einem exponentiellen Anstieg.

Henry Joseph Round (1881–1966) beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer Lichtemission fähig sind.[15] 1921 entdeckte der russische Physiker Oleg Lossew den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis 1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des Einsteinschen photoelektrischen Effektes zu deuten sei.[16][17] Georges Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.

1951 konnte durch die Entwicklung des Bipolartransistors ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht werden. Seitdem war es möglich, den Prozess der Lichtemission aufzuklären. Zunächst wurde weiter mit Zinksulfid experimentiert; erfolgreicher waren aber die Forschungen an den als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleitern. Ab 1957 konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz auf Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) war von Bedeutung.

Einige Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode Nick Holonyak zu und datieren sie auf 1962.[18]

1968 nahm das amerikanische Chemieunternehmen Monsanto als erstes die Massenproduktion von (roten) LEDs auf Basis von Galliumarsenidphosphid auf und trieb in den folgenden Jahren die Entwicklung weiter voran. Die Serienproduktion der diskreten LED und der Siebensegmentanzeige ermöglichte damals erste Taschenrechner und digitale Armbanduhren.[19]

Seit den ersten LEDs 1962 wurde die Lichtausbeute von unter 0,1 lm/W auf über 100 lm/W gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen gemachten Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen) auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, niederdimensionalen Strukturen (Quantenfilmen, Quantenpunkten), transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er-Jahre, Rot-Gelb) wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er-Jahre, grüne LEDs) und GaN (1980er-/1990er-Jahre, Grün bis UV) entwickelt, sodass es heute, bis auf eine Lücke im Grün-Gelb-Bereich, LEDs in allen Farben des Spektrums gibt.

Nach Halbleitermaterialien, die Licht im kurzwelligen Bereich (Blau, UV) effizient erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war das Dotieren eines p-leitenden Bereichs geeigneter breitlückiger Halbleiter, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe um Isamu Akasaki in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Dieser führte zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laserdioden, seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumkarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura erhielten 2014 den Nobelpreis für Physik für „die Erfindung effizienter blauer Leuchtdioden, mit denen helle und energiesparende weiße Lichtquellen möglich wurden“.[20]

2006 erreichte eine blaue LED von Nichia in Labortests eine Lichtausbeute von 150 lm/W. Das entspricht der Effizienz von Natriumdampflampen, die in verschiedenen Ausführungen seit den 1970er-Jahren verfügbar sind. 2007 gelang es dem Unternehmen Cree im Labor, eine kaltweiße LED mit über 1000 lm bei einer Effizienz von 72 lm/W zu betreiben, die warmweiße Variante kam bei 760 lm immerhin noch auf 52 lm/W Lichtausbeute. 2009 kam eine LED von Nichia auf den Markt mit einer angegebenen Lichtausbeute von 160 lm/W, allerdings nur geringer Leistung. Cree lieferte 2010 erste LEDs aus, die bei 1 W 160 lm/W erreichten und bei 10 W immer noch ca. 100 lm/W.

Im September 2009 begann Cree mit der Auslieferung einer weißen LED mit einer Lichtausbeute (Herstellerangaben) von 132 lm/W, die bei der maximalen Leistungsaufnahme von fast 10 W auf 105 lm/W abfällt, wobei für diesen Produktionstyp Lichtstromwerte bei 350 mA in den Leistungsklassen 114 lm; 122 lm; 130 lm und 139 lm (entspricht 132 lm/W) angeboten werden.[Firma 6] Das Unternehmen berichtete im Februar 2010[Firma 7] über eine Labor-Prototyp-LED, die 208 lm/W bei Raumtemperatur erreichte, bei einer Farbtemperatur von 4579 K. Im Oktober 2011 konnte Osram Prototypen einer roten LED vorstellen, die bei 609 nm und Nennstrom von 350 mA eine Lichtausbeute von 168 lm/W erreicht.[Firma 8]

Beim Vergleich der Lichtstärke unterschiedlicher LEDs ist der Abstrahlwinkel in die Berechnung einzubeziehen.[Firma 9] Übliche Abstrahlwinkel liegen zwischen 24° und 40°.

Die Steigerung der Effizienz und die weitere Senkung der Herstellungskosten stehen primär im Fokus der Weiterentwicklung. Daneben wurde um das Jahr 2015 insbesondere daran gearbeitet, sowohl transparente Träger- und Halbleiter-Materialien, als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen, da die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) einen Teil der leuchtenden Fläche abdecken.

Theoretische maximale Lichtausbeute für monochrome Lichtwandler

Die höchsten Effizienzangaben weißer LEDs geben 2014 eine Lichtausbeute von 303 lm/W,[Firma 10] im Jahre 2010 waren es 250 lm/W.[21] Das theoretische Maximum liegt jedoch bei ca. 350 lm/W, wenn weißes Licht mit 6600 K Farbtemperatur mit einem physikalischen Wirkungsgrad von 100 % erzeugt wird. Daher sind hohe Effizienz-Angaben in Pressemitteilungen der Herstellerfirmen nicht vertrauenswürdig. Im Jahre 2020 kommerziell angebotene weiße LED-Emitter mit einem Farbwiedergabeindex von 70 erreichen eine Lichtausbeute von etwa 122 bis 166 Lumen pro Watt, gemessen im Impulsbetrieb mit 7 % max. Fehler bei einer Chiptemperatur von 85 °C.[22]

Da durch die Messung in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt werden (vgl. Hellempfindlichkeitskurve), erreichen LEDs in den Farben Grün bis Gelb besonders hohe Effizienzwerte, während beispielsweise blaue LEDs deutlich schlechter abschneiden. Im rein physikalischen Wirkungsgrad, der die Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie angibt, sind blaue LEDs in der Regel besser. Daher gehen ein schlechter Farbwiedergabeindex und eine hohe Farbtemperatur mit hoher Lichtausbeute einher. Derzeit sind physikalische Wirkungsgrade bis etwa 85 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche LED, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und gegebenenfalls Optik. Neben solchen Laborwerten sind seit 2023 weiße LED-Leuchtmittel mit 210 lm/W allgemein erhältlich.

Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im Labor hergestellt und bald darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten „Fluxbinning“ werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten.

Bestimmung des Arbeitspunktes bei bekannter Diodenkennlinie

Die einfachste Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer Spannungsquelle ist, in Reihe zu ihr einen Vorwiderstand zu schalten. Der Gesamt-Wirkungsgrad ist prinzipiell nicht schlechter als bei einer linear geregelten Konstantstromquelle. Wird diese Anordnung mit einer Spannungsquelle betrieben, deren Spannung U₀ unter Last (Nennstrom I) bekannt ist, so lässt sich die gewünschte Stromstärke I_LED über die Wahl des Widerstandes einstellen:

${\displaystyle R_{\mathrm {erforderlich} }={\frac {U_{0}-U_{\mathrm {LED} }}{I_{\mathrm {LED} }}}}$

Beispiel: ${\displaystyle U_{0}=4{,}5\ \mathrm {V} ,\ I_{\mathrm {LED} }=0{,}35\ \mathrm {A} ,\ U_{\mathrm {LED} }=3{,}4\ \mathrm {V} }$

${\displaystyle R_{\mathrm {erforderlich} }={\frac {4{,}5\ \mathrm {V} -3{,}4\ \mathrm {V} }{0{,}35\ \mathrm {A} }}=3{,}1\ \Omega \ }$

Die Verlustleistung und damit die Baugröße des Widerstandes ergibt sich zu

${\displaystyle P_{\text{Verlust}}=\Delta {U}\cdot \ I_{\mathrm {LED} }=1{,}1\ \mathrm {V} \cdot 0{,}35\ \mathrm {A} =0{,}385\ \mathrm {W} }$

Der nächsthöhere, handelsübliche Widerstand-Baugröße ist eine mit 0,5 W möglicher Verlustleistung.

Bei einer ungeregelten Spannungsquelle wie einem Netzteil aus Transformator mit Gleichrichter und Glättungskondensator führt der Innenwiderstand der Quelle zu einer starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Laststrom. Bei der obigen Formel ist dann zu beachten, dass U₀ nicht die Leerlaufspannung ist, sondern die Ausgangsspannung beim Nennstrom I, welche sich bei kleinen Transformatoren (ca. 3 VA) gegenüber der Leerlaufspannung nahezu halbieren kann.

Der Nachteil eines Vorwiderstands ist die Abhängigkeit des Stroms von der Versorgungsspannung. Das gilt vor allem dann, wenn eine relativ geringe Spannung am Vorwiderstand abfällt. Es ist daher kaum möglich, die Verluste dadurch zu verringern, dass nur eine kleine Spannungsdifferenz zwischen LED und Versorgungsnetz (z. B. Bordnetz eines KFZ) besteht.

Beispiel: An ein 12-V-Bordnetz werden drei LEDs à 3,4 V angeschlossen, sodass bei einer Spannung U = 12 V nur 1,8 V für den Vorwiderstand verbleiben. Mit einem Vorwiderstand von 5,2 Ω ergibt sich so ein Strom von 348 mA. Beim Laden des Akkus im Auto können aber durchaus Spannungen bis 14,4 V auftreten. Das hätte dann einen praktisch verdoppelten Strom von rund 700 mA zur Folge (der Spannungsabfall an der LED steigt ebenfalls leicht an), obwohl sich die Bordspannung nur um 16 % erhöht hat. Die gewählte Ausführung ist somit nicht betriebssicher und damit ungeeignet. Abhilfe könnte eine verringerte Anzahl der in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder eine Konstantstromquelle statt Vorwiderstand sein.

Beim Betrieb von Leuchtdioden an einer Konstantstromquelle entfällt das Problem der Abhängigkeit des Stromes von der Versorgungsspannung. Die LED kann dann über einen sehr weiten Spannungsbereich sicher betrieben werden. Konstantstromquellen lassen sich mit Transistoren oder integrierten Schaltungen realisieren.

Als Stromquelle für LEDs geeignete Konstantstromquelle mit JFET

Eine Möglichkeit zur Realisierung einer Konstantstromquelle bietet ein JFET mit Reihenwiderstand wie in nebenstehener Schaltskizze dargestellt. Diese Schaltung wird, da sie nur zwei Anschlüsse nach außen umfasst, als Stromregeldiode bezeichnet. Eine weitere Möglichkeit stellen lineare Spannungsregler dar, wie den LM317, welcher auch als Konstantstromquelle genutzt werden kann.[23][24]

Lineare Schaltungen haben den Nachteil, dass sie das Produkt aus Spannungsdifferenz und Betriebsstrom in Form der Verlustleistung in Wärme umwandeln. Bei Hochleistungs-LEDs mit Betriebsströmen ab einigen 100 mA aufwärts werden zur Minimierung der Verluste häufig Schaltregler (Tiefsetzsteller) eingesetzt, welche auf einen konstanten Ausgangsstrom regeln. Schaltregler bieten auch die Möglichkeit, die Flussspannung der LED (bei weißen LEDs 2,5 V bis über 4 V) auch bei Betrieb an einer einzelnen Zelle (Akku, Primärzelle) zu erreichen (Hochsetzsteller).

Schaltregler haben Wirkungsgrade von oft über 90 % und vermeiden daher die Verluste der vorgenannten Lösungen auch bei hohen Spannungsdifferenzen fast vollständig. Die hohe Schaltfrequenz und die Konstanthaltung des Stroms sorgen dafür, dass so betriebene LEDs für das menschliche Auge dennoch weitestgehend flimmerfrei leuchten. Außerdem kann man mit dafür ausgelegter Elektronik den Betriebsstrom und damit die Helligkeit mittels Pulsweitenmodulation (PWM) steuern. Dafür gibt es auch spezielle integrierte Schaltungen.

Schaltregler haben den Nachteil, dass der grundlegende Aufbau aufwendiger ist und sie Störungen verursachen können, deren Unterdrückung weiteren Aufwand erfordert.

Der Betrieb einer LED an Netzspannung ist mit einem Gleichrichter und einem Vorschaltkondensator möglich. Die Summe der Flussspannungen der in Reihe geschalteten LEDs muss dabei deutlich geringer als die Netzspannung sein, um den Strom innerhalb der Netzspannungstoleranz ausreichend konstant zu halten. Diese oft in Leuchtmitteln angewendete Lösung erfordert zusätzlich einen Widerstand zur Strombegrenzung, der den Gleichrichter beziehungsweise die LED vor dem vom Vorschaltkondensator verursachten Einschaltstromstoß schützt und oft auch als Sicherung fungiert, sowie einen Siebkondensator, um das 100-Hz-Flimmern zu unterdrücken. Nahezu flimmerfreies Licht ist mit dieser Methode nur unter Verlusten und mit großem Siebkondensator zu erreichen. Dimmbarkeit mit Phasenanschnittdimmern ist nicht möglich. Die Stromaufnahme ist wegen der nichtlinearen LED-Kennlinie nicht sinusförmig.

Um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, haben einschlägige Firmen eine Vielzahl von LED-Treibern und Treiber-IC entwickelt, mit denen u. a. folgende Eigenschaften erreicht werden:[25]

• Konstante Helligkeit auch bei Netzspannungs- und Temperaturschwankungen
• Begrenzte Dimmbarkeit mit üblichen Phasenanschnitt- oder Phasenabschnitt-Dimmern, dabei flimmerfreies Licht
• Temperaturmanagement
• Sinusförmige Netzstromaufnahme durch Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC)

Viele Treiber bieten analoge oder digitale Schnittstellen zur Helligkeitssteuerung. Die Schaltungstopologien sind Sperrwandler, Tiefsetzsteller oder Resonanzwandler.

Je höher die Spannung der LED-Kette, desto geringer der Strom (bei gleicher Leistung), und desto kleiner und billiger kann der Spannungswandler gebaut werden. Um höhere Spannungen zu erreichen, werden statt eines einzigen blauen LED-Chips mehrere kleinere in ein Gehäuse eingesetzt und in Reihe geschaltet. Inzwischen (Stand 2020) gibt es weiße LEDs mit 36 V Brennspannung und entsprechend vielen Chips im gleichen Gehäuse.

Verbreitet sind LED-Leuchtfaden-Lampen mit Glaskolben, die optisch klassischen Glühlampen nachempfunden sind. Bei einer hinreichenden Anzahl von LED-Leuchtfäden in einem Glaskolben erreicht die in Summe benötigte Diodenspannung fast die Netzspannung, so dass zur Spannungsreduktion ein kleiner Vorschaltkondensator ausreicht.

LED müssen nicht nur vor einem als Überlast bezeichneten zu hohen Durchlassstrom geschützt werden, sondern auch vor Überspannung, einer zu hoher Sperrspannung. Viele Hersteller geben nur 3–5 V maximale Sperrspannung an, die bei Verpolung, Betrieb mit Wechselspannung oder insbesondere auch durch elektrostatische Aufladung überschritten werden kann. Daher sind für den Umgang mit LED als Halbleiterbauelement Vorkehrungen zum Schutz vor elektrostatischen Entladung (ESD) erforderlich. Als Betriebsmittel ist dieser Schutz häufig als antiparallele Diode integriert. Es kann sich dabei um eine baugleiche zweite LED handeln.

Zu Beleuchtungszwecken werden LED häufig als Elemente einer Linie angeordnet und durch einen gemeinsamen Treiber in Reihenschaltung betrieben. Wände und insbesondere Zierleisten dienen der Streuung zu einem Flächenlicht als Elemente indirekter Beleuchtung innerhalb der Lichttechnik. Als direktes Beleuchtungsmittel werden Panels aus in Zeilen und Spalten angereihten LED zur Straßenbeleuchtung ebenso wie zur Beleuchtung von Büroarbeitsplätzen eingesetzt.

Darüber hinaus werden sowohl Linien als auch Flächenanordnungen zur Informationsdarstellung und als dekorative Lichtelemente eingesetzt. Während zu Beleuchtungszwecken die Farbwiedergabe und Effizienz zur Erzeugung flimmerfrei weißen Lichtes relevant ist, folgt aus dem direkten Betrachten von Lichtquellen zur Informationsdarstellung eine Bewertung nach Farbraum, Auflösung, Größe und Effizienz der individuellen Ansteuerung einzelner Pixel, sowie der direkten Ansteuerung von L-, M- und S-Zapfen im menschlichen Auge. Zur Darstellung dieser Bildpunkte werden, auf die spektrale Hellempfindlichkeit der Zapfen optimierte, sogenannte RGB-LED verwendet. In LED-Wänden werden diese häufig über dezentrale Multiplexverfahren angesteuert zur Darstellung hoher Datenraten von Videosignalen, während insbesondere als Linienlichtelement mit geringer Datenrate die Information der darzustellenden Intensität für rot, grün und blau in jedes einzelne Pixel übertragen wird, eine Abschwächung dort individuell über Pulsweitenmodulation durch einen Integrierten Schaltkreis erfolgt.[26]

Über einen seriellen Datenbus können die gewünschten Helligkeitswerte vorgegeben werden, wobei aus der Verbindungsreihenfolge die Adressierung der Module folgt. In dieser, als Daisy Chain bezeichneten Anordnung liegt die zuletzt übertragene Information im ersten Pixel. Durch Übertragung einer weiteren Pixelinformation wird diese im ersten Pixel gespeichert, während dieses seine zuletzt gespeicherte und bis dahin angezeigte Information an das nächste Pixel weiterreicht.[27]