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<title>Leuchtdioden / LED-OPT</title>
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<a href="./index.html#"><img src="./assets/icons/home.svg" alt=""></a>
<a href="./index.html#">LED<br>OPT</a>
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<ul>
<li><a href="./index.html#projektübersicht">Projektübersicht</a></li>
<li><a href="./leuchtdioden.html#">Leuchtdioden</a></li>
<li><a href="./datensätze.html#">Datensätze</a></li>
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<main data-namespace="leuchtdioden">
<div class="banner" id="projektübersicht">
<h1>Funktionsweise von Leuchtdioden</h1>
<p>
Im Rahmen der Optimierung soll das Verständnis der Funktionsweise von Leuchtdioden zur Auswahl von
Leuchtdioden
beitragen, im weiteren Verlauf aber auch dazu, Überlegungen zur Datenerfassung zu gestalten sowie die
späterhin
gemessenen Daten zu erläutern.
Alle LEDs sind Dioden, welche grundsätzlich Halbleiter sind. Daher wird im Folgenden darauf eingegangen,
wie Stromfluss
innerhalb von Halbleitern zustande kommt, Dioden aufgebaut sind und Licht verschiedener Wellenlängen
bzw. Farben in
Leuchtdioden entsteht.
</p>
</div>
<div class="container">
<aside class="content">
<div class="table-of-contents">
<a href="./leuchtdioden.html#" class="top">UP</a>
<h4>Content</h4>
<ul>
<li><a href="#halbleiter-und-leitungsarten">Halb­leiter und
Leitungs­arten</a></li>
<li><a href="#dotierung-und-leuchtdioden">Dotierung und Leucht­dioden</a></li>
<li><a href="#kriterien-leuchtdioden">Kri­te­rien zur Aus­wahl von
Leucht­dioden</a></li>
</ul>
<a data-collapsed="false" class="toggle">🢘 IN</a>
</div>
</aside>
<article>
<section id="halbleiter-und-leitungsarten">
<h2>Halbleiter und Leitungsarten</h2>
<p>Stromfluss entsteht durch die Bewegung freier Elektronen. Innerhalb eines Materials können sie
sich aus den Umlaufbahnen
ihrer Valenzschalen lösen. Sind die äußeren Elektronenschalen jedoch nicht vollständig besetzt,
können anliegende Atome
Bindungen eingehen, um die Edelgasregel zu erfüllen, indem sie sich ein gemeinsames
Valenzelektron
teilen. Diese Elektronenbrücke erschwert die Loslösung einzelner Elektronen, weshalb die
Leitfähigkeit materialabhängig ist. Ein Atom geht über die Brücken Bindungen zu je vier weiteren
Atomen ein. Da jeweils
ein Elektron beider Atome an der Elektronenpaarbindung beteiligt ist, muss das Element, aus dem
das Halbleitermaterial
besteht, mindestens vier-wertig sein. Im Gegensatz zur Leitern oder Isolatoren, bei denen nahezu
alle, bzw. gar keine Elektronen frei sind, befinden sich in Halbleitern nahezu alle Elektronen
in Valenzschalen. Sie
können sich bei Halbleitermaterialien selten loslösen, wodurch ein relativ geringer Stromfluss
entsteht.
</p>
<figure data-isFloating="true">
<div class="img-container">
<img src="./assets/leuchtdioden/Leitungsarten.png" alt="Leitungsarten"
data-imgSrc="https://media.springernature.com/lw785/springer-static/image/chp%3A10.1007%2F978-3-662-49355-7_9/MediaObjects/47441_12_De_9_Fig40_HTML.gif (Stand: 15.03.2020)">
</div>
<figcaption>Leitungsarten</figcaption>
</figure>
<p>Nach dem Bändermodell beschreiben Bänder Energieniveaus von Elektronen auf ihren
Umlaufbahnen
um
ein Atom. Im Valenzband
befinden sich Elektronen in der Umlaufbahn der vollbesetzten Valenzschale. Dies ist der
energieärmste Zustand, aus dem
sich die Elektronen schwer lösen. Beim Wechsel auf eine höhere Umlaufbahn, dem
Leitungsband,
verlassen sie das Valenzband. Es erfolgt die Generation eines freien Ladungsträgers, der
sich
relativ unbehindert
bewegen kann. Möglich ist die Bewegungsfreiheit, da im Leitungsband nur sehr wenige
Elektronen
aufgrund der beschränkten
Leitfähigkeit von Halbleitern fließen. Der Stromfluss durch Generation heißt
Elektronenleitung.
Daran schließt Winzker an, dass bei der Loslösung eines Elektrons gleichzeitig eine
“Lücke”
in
der Valenzschale
entsteht, ein sogenanntes Loch. In dieses “schlüpft” ein anderes Elektron, ohne seine
Valenzschale zu verlassen. Es wird
nämlich keine weitere Energie benötigt, wenn eine gleichwertige Bindung eingegangen
wird,
weshalb es sich bei dem
füllenden Elektron um eines desselben Atoms handelt. Analog heißt das Füllen von Löchern
Rekombination von
Ladungsträgern. Infolge der zuvor beschriebenen Atombindungen entsteht eine Art
Kettenreaktion
von Rekombinationen, wie
Winzker sie beschreibt. Diese verläuft durch die kovalenten Bindungen von Atom zu Atom.
Da
Atome
im Grundzustand
elektrisch neutral sind, bleiben positiv geladene Atome nach der Generation zurück.
Obwohl
sich
bei den Kettenreaktionen
lediglich Elektronen bewegen, wird anschaulich die Bewegung eines Loches als die eines
fiktiven,
positiven
Ladungsträgers, auch Löcherleitung genannt, beschrieben.
</p>
<p>Die Vorgänge beider Leitungsarten, bzw. die der Generation und Rekombination, sowie das
Bändermodell sind in der nebenstehenden
Abbildung zum besseren Verständnis dargestellt. Sie sind die Ursache des Stromflusses
bei
Halbleitern und somit auch
aller Leuchtdioden. Insgesamt herrscht im Halbleiter ein Gleichgewicht zwischen
Elektronen-
und
Löcherleitung, womit die
Gesamtzahl aller freien Ladungsträger, und infolgedessen der Stromfluss, konstant
bleiben.
Vereinfacht lässt sich unter Vernachlässigung der Selbstinduktion
annehmen, dass das
emittierte Licht einer Leuchtdiode proportional zum Stromfluss ist.
</p>
</section>
<section id="dotierung-und-leuchtdioden">
<h2>Dotierung und Leuchtdioden</h2>
<figure data-isFloating="true">
<div class="img-container">
<img src="./assets/leuchtdioden/Elektrisches Feld einer Diode.png"
alt="Elektrisches Feld einer Diode"
data-imgSrc="https://youtu.be/Q9LrPK5W8I0?t=660 (Stand: 20.03.2020)">
</div>
<figcaption>Leitungsarten</figcaption>
</figure>
<p>
Im Gegensatz zur Eigenleitung eines reinen Halbleiters, entsteht durch das Einfügen von
Fremdatomen eine Störleitung bei
Dioden. Dabei werden drei- oder fünf-wertige Atome verwendet, sodass je ein Elektron zu wenig,
bzw. zu viel für eine
Elektronenpaarbindung vorhanden sind. Für Brücken ungenutzte Elektronen lösen sich mit
Leichtigkeit und erzeugen eine Elektronenleitung. Drei-wertige Atome werden aufgrund der Abgabe
freier Elektronen
Donatoren genannt. Entsprechend entsteht eine Löcherleitung durch das Defektelektron. Da die
fünf-wertigen Atome bei der
Rekombination Elektronen aufnehmen, heißen sie Akzeptoren.
Dioden sind Halbleiterbauelemente mit zwei unterschiedlich dotierten Bereichen. Der n-Leiter
verfügt über zusätzliche
negative Ladung durch Donatoren, weshalb er auch Überschusshalbleiter genannt wird. Der Bereich
des p-Leiters verfügt
über einen Elektronenunterschuss durch die Akzeptoren, weshalb er auch Mangelhalbleiter heißt.
Aufgrund der Ladungsträgerdiffusion bewegen sich Elektronen zum Mangelhalbleiter, wo sie
rekombinieren. Im Normalzustand
sind Atome elektrisch neutral. Lösen sich Elektronen von ihren ursprünglichen Atomen oder gehen
sie Bindungen mit dem
Mangelhalbleitermaterial ein, entstehen infolgedessen positive, bzw. negative Ionen. Die
Ladungstrennung erzeugt ein elektrisches Feld, das der Driftkraft entgegenwirkt, bis ein
Kräftegleichgewicht herrscht
und die Sperrschicht aufhört zu wachsen. Die untere Abbildung zeigt das Verhalten von Ionen
(in Kästchen) und freien Ladungsträgern (in Kreisen).
</p>
<figure data-isFloating="true">
<div class="img-container">
<img src="./assets/leuchtdioden/Verhalten einer Diode in Sperrichtung.png"
alt="Verhalten einer Diode in Sperrichtung"
data-imgSrc="https://youtu.be/Q9LrPK5W8I0?t=715 (Stand: 20.03.2020)">
</div>
<figcaption>Verhalten einer Diode in Sperrichtung</figcaption>
</figure>
<p>
Wird eine äußere Spannung mit dem Minuspol an der p-Schicht und dem Pluspol an der n-Schicht
angelegt, bewegen sich die
Elektronen aus dem Überschusshalbleiter heraus und zum Mangelhalbleiter hin, wo sie
rekombinieren und sich die Schicht
vergrößert.
Das elektrische Feld wird dadurch verstärkt, weshalb in Sperrrichtung kein
Strom fließt, solange die
Spannung unter der Durchbruchspannung einer Diode liegt. Bei umgekehrter Polung wirkt die
Spannung dem elektrischen Feld entgegen. Der Strom durch den pn-Übergang, also durch die Diode,
ist ein Diffusionsstrom. Das innere elektrische Feld hindert ihn eigentlich am fließen, aber
wenn das Feld zu klein
ist, gelingt das nicht mehr. In diesem Moment ist die Schwellspannung erreicht, wonach die
Sperrschicht
abgebaut ist. Das Verhalten einer jeweiligen Diode lässt sich in Abhängigkeit von
Außentemperatur und Halbleitermaterial
durch eine Kennlinie beschreiben. Sie zeigen auch für die hier genutzten LEDs, ab welcher
Spannung sie zu leuchten beginnen und welche Stromstärke sie dabei haben.
</p>
</section>
<section id="kriterien-leuchtdioden">
<h2>Kriterien zur Auswahl von Leuchtdioden</h2>
<figure data-isFloating="true">
<div class="img-container">
<img src="./assets/leuchtdioden/Electromagnetic_spectrum_-de_c.svg"
alt="Elektromagnetisches Spektrum"
data-imgSrc="https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisches_Spektrum#/media/Datei:Electromagnetic_spectrum_-de_c.svg (Stand: 15.03.2020)">
</div>
<figcaption>Elektromagnetisches Spektrum</figcaption>
</figure>
<p>
Nachdem die Funktionsweisen von Halbleitermaterialien und Dioden erklärt wurden, ist es möglich,
die Erkenntnisse zur
Auswahl von LEDs anzuwenden. Da ein schneller Wechsel der Lichtwerte bei Bitwechseln gefordert
ist, wird angenommen,
dass die Sperrschichten der Dioden möglichst schnell auf- und wieder abbaubar sein sollten. Dies
wäre bei möglichst
kleinen Grenzschichten der Fall, die demzufolge bei bereits kleinen Spannungen abgebaut werden
würden. Die Kennlinie
einer LED offenbart, dass aufgrund geringer Durchlassspannungen auch geringere Ströme fließen.
Folglich ist alleinig
eine sehr helle Leuchtdiode auszuwählen, entgegen der anfänglichen Hypothese, nicht zwingend
vorteilhaft.
</p>
<p>
Des Weiteren wurden Leuchtdioden mit Wellenlängen ausgewählt, die über das sichtbare
Lichtspektrum weit verteilt sind.
Ihre Farben sind blau (<span class="code">ƛ = 465 nm</span>), grün (<span class="code">ƛ = 570
nm</span>) und rot (<span class="code">ƛ = 625 nm</span>). Um unnötig viele
Parameter zu vermeiden,
sind diese alle der Marke “Tru Components” (TC) und haben ähnliche Schwellspannungen und
Durchlassströme. Sie
besitzen weiterhin die gleichen Abstrahlwinkel und klare Schirme, um ihre Helligkeit voll
ausschöpfen zu können.
</p>
</section>
</article>
</div>
</main>
<footer>
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<a href="./">LED<br>OPT</a>
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<h3><a href="./leuchtdioden.html#">Leuchtdioden</a></h3>
<ul>
<li><a href="./leuchtdioden.html#halbleiter-und-leitungsarten">Halb­lei­ter und
Lei­tungs­ar­ten</a></li>
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</html>