Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, kurz LED für Light Emitting Diode beziehungsweise lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung (als Infrarotdiode) oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge ab.

Funktionsprinzip

Der Halbleiter einer LED bildet eine Diode. Wenn eine Spannung in Durchlassrichtung anliegt, wandern Elektronen zur Rekombinationsschicht am p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln, sie rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern. Bei Silizium-Dioden erfolgt der Übergang strahlungslos durch Phononenanregung, indem das Gitter den Impuls der Teilchen aufnimmt. Der direkte Übergang bei Galliumarsenid (GaAs) geht mit der Aussendung eines Photons einher. Ein weiterer Ursprung der Photonen besteht in einer plasmonisch-polaronischen Wechselwirkung, die durch einen spinfreien Übergang direkt zur Emission eines Auger-Photoelektrons führt. Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen GaP-Leuchtdioden eine Rolle.

Bandstrukturen zweier Halbleiter (HL, schematisch) - links: direkter HL, rechts: indirekter HL

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt das Verhalten der Energieübertragung. Im Unterschied zum sehr vereinfachten Bändermodell ist in der Grafik auf der Abszisse (x-Achse) der Impuls k aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate. Rechts ist kein direkter Strahlungsübergang vom oberen Leitungsband auf das untere Valenzband möglich, da sich nicht nur die Energie, sondern auch der Impuls k verändert, im Gegensatz zum linken Beispiel (siehe auch Bandlücke).

Halbleitermaterialien mit direktem Übergang und Photonenwechselwirkung wie Gallium-Arsenid werden in der Literatur als direkte Halbleiter bezeichnet. Materialien mit indirektem Übergang wie Silizium werden als indirekte Halbleiter bezeichnet. Bei diesen tritt Phononenwechselwirkung auf, das ist eine Gitterschwingung, die zur Erwärmung des Halbleiters führt. Für LEDs kommen als Werkstoff nur direkte Halbleitermaterialien zur Anwendung.

Requiem für die Glühbirne!

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