Von 0 auf LED in 1 Seite - oder: Eine LED von Anfang an einfach erklärt

Der Grundbaustein einer jeden LED - der Halbleiter

Jede LED ist aus einem sogenannten Halbleiter aufgebaut. Dieses Grundmaterial bestimmt über die Effizienz, Farbe und Größe dieses Leuchtmittels. Da ich euch ja versprochen habe, wirklich bei 0 anzufangen, werde ich also zuerst erklären müssen, wie diese Halbleiter selbst funktionieren, um später den verständlichen Übergang zur eigentlichen Leuchtdiode zu schaffen.

Wir alle kennen ja die Begriffe "Metalle", "Isolatoren" und eventuell haben wir auch schonmal das Wort "Halbleiter" gehört. Einfach erklärt: Metalle leiten den Strom sehr gut, Isolatoren garnicht und Halbleiter - naja, wie der Name schon sagt - irgendwo dazwischen. Doch nun gehen wir ein bisschen mehr ins Detail.
Jedes Material ist ja irgendwie aus irgendwelchen Atomen aufgebaut. Betrachten wir als erstes ein einzelnes Atom: Der Atomkern ist von einer bestimmten Anzahl von Elektronen umgeben.
Diese können sich nur auf diskreten Bahnen bewegen - wir sprechen von Orbitalen. Der Aufenthalt zwischen den einzelnen Orbitalen ist verboten (warum genau, sollte uns an dieser Stelle nicht interessieren, da dies zuweit ins Detail gehen würde). Betrachten wir nun mehrere Atome, die weit voneinander entfernt sind, ändert sich die Situation für jedes einzelne Atom noch nicht (Bild links).
Erst bei geringeren Atomabständen fangen die Elektronenbahnen sich zu berühren beziehungsweise sich zu überschneiden (Bild rechts). Tritt dies ein, so können wir für die Elektronen in den höheren Orbitalen nicht mehr genau sagen, welchem Atom sie angehören - sie können sich also quasi frei zwischen den Atomen bewegen. Dadurch, dass sich die zuvorigen Orbitalen nun eher wie Bänder durch den Kristall ziehen, spricht man auch in einem Kristall von Energiebändern.
Anhand dieses Modells lässt sich auch leicht den Unterschied zwischen Metall, Halbleiter und Isolator erklären:

• Metall: Das energetisch oberste Band, wo sich noch Elektronen aufhalten (Valenzband), ist nicht komplett aufgefüllt - die Elektronen engen sich somit nicht komplett ein und können sich frei im Kristall frei bewegen. Die elektrische Leitfähigkeit bei Metallen ist somit sehr hoch.
• Halbleiter: Das oberste Band, wo sich noch Elektronen zu finden sind, ist komplett gefüllt. Man kann sich diese Situation mit einem komplett mit Menschen gefüllten Raum vorstellen. Öffnet man eine Tür, so passiert erstmal garnichts, da sich keiner richtig bewegen kann. Im Fall des Halbleiters ist im idealen Fall die Leitfähigkeit des Materials null. Die Energielücke zu einem höheren Band ist jedoch so gering, dass allein durch die Energie der Wärme des Körpers ein Ladungsträger in das nächst höhere Level (Leitungsband) springen kann. Sprich: Bei Temperatur um den absoluten Nullpunk (-273 °C) ist ein Halbleiter ein Isolator. Je höher die Temperatur, umso besser leitet ein Halbleiter. 
• Isolator: Ähnliche Situation wie in einem Halbleiter, nur die Lücke zu dem nächst höheren Band ist so groß, dass die alleinige Umgebungstemperatur nicht ausreicht, genügend Elektronen im Leitungsband für einen Ladungstransport zur Verfügung zu stellen

Halbleiter in ihren Eigenschaften verbessern

Wir haben gelernt, dass die Leitfähigkeit eines Halbleiters mit höherer Temperatur besser wird. Um später eine LED nicht einfach heizen zu müssen um eine bessere Leitfähigkeit zu erhalten, muss man einen Ausweg finden.
Aufmerksame Leser würden jetzt denken - warum nimmt man nicht einfach von Anfang an ein Metall?! Unser bisheriges Wissen reicht leider noch nicht ganz aus, um diesen Umstand zu erklären. Daher fürs erste nur eine kurze Erklärung: Die verhältnismäßig große Energielücke zwischen den beiden oberen Energiebändern (Valenz- und Leitungsband) brauchen wir um später überhaupt Licht im Kristall erzeugen zu können.

Wie können wir nun die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöhen? Die Idee ist, fremde Atome einer anderen Art in den Kristall zu bringen, die die für die Leitung nötigen Elektronen zur Verfügung stellen. Man spricht von Dotierung.
Nehmen wir als Beispiel den Halbleiter Silicium und wählen als Dotierstoff Phosphor. Er hat ein Elektron mehr als Silicium (Bild links). Baut man ihn in den Siliciumkristall ein, so lässt sich das Elektron, das "zuviel" ist, leicht vom Ursprungsatom lösen und es kann sich somit frei im Kristall bewegen. Je höher die Dotierdichte, umso höher die Leitfähigkeit des Halbleiters. Mit einer hohen Leitfähigkeit geht man jedoch die Gefahr ein, eine schlechte Kristallqualität aufgrund der vielen Fremdatome zu erhalten. Somit erhält man eine Höchstgrenze für die Leitfähigkeit, bis zu der es sinnvoll ist zu dotieren.

Jetzt lassen wir es zum ersten mal leuchten

Wir haben gelernt, was ein Halbleiter genau ist und wie wir ihn einfach mit Fremdatomen "tunen" können. Jetzt wollen wir uns endlich mal anschauen, wie wir aus dem Material selbst überhaupt Licht rausbekommen.

Wir erinnern uns an die Energielücke zwischen dem Valenz- und Leitungsband. Schaffen wir es, egal wie, ein Elektron aus dem Valenz- in das Leitungsband zu heben, so entsteht unten eine Lücke (Bild links b) und c)). Da durch das fehlende Elektron sich die restlichen wieder leicht bewegen können, kann also sowohl das Valenz- als auch das Leitungsband zur elektrischen Leitung beitragen. Physiker machen es sich durch Gedankenmodelle immer so einfach wie möglich: Man spricht nicht von einem fehlenden Elektron sondern wir erfinden ein neues Quasiteilchen namens Loch.
Genug der Theorie - jetzt wirds (im wahrsten Sinne des Wortes) einleuchtend... Wenn nun das Elektron von seinem hohen Energieniveau zurück an seinen alten Platz fällt, muss die überschüssige Energie irgendwo hin und dies geschieht in Form eines Photons, was ausgesendet wird (Bild oben d)). Das einzelne Photon hat genau die Energie, die die Bandlücke vorher hatte. Bei diesem Vorgang spricht man von einer strahlenden Elektron-Loch-Rekombination. Wir haben es also geschafft, unseren Halbleiter zum Strahlen zu bekommen. Man kann durch die Wahl eines geeigneten Halbleitermaterials die Bandlücke "einstellen" und somit auch die Farbe, die die LED später erzeugen soll.
Das Hauptproblem ist jetzt nur noch, wie wir die Elektronen überhaupt hochheben können damit sie später beim Rekombinieren fröhlich Licht aussenden können. Um dies genauer zu erklären, muss ich ein wenig ausholen.

Es kommt Spannung auf - Strom fließt durch unseren Halbleiter

Wir haben bisher schon einige sehr wichtige Punkte abhaken können: Wir haben die Idee des Dotierens verstanden und erfahren, was der Physiker unter einem Loch versteht. Nun möchte ich beides nochmal aufgreifen um einen Schritt weiterzudenken. Wenn wir die Leitfähigkeit durch die einzelnen Elektronen der Dotieratome erhöhen können, so müsste es ja auch möglich sein, einfach so zu dotieren, dass man Löcher durch den Kristall wandern lassen kann. Ja genau, sehr gute Idee! Und genau das geht so: Wir bringen wieder ein Fremdatom in unseren (zB. Silicium-) Kristall. Diesmal aber mit einer Atomsorte, die ein Elektron WENIGER hat. Im Fall von Silicium wäre es zB. Aluminium (Bild rechts). Jetzt hat dieses eine Atom, wie bereits erwähnt, ein Elektron weniger als die anderen Si-Atome - also, wir sind ja schon fast Physiker - wir haben ein Loch, was sich wieder leicht von seinem Ursprungsatom lösen lässt und sich im Kristall frei bewegen kann. Jaja, ich weiß, das klingt jetzt echt freakig - aber wollt ihr lieber mit 14 Elektronen rechnen, wobei bei Aluminium eins fehlt? Nee, wir sagen, es gibt einfach nen Loch, basta! :)

Um nun die beiden Dotier-Arten von einander zu unterscheiden, muss man sich was einfaches einfallen lassen: man spricht von n- bzw. p-Dotierung: n = negativ = Elektron, p = positiv = Loch. Da die letzten Sätze wohl ein bisschen zu verwirrend waren, hier nochmal eine kurze Zusammenfassung für den Fall, dass wir Silicium als Halbleiter haben:

• n-Dotierung: Wir fügen in den Kristall ein Phosphor-Atom hinzu, welches ein Elektron mehr hat als Silicium. Dieses können wir leicht vom Atom lösen und es zur elektrischen Leitung hernehmen. Da Elektronen negativ sind, ist es auch eine n (egative) - Dotierung.
• p-Dotierung: Wir nehmen ein Aluminium-Atom zur Dotierung, welches ein Elektron weniger als Silicium hat. Also haben wir durch die Fehlstelle ein Loch, welches ebenfalls als freier Ladungsträger zur Verfügung steht.

Mit den zwei unterschiedlichen Dotierungen haben wir einen riesen Schritt Richtung funktionierender LED machen können. Wieso? Einfach weiterlesen, jetzt kommt die Antwort...

Wir nehmen ein Stück Halbleiter mit p- und ein Stück mit n-Dotierung. Zuerst sehr langweilig, bis wir die beiden Stückchen aneinanderhalten (Bild rechts): Löcher (rot) und Elektronen (blau) wollen sich in beiden Teilen schön gleichmäßig verteilen (man spricht von Diffusion). Da jetzt aber Löcher aus dem p-Gebiet und Elektronen aus dem n-Gebiet wandern, treffen die sich in der Mitte und rekombieren (also verschmelzen) wieder. Jetzt haben wir an der Grenzschicht (grau) die nackten Aluminium- bzw. Phosphor-Atome, denen ja jeweils ein Loch bzw. Elektron fehlt - es entsteht ein elektrisches Feld an der Grenzschicht, die verhindert, dass noch mehr Elektronen bzw. Löcher durch die Gegend wandern. Dieses Gebilde nennen wir p-n-Übergang.

Bisher haben wir an diesen mysteriösen p-n-Übergang noch keine Spannung oder ähnlich von außen angelegt. Tun wir das, so drücken wir quasi noch mehr Elektronen bzw. Löcher in die einzelnen Gebiete und es sind dann soviele da, dass sich immer wieder Elektronen und Löcher in der Mitte treffen und rekombinieren können. Wie wir bereits gelernt haben, bedeutet Rekombination (also das Verschmelzen von einem Elektron mit einem Loch) Licht, da ja das Elektron vom Leitungs- runter in das Valenzband hüpft und diese Energie muss ja irgendwo hin. Diese Prozedur geht eben solange, bis uns der Saft ausgeht, sprich wir den Strom von außen wieder unterbrechen.

Tahdahhh - unsere LED leuchtet!

Und was ist jetzt so toll da dran?

Endlich haben wir es (hoffentlich) geschafft, zu verstehen, wie eine LED prinzipiell funktioniert. Doch nun stellt sich die Frage, warum sie so effizient sein soll. Wir haben gesehen, dass die Rekombination eines Elektrons mit einem Loch (also der Runterhüpfen eines Elektrons) Energie frei gibt und die muss ja irgendwo hin - also wird ein Photon abgestrahlt. Nicht mehr aber auch nicht weniger - dh. im Idealfall wird die komplette überschüssige Energie in Form von Licht und nicht als Wärme abgegeben. Eine ideale LED sollte also nicht warm werden. Durch einige Effekte, die ich hier nicht weiter erläutern möchte, ist es zur Zeit noch nicht möglich wirklich 100% der Energie in Licht umzuwandeln, aber dennoch viel effizienter als es in einer Glühbirne geschieht.

Also kann man doch abschließend sagen: LED - alles super! Oder doch nicht? Natürlich weist sogar die LED ein paar (wenn auch kleine) Nachteile auf:

• Das Licht wird nur in einem extrem kleinen Punkt erzeugt. Rein rechnerisch würde eine sehr moderne LED ausreichen um einen Raum zu beleuchten. Wer will aber einen einzelnen extrem hellen Punkt, bei dem man fast blind wird, wenn man ihn ansieht, an der Decke haben? Man versucht durch viele kleine LEDs, die man besser verteilen kann, ein homogeneres Licht im Raum zu verteilen.
• Der Vorteil einer LED (die Energieeffizienz) ist zB. bei Straßenlaternen auch ein gewisser Nachteil: Die modernen Leuchten erzeugen kaum Wärme - was aber, wenn im Winter die Scheibe zueist? Die bisherigen Leuchtmittel haben sich quasi selber die Scheibe eisfrei gehalten. In modernen Außenbeleuchtungen sollte deshalb eine Heizung mit eingebaut werden.
• Die weißen LEDs, die man aus Taschenlampen etc kennt, sind oft blaue LEDs, deren Linsen mit einer schwefelartigen Schicht überzogen sind (deshalb sehen weiße LEDs auch gelb aus, wenn sie nicht leuchten). Das Schwefel wandelt blaues in gelbes Licht um. Ein Teil des blauen Lichts kann jedoch diese Schicht passieren: blau und gelb ergibt für das menschliche Auge weiß. Je höher der Blauanteil umso "kühler" ist das Licht. Um ein "perfekteres" Weiß zu erzeugen, sollte man rot, grün und blau mischen, jedoch erreicht man bei grünen LEDs noch nicht die gleiche Leuchtstärke wie zB. bei blau. 

Trotz der (ehrlich gesagt auch recht kleinen) Nachteile, können wir uns auf ein paar spannende Jahre in der LED-Entwicklung freuen!

Nachwort

Ich hoffe, ich habe euch mit diesem Artikel ein kleinwenig die Technik, die hinter einer LED steckt, näher bringen können. Natürlich habe ich mich an der ein oder anderen Stelle physikalisch nicht ganz korrekt ausgedrückt oder habe euch ein paar wichtige Punkte (die aber meines Erachtens nicht dem eigentlichen Verständnis weiterhelfen) unterschlagen, aber eine ausführlichere Erklärung hätte den Rahmen komplett gesprengt.
Ich möchte euch bitten nicht mit Kritik zu geizen und hoffe, dass ich durch viele Anregungen diesen Artikel mit der Zeit weiterentwickeln kann oder sogar Ideen für weitere Themen aus der Physik o.ä. bekomme.