Wie funktioniert eine LED-Lampe?

LEDs sind aktuell völlig zu Recht ein ganz heißes Thema, denn selbst gegenüber konventionellen Energiesparlampen bieten sie enormes Einsparpotential. Wer glaubt, dass diese Energieersparnis nur mit Hilfe hochkomplexer Technologien möglich ist, der irrt sich.

Wie funktioniert eine LED-Lampe?
Bild: Magnetic Mcc/shutterstock.com
Eigentlich ist das Funktionsprinzip hinter der „light-emitting diode“, kurz LED, ganz einfach. Wie aber funktioniert sie im Detail und wie können LEDs buntes Licht erzeugen?

Einfacher Aufbau, großer Effekt

Was wir der Einfachheit halber oft als LED-Leuchtmittel bezeichnen, ist eigentlich eine Ansammlung vieler kleiner Leuchtdioden, die ihrerseits das Licht erzeugen. Der Aufbau dieser Leuchtdioden ist dabei denkbar einfach, denn sie bestehen allesamt nur aus vier wesentlichen Bauteilen – darunter ein positiv geladener Leiterdraht (Anode), ein negativ geladener Leiterdraht (Kathode), ein sogenannter Bonddraht, der beide Pole verbindet sowie der eigentliche LED-Chip, der in einer Reflektorwanne sitzt. Letztere dient dazu, das erzeugte Licht so zu verteilen, dass bei guter Lichtausbeute ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Geschützt werden die filigranen Bauteile durch eine Kunststofflinse, die wie eine Hülle fungiert und die Einzelteile fixiert.

Ladungsunterschiede bringen die LED zum Leuchten

Das entscheidende Bauteil für die Lichterzeugung ist aber der LED-Chip. Dabei handelt es sich genau genommen um einen winzigen Halbleiterkristall aus zwei unterschiedlichen Materialien. Ein Halbleiter wiederum ist ein Festkörper, dessen elektrische Leitfähigkeit von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Temperatur abhängig ist. Ein Halbleiter kann also bei einer niedrigen Temperatur ein Nichtleiter sein, bei einer hohen Temperatur jedoch sogar ein sehr guter Leiter für elektrischen Strom werden. Zudem kann der Strom nur in einer Richtung durch den Halbleiter hindurchfließen.

Bei der LED kommen zwei unterschiedliche Halbleiter-Materialien zum Einsatz, die unterschiedlich dotiert sind. Während das eine Material (n-Schicht) einen Elektronenüberschuss hat und negativ geladen ist, hat das andere Material (p-Schicht) sogenannte „Elektronenlöcher“ und ist positiv geladen. Üblicherweise wird die unterschiedliche Ladungsverteilung durch die Beimischung anderer Atome wie z.B. Silizium erzeugt. Da beide Halbleiter-Materialien unmittelbar aneinander liegen, gleicht sich die Ladung aus, indem die überschüssigen Elektronen der n-Schicht sozusagen die Löcher in der p-Schicht auffüllen.

Spannend wird es im wahrsten Sinne des Wortes, sobald Spannung angelegt wird. Eine sehr geringe Spannung in Flussrichtung reicht nun aus, um die neutrale Ladung aufzuheben und einen Stromfluss zwischen der n-Schicht und der p-Schicht zu erzeugen. Während der Neukombination der Atome geben die Elektronen Energie ab. Diese Energie entweicht in Gestalt von Lichtblitzen durch die p-Schicht und wird durch den Reflektor optimal im Raum verteilt.

So tricksen moderne LEDs das menschliche Auge aus

Welche Farbe das abgestrahlte Licht hat, ist von der erzeugten Wellenlänge der Lichtstrahlung abhängig. Diese lässt sich durch den gezielten Einsatz bestimmter Halbleiter-Materialien und die Zugabe bestimmter Atome zur Dotierung gezielt steuern. Während Aliminuimgalliumarsenid beispielsweise zu rotem Licht führt, das bis in den Infrarotbereich hineinreicht, erzeugt Siliziumkarbid blaues Licht. Weißes Licht hingegen ist technisch gesehen schwieriger zu erzeugen, denn die Farbe Weiß kommt im natürlichen Farbspektrum gar nicht vor.

Bei mehrfarbigen LEDs müssen dazu alle Wellenlängen zugleich erzeugt werden, sodass sich rotes, grünes und blaues Licht überlagern und für das Auge weiß erscheinen. Bei Leuchtmitteln, die lediglich weißes Licht abgeben sollen, ist die Vorgehensweise anders. Grundlage ist hier ein Halbleiter-Material, das blaues Licht erzeugt. Der photolumineszierende Farbstoff Phosphor wandelt die blauen Lichtstrahlen schließlich in langwelliges Licht um, das unser Auge wiederum als weiß wahrnimmt. Da heute anstelle des teuren Saphirsubstrats auch das deutlich billigere Silizium als Halbleiter-Material genutzt werden kann, sind derartige LED-Leuchtmittel mittlerweile massentauglich.

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