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Leuchtdiode (LED), emittierend Licht bei elektrischer Ladung, die Elektrolumineszenz erzeugt
Apr 21, 2017

Leuchtdiode

Leuchtdiode
RBG-LED.jpg Blaue, grüne und rote LEDs in 5 mm diffusem Gehäuse
Arbeitsprinzip Elektrolumineszenz
Erfunden H._J._Round (1907) [1]
Oleg Losev (1927) [2]
James R. Biard (1961) [3]
Nick Holonyak (1962) [4]
Erste Produktion Oktober 1962
Pin-Konfiguration Anode und Kathode
Elektronisches Symbol
LED-Symbol.svg


Teile einer herkömmlichen LED. Die flachen Bodenflächen des Ambosses und des Pfostens, die innerhalb des Epoxids eingebettet sind, wirken als Anker, um zu verhindern, dass die Leiter durch mechanische Beanspruchung oder Vibration kraftvoll herausgezogen werden.











Moderne LED-Nachrüstung mit E27-Schraube im Sockel


Eine birnenförmige moderne Retrofit- LED-Lampe mit Aluminium- Kühlkörper , eine Lichtstreuungskuppel und E27-Schraubensockel , mit einer eingebauten Stromversorgung, die an der Netzspannung arbeitet




Schließen Sie das Bild einer Oberflächenmontage-LED





Eine Leuchtdiode ( LED ) ist eine Zweidraht- Halbleiter- Lichtquelle . Es handelt sich um eine p-n-Übergangsdiode , die bei Aktivierung Licht emittiert. [5] Wenn eine geeignete Spannung an die Leitungen angelegt wird, können Elektronen mit Elektronenlöchern innerhalb der Vorrichtung rekombinieren, wodurch Energie in Form von Photonen freigesetzt wird. Dieser Effekt wird als Elektrolumineszenz bezeichnet , und die Farbe des Lichts (entsprechend der Energie des Photons) wird durch die Energiebandlücke des Halbleiters bestimmt. LEDs sind typischerweise klein (weniger als 1 mm 2 ) und integrierte optische Komponenten können verwendet werden, um das Strahlungsmuster zu formen. [6]

Als praktische elektronische Bauteile im Jahre 1962 erschienen [7] die frühesten LEDs emittierte Infrarotlicht mit geringer Intensität. Infrarot-LEDs werden immer noch häufig als Sendeelemente in Fernsteuerschaltungen verwendet, wie z. B. in Fernbedienungen für eine Vielzahl von Unterhaltungselektronik. Die ersten LEDs des sichtbaren Lichts waren ebenfalls von geringer Intensität und auf Rot beschränkt. Moderne LEDs sind über die sichtbaren , ultravioletten und infraroten Wellenlängen mit sehr hoher Helligkeit verfügbar.

Frühe LEDs wurden oft als Indikatorlampen für elektronische Geräte verwendet und ersetzten kleine Glühlampen. Sie wurden bald in numerische Auslesungen in Form von sieben-Segment-Displays verpackt und wurden häufig in Digitaluhren gesehen. Die jüngsten Entwicklungen bei LEDs erlauben es ihnen, in der Umwelt- und Aufgabenbeleuchtung eingesetzt zu werden. LEDs haben neue Displays und Sensoren entwickelt, während ihre hohen Schaltraten auch in der fortschrittlichen Kommunikationstechnik eingesetzt werden.

LEDs haben viele Vorteile gegenüber Glühlampen, darunter geringerer Energieverbrauch, längere Lebensdauer, verbesserte physikalische Robustheit, kleinere Größe und schnellere Umschaltung. Leuchtdioden werden nun in Anwendungen eingesetzt, die so vielfältig sind wie Luftfahrt-Beleuchtung , Automobil-Scheinwerfer , Werbung, allgemeine Beleuchtung , Verkehrssignale , Kamerablitze und beleuchtete Tapeten. Ab 2017, LED leuchtet Wohnraum Beleuchtung sind so billig oder billiger als kompakte Leuchtstofflampe Quellen von vergleichbaren Leistung. [8] Sie sind auch wesentlich energieeffizienter und haben wohl weniger Umweltbelange mit ihrer Entsorgung verbunden. [9] [10]


Inhalt

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Geschichte [ bearbeiten ]

Entdeckungen und frühe Geräte [ bearbeiten ]

Grüne Elektrolumineszenz von einem Punktkontakt auf einem Kristall von SiC schafft das ursprüngliche Experiment von rund 1907.

Elektrolumineszenz als Phänomen wurde im Jahre 1907 von dem britischen Experimentator HJ Round of Marconi Labs entdeckt , mit einem Kristall aus Siliciumcarbid und einem Katzen-Whisker-Detektor . [11] [12] Der russische Erfinder Oleg Losev berichtete über die Schaffung der ersten LED im Jahr 1927. [13] Seine Forschung wurde in sowjetischen, deutschen und britischen wissenschaftlichen Zeitschriften verteilt, aber seit Jahrzehnten wurde die Entdeckung nicht praktisch angewendet. [14] [15] Kurt Lehovec , Carl Accardo und Edward Jamgochian erklärten diese ersten Leuchtdioden 1951 mit einer Apparatur, die SiC- Kristalle mit einer Stromquelle für Batterie oder Pulsgenerator und mit einem Vergleich zu einer Variante, reinem Kristall, einsetzt Im Jahre 1953. [16] [17]

Rubin Braunstein [18] der Radio Corporation of America berichtete über die Infrarotstrahlung von Galliumarsenid (GaAs) und anderen Halbleiterlegierungen im Jahre 1955. [19] Braunstein beobachtete die Infrarotstrahlung, die durch einfache Diodenstrukturen mit Galliumantimonid (GaSb), GaAs, Indium erzeugt wurde Phosphid (InP) und Silicium-Germanium (SiGe) -Legierungen bei Raumtemperatur und bei 77 Kelvin.

Im Jahr 1957 zeigte Braunstein weiter, dass die rudimentären Geräte für die Nicht-Funk-Kommunikation über eine kurze Strecke genutzt werden könnten. Wie schon erwähnt von Kroemer [20] Braunstein "... hatte eine einfache optische Kommunikationsverbindung aufgebaut: Musik, die von einem Plattenspieler auftauchte, wurde über eine geeignete Elektronik verwendet, um den Vorwärtsstrom einer GaAs-Diode zu modulieren. Das emittierte Licht wurde von einer PbS-Diode etwas erkannt Dieser Signal wurde in einen Audio-Verstärker eingespeist und von einem Lautsprecher abgespielt, der Ablenkung des Strahls stoppte die Musik und wir hatten viel Spaß beim Spielen. " Diese Einstellung hat den Einsatz von LEDs für optische Kommunikationsanwendungen vorgestellt.

Eine Texas Instruments SNX-100 GaAs LED in einem TO-18 Transistor Metallgehäuse enthalten.

Im September 1961 entdeckten James R. Biard und Gary Pittman bei Texas Instruments in Dallas , Texas , eine nahezu infrarote (900 nm) Lichtemission aus einer Tunneldiode, die sie auf einem GaAs-Substrat aufgebaut hatten. [7] Im Oktober 1961 zeigten sie eine effiziente Lichtemission und Signalkopplung zwischen einem GaAs-pn-Übergangs-Lichtemitter und einem elektrisch isolierten Halbleiter-Photodetektor. [ 8 ] Am 8. August 1962 legten Biard und Pittman ein Patent mit dem Titel "Semiconductor Radiant Diode" auf der Grundlage ihrer Ergebnisse, die eine Zink-diffundierte p-n-Übergangs- LED mit einem beabstandeten Kathodenkontakt beschrieben , um eine effiziente Emission von Infrarotlicht unter zu ermöglichen Vorwärts-Vorspannung . Nach der Festlegung der Priorität ihrer Arbeit auf der Grundlage von Ingenieur-Notebooks Vorhersage Einreichungen von GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs und Lincoln Lab am MIT , das US-Patentamt erteilt die beiden Erfinder das Patent für die GaAs Infrarot (IR ) Licht emittierende Diode (US-Patent US3293513 ), die erste praktische LED. [7] Sofort nach der Einreichung des Patents begann Texas Instruments (TI) ein Projekt zur Herstellung von Infrarotdioden. Im Oktober 1962 kündigte TI das erste kommerzielle LED-Produkt (SNX-100) an, das einen reinen GaAs-Kristall einsetzte, um eine 890 nm Lichtleistung zu emittieren. [7] Im Oktober 1963 kündigte TI die erste kommerzielle halbkugelförmige LED an, den SNX-110. [22]

Die erste sichtbare Spektrum (rot) LED wurde 1962 von Nick Holonyak, Jr. bei der Arbeit bei General Electric entwickelt . Holonyak berichtete zuerst seine LED in der Zeitschrift Applied Physics Letters am 1. Dezember 1962. [23] [24] M. George Craford , [25] ein ehemaliger Student von Holonyak, erfand die erste gelbe LED und verbesserte die Helligkeit von Rot und Rot-orange LEDs um einen Faktor von zehn im Jahr 1972. [26] Im Jahr 1976 schuf TP Pearsall die ersten hochhelligen, hocheffizienten LEDs für die Lichtwellenleiter-Telekommunikation, indem sie neue Halbleitermaterialien erarbeiteten, die speziell auf Lichtwellenlängen der optischen Faser angepasst wurden. [27]

Initiale kommerzielle Entwicklung [ bearbeiten ]

Die ersten kommerziellen LEDs wurden üblicherweise als Ersatz für Glühlampen und Neon- Indikatorlampen verwendet, und in sieben Segment-Displays [28] zuerst in teuren Geräten wie Labor- und Elektronik-Testgeräten, dann später in solchen Geräten wie Fernsehgeräten, Radios, Telefonen, Rechner, sowie Uhren (siehe Liste der Signalverwendungen ). Bis 1968 waren sichtbare und infrarote LEDs extrem kostspielig, in der Größenordnung von US $ 200 pro Einheit und hatten so wenig praktischen Gebrauch. [29] Die Firma Monsanto war die erste Organisation, die 1968 mit Galliumarsenidphosphid (GaAsP) sichtbare LEDs produziert, um rote LEDs zu erzeugen, die für Indikatoren geeignet sind. [29] Hewlett Packard (HP) führte 1968 LEDs ein, wobei zunächst GaAsP von Monsanto geliefert wurde. Diese roten LEDs waren hell genug, nur für den Einsatz als Indikatoren, da die Lichtleistung nicht ausreicht, um einen Bereich zu beleuchten. Auslesungen in Taschenrechnern waren so klein, dass Kunststofflinsen über jede Ziffer gebaut wurden, um sie lesbar zu machen. Später wurden andere Farben weithin verfügbar und erschienen in Geräten und Geräten. In den 1970er Jahren wurden kommerziell erfolgreiche LED-Geräte mit weniger als fünf Cent von Fairchild Optoelectronics produziert. Diese Vorrichtungen verwendeten zusammengesetzte Halbleiterchips, die mit dem flächigen Verfahren hergestellt wurden, das von Dr. Jean Hoerni bei Fairchild Semiconductor erfunden wurde. [30] [31] Die Kombination von planarer Verarbeitung für die Chipherstellung und innovative Verpackungsmethoden ermöglichte es dem Team von Fairchild unter der Leitung von Optoelektronik-Pionier Thomas Brandt, die notwendigen Kostensenkungen zu erreichen. [32] Diese Methoden werden weiterhin von LED-Herstellern genutzt. [33]

LED-Anzeige eines TI-30 wissenschaftlichen Taschenrechners (ca. 1978), der Kunststofflinsen zur Erhöhung der sichtbaren Zifferngröße verwendet

Die meisten LEDs wurden in den sehr üblichen 5 mm T1¾ und 3 mm T1 Pakete hergestellt, aber mit steigender Leistungsabgabe ist es zunehmend notwendig geworden, überschüssige Wärme zu senken, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten [34], so dass komplexere Pakete für eine effiziente Wärmeableitung angepasst wurden . Pakete für hochmoderne Hochleistungs-LEDs haben wenig Ähnlichkeit mit frühen LEDs.

Blaue LED [ bearbeiten ]

Blaue LEDs wurden erstmals von Herbert Paul Maruska bei RCA 1972 mit Galliumnitrid (GaN) auf einem Saphirsubstrat entwickelt. [35] [36] SiC-Typen wurden erstmals 1989 in den Vereinigten Staaten von Cree verkauft. [37] Allerdings waren keine dieser ersten blauen LEDs sehr hell.

Die erste High-Brightness-LED wurde von Shuji Nakamura von Nichia Corporation im Jahr 1994 gezeigt und basiert auf InGaN . [38] [39] Parallel dazu arbeiteten Isamu Akasaki und Hiroshi Amano in Nagoya an der Entwicklung der wichtigen GaN- Keimbildung auf Saphirsubstraten und der Demonstration der p-Dotierung von GaN. Nakamura, Akasaki und Amano erhielten den Nobelpreis für die Arbeit in der Physik 2014. [40] Im Jahr 1995 untersuchte Alberto Barbieri am Cardiff University Laboratory (GB) die Effizienz und Zuverlässigkeit von High-Brightness-LEDs und zeigte eine "transparente Kontakt" LED mit Indium Zinnoxid (ITO) auf (AlGaInP / GaAs).

Im Jahr 2001 [41] und 2002 wurden [42] Prozesse zum Anbau von Galliumnitrid (GaN) LEDs auf Silizium erfolgreich nachgewiesen. Im Januar 2012 zeigte Osram hochleistungsfähige InGaN-LEDs, die auf Siliziumsubstraten kommerziell gewachsen sind. [43]

Weiße LEDs und die Beleuchtungsdurchbrüche [ edit ]

Das Erreichen der hohen Effizienz in den blauen LEDs folgte schnell der Entwicklung der ersten weißen LED . In diesem Gerät ein Y
3 Al
5 O
12 : Ce (bekannt als " YAG ") Phosphor-Beschichtung auf dem Emitter absorbiert einige der blauen Emission und produziert gelbes Licht durch Fluoreszenz . Die Kombination dieses Gelbes mit dem verbleibenden blauen Licht erscheint dem Auge weiß. Unter Verwendung unterschiedlicher Leuchtstoffe (fluoreszierende Materialien) wurde es aber auch möglich, stattdessen grünes und rotes Licht durch Fluoreszenz zu erzeugen. Die daraus resultierende Mischung aus Rot, Grün und Blau wird nicht nur von Menschen als weißes Licht wahrgenommen, sondern ist für die Beleuchtung im Hinblick auf die Farbwiedergabe überlegen, während man die Farbe der roten oder grünen Gegenstände, die nur durch die gelbe (und verbleibende blaue) Wellenlängen aus dem YAG-Leuchtstoff.

Illustration von Haitz's Gesetz , zeigt Verbesserung der Lichtleistung pro LED im Laufe der Zeit, mit einer logarithmischen Skala auf der vertikalen Achse

Die ersten weißen LEDs waren teuer und ineffizient. Allerdings hat sich die Lichtausbeute von LEDs exponentiell erhöht, wobei seit den 1960er Jahren etwa alle 36 Monate eine Verdoppelung erfolgt (ähnlich dem Moore-Gesetz ). Dieser Trend wird in der Regel auf die parallele Entwicklung anderer Halbleitertechnologien und Fortschritte in der Optik und der Materialwissenschaft zurückgeführt und wurde nach Dr. Roland Haitz als Haitz-Gesetz bezeichnet . [44]

Die Lichtausbeute und die Effizienz der blauen und nahezu ultravioletten LEDs stiegen, da die Kosten für zuverlässige Geräte fielen: Dies führte zum Einsatz von (relativ) hochleistungsfähigen Weißlicht-LEDs für die Beleuchtung, die Glühlampen und Leuchtstofflampen ersetzen. [45] [46]

Experimentelle weiße LEDs haben gezeigt, dass sie über 300 Lumen pro Watt Strom produzieren. Einige können bis zu 100.000 Stunden dauern. [47] Im Vergleich zu Glühbirnen ist dies nicht nur eine enorme Zunahme der elektrischen Effizienz, sondern - im Laufe der Zeit - eine ähnliche oder niedrigere Kosten pro Glühbirne. [48]

Arbeitsprinzip [ bearbeiten ]

Die innere Funktionsweise einer LED, die Schaltung (oben) und Band-Diagramm (unten)

Ein PN-Übergang kann absorbierte Lichtenergie in einen proportionalen elektrischen Strom umwandeln. Der gleiche Vorgang wird hier umgekehrt (dh der PN-Übergang emittiert Licht, wenn elektrische Energie an ihn angelegt wird). Dieses Phänomen wird allgemein als Elektrolumineszenz bezeichnet , die als Emission von Licht aus einem Halbleiter unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes definiert werden kann . Die Ladungsträger rekombinieren in einem vorwärts vorgespannten PN-Übergang, während die Elektronen sich von der N-Region kreuzen und mit den im P-Bereich vorhandenen Löchern rekombinieren. Freie Elektronen befinden sich im Leitungsband der Energieniveaus, während Löcher im Valenzenergieband sind. Somit ist das Energieniveau der Löcher kleiner als die Energieniveaus der Elektronen. Ein Teil der Energie muss abgeführt werden, um die Elektronen und die Löcher zu rekombinieren. Diese Energie wird in Form von Hitze und Licht emittiert.

Die Elektronen verteilen Energie in Form von Wärme für Silizium- und Germaniumdioden, aber in Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Galliumphosphid (GaP) -Halbleitern verteilen die Elektronen Energie, indem sie Photonen emittieren. Wenn der Halbleiter lichtdurchlässig ist, wird der Übergang zur Lichtquelle, wenn er emittiert wird, so dass er eine lichtemittierende Diode wird, aber wenn der Übergang in Sperrrichtung vorgespannt wird, wird kein Licht von der LED erzeugt und wenn das Potential groß genug ist, Das Gerät wird beschädigt.

Technologie [ bearbeiten ]

IV-Diagramm für eine Diode . Eine LED beginnt, Licht zu emittieren, wenn mehr als 2 oder 3 Volt an sie angelegt wird. Der Sperrvorspannungsbereich verwendet eine andere vertikale Skala von dem Vorwärts-Vorspannungsbereich, um zu zeigen, dass der Leckstrom nahezu konstant ist mit Spannung, bis ein Durchschlag auftritt. In Vorwärts-Vorspannung ist der Strom klein, steigt jedoch exponentiell mit Spannung an.

Physik [ bearbeiten ]

Die LED besteht aus einem Chip aus halbleitendem Material , der mit Verunreinigungen dotiert ist , um einen pn-Übergang zu erzeugen. Wie bei anderen Dioden fließt der Strom leicht von der p-Seite oder Anode zur n-Seite oder Kathode, aber nicht in umgekehrter Richtung. Ladungsträger - Elektronen und Löcher - fließen in die Kreuzung von Elektroden mit unterschiedlichen Spannungen. Wenn ein Elektron ein Loch trifft, fällt es in ein niedrigeres Energieniveau und gibt Energie in Form eines Photons frei .

Die Wellenlänge des emittierten Lichts und damit seine Farbe hängt von der Bandlückenenergie der Materialien ab, die den pn-Übergang bilden . In Silizium- oder Germanium- Dioden rekombinieren die Elektronen und Löcher in der Regel durch einen nicht-strahlenden Übergang , der keine optische Emission erzeugt, da es sich um indirekte Bandlückenmaterialien handelt . Die für die LED verwendeten Materialien haben eine direkte Bandlücke mit Energien, die dem nahen Infrarot-, sichtbaren oder nahezu ultravioletten Licht entsprechen.

LED-Entwicklung begann mit Infrarot-und roten Geräten mit Gallium-Arsenid gemacht . Fortschritte in der Materialwissenschaft haben es ermöglicht, Geräte mit immer kürzeren Wellenlängen zu erzeugen und Licht in einer Vielzahl von Farben zu emittieren.

LEDs werden üblicherweise auf einem n-Typ-Substrat aufgebaut, wobei eine Elektrode an der p-leitenden Schicht befestigt ist, die auf ihrer Oberfläche abgeschieden ist. P-Typ Substrate, während weniger häufig, auch auftreten. Viele handelsübliche LEDs, insbesondere GaN / InGaN, verwenden auch Saphirsubstrat .

Brechungsindex [ bearbeiten ]

Idealisiertes Beispiel für Lichtemissionskegel in einem einfachen quadratischen Halbleiter, für eine einzelne Punktquellen-Emissionszone. Die linke Abbildung ist für einen lichtdurchlässigen Wafer, während die rechte Abbildung die Halbkegel zeigt, die gebildet werden, wenn die untere Schicht undurchsichtig ist. Das Licht wird tatsächlich gleich in allen Richtungen von der Punktquelle emittiert, kann aber nur senkrecht zur Oberfläche des Halbleiters und einigen Grad zur Seite entweichen, was durch die Kegelformen dargestellt wird. Wenn der kritische Winkel überschritten wird, werden die Photonen intern reflektiert. Die Bereiche zwischen den Kegeln stellen die eingefangene Lichtenergie als Wärme dar. [49] Die meisten Materialien, die für die LED-Produktion verwendet werden, haben sehr hohe Brechungsindizes . Dies bedeutet, dass ein Großteil des Lichts in das Material an der Material- / Luftoberflächenschnittstelle zurückreflektiert wird. So ist die Lichtextraktion in LEDs ein wichtiger Aspekt der LED-Produktion, vorbehaltlich viel Forschung und Entwicklung. Die Lichtemissionskegel eines echten LED-Wafers sind weitaus komplexer als eine einzige Punktquellen-Lichtemission. Die Lichtemissionszone ist typischerweise eine zweidimensionale Ebene zwischen den Wafern. Jedes Atom in dieser Ebene hat einen individuellen Satz von Emissionskegeln. Das Zeichnen der Milliarden von überlappenden Kegeln ist unmöglich, so ist dies ein vereinfachtes Diagramm, das die Ausmaße aller Emissionskegel kombiniert zeigt. Die größeren Seitenkegel sind abgeschnitten, um die Innenausstattung zu zeigen und die Bildkomplexität zu reduzieren; Sie würden sich zu den gegenüberliegenden Kanten der zweidimensionalen Emissionsebene erstrecken.

Bare unbeschichtete Halbleiter wie Silizium weisen einen sehr hohen Brechungsindex relativ zu offener Luft auf, was den Durchgang von Photonen, die in scharfen Winkeln relativ zu der luftberührenden Oberfläche des Halbleiters aufgrund der Totalreflexion ankommen, verhindert. Diese Eigenschaft beeinflusst sowohl die Lichtemissionseffizienz von LEDs als auch die Lichtabsorptionswirksamkeit von Photovoltaikzellen . Der Brechungsindex des Siliziums beträgt 3,96 (bei 590 nm), [50], während Luft 1.0002926 ist. [51]

Im allgemeinen wird ein flacher Oberflächen-unbeschichteter LED-Halbleiterchip Licht nur senkrecht zur Oberfläche des Halbleiters emittieren, und ein paar Grad zur Seite, in einer Kegelform, die als Lichtkegel bezeichnet wird , Lichtkegel , [52] oder die Flucht Kegel [49] Der maximale Einfallswinkel wird als kritischer Winkel bezeichnet . Wenn dieser Winkel überschritten wird, entweichen Photonen nicht mehr dem Halbleiter, sondern werden stattdessen intern innerhalb des Halbleiterkristalls reflektiert, als wäre es ein Spiegel . [49]

Interne Reflexionen können durch andere kristalline Flächen entweichen, wenn der Einfallswinkel niedrig genug ist und der Kristall ausreichend transparent ist, um die Photonenemission nicht wieder aufzunehmen. Aber für eine einfache quadratische LED mit 90-Grad-Winkelflächen auf allen Seiten wirken die Gesichter alle als Winkelspiegel. In diesem Fall kann das meiste Licht nicht entweichen und wird als Abwärme im Kristall verloren. [49]

Eine gewundene Spanoberfläche mit abgewinkelten Facetten ähnlich einer Juwel- oder Fresnel-Linse kann die Lichtausbeute erhöhen, indem sie Licht senkrecht zur Chipoberfläche emittiert, während sie weit zu den Seiten des Photonenemissionspunktes liegen. [53]

Die ideale Form eines Halbleiters mit maximaler Lichtausbeute wäre eine Mikrosphäre mit der Photonenemission, die in der exakten Mitte auftritt, wobei die Elektroden in die Mitte eindringen, um an der Emissionsstelle zu kontaktieren. Alle Lichtstrahlen, die von der Mitte ausgehen, würden senkrecht zur gesamten Oberfläche der Kugel sein, was zu keiner inneren Reflexion führt. Ein halbkugelförmiger Halbleiter würde auch funktionieren, wobei die flache Rückfläche als Spiegel für rückgestreute Photonen dient. [54]

Übergangsbeschichtungen [ bearbeiten ]

Nach dem Dotieren des Wafers wird es in einzelne Matrizen zerlegt. Jeder Würfel wird üblicherweise als Chip bezeichnet.

Viele LED-Halbleiterchips sind eingekapselt oder vergossen in klare oder farbig geformte Kunststoffschalen. Die Plastikschale hat drei Zwecke:

  1. Die Montage des Halbleiterchips in Geräten ist einfacher zu erreichen.

  2. Die winzige zerbrechliche elektrische Verdrahtung ist physisch unterstützt und vor Beschädigungen geschützt.

  3. Der Kunststoff wirkt als refraktiver Zwischenraum zwischen dem relativ hochgradigen Halbleiter und der niedrigen Hochdruckluft. [55]

Das dritte Merkmal hilft, die Lichtemission des Halbleiters zu steigern, indem es als Diffusorlinse wirkt, so dass Licht mit einem viel höheren Einfallswinkel aus dem Lichtkegel emittiert werden kann, als der bloße Chip in der Lage ist, alleine zu emittieren.

Effizienz und Betriebsparameter [ bearbeiten ]

Typische Indikator-LEDs sind für den Betrieb mit nicht mehr als 30-60 Milliwatt (mW) elektrischer Leistung ausgelegt. Um 1999 stellte Philips Lumileds Leistungs-LEDs vor, die in der Lage sind, kontinuierlich in einem Watt zu arbeiten . Diese LEDs verwendeten viel größere Halbleiter-Chip-Größen, um die großen Leistungs-Eingänge zu handhaben. Außerdem wurden die Halbleiter-Düsen auf Metall-Schnecken montiert, um eine Wärmeabfuhr von der LED-Düse zu ermöglichen.

Einer der Hauptvorteile der LED-basierten Lichtquellen ist eine hohe Lichtausbeute . Weiße LEDs sind schnell abgestimmt und überholten die Wirksamkeit von Standard-Glühlampen. Im Jahr 2002 lieferten Lumileds Fünf-Watt-LEDs mit einer Lichtausbeute von 18-22 Lumen pro Watt (lm / W). Zum Vergleich ergibt eine konventionelle Glühlampe von 60-100 Watt rund 15 lm / W und Standard- Leuchtstofflampen emittieren bis zu 100 lm / W.

Ab 2012 hatte Philips für jede Farbe die folgenden Effekte erzielt. [56] Die Effizienzwerte zeigen die Physik - Lichtleistung pro Elektrizität in. Der Lumen-pro-Watt-Wirksamkeitswert umfasst Merkmale des menschlichen Auges und wird mit der Luminositätsfunktion abgeleitet.


Farbe Wellenlängenbereich (nm) Typischer Wirkungsgradkoeffizient Typische Wirksamkeit ( lm / W )

Rot 620 <>λ <> 0,39 72

Rot orange 610 <>λ <> 0,29 98

Grün 520 <>λ <> 0,15 93.

Cyan 490 <>λ <> 0,26 75

Blau 460 <>λ <> 0,35 37

Im September 2003 wurde eine neue Art von blauer LED von Cree demonstriert, die 24 mW bei 20 Milliampere (mA) verbraucht. Dies erzeugte ein handelsübliches weißes Licht mit 65 lm / W bei 20 mA und wurde zu der hellsten weißen LED, die zu diesem Zeitpunkt im Handel erhältlich war, und mehr als viermal so effizient wie Standard-Glühlampen. Im Jahr 2006 zeigten sie einen Prototyp mit einer Aufzeichnung weißer LED-Lichtausbeute von 131 lm / W bei 20 mA. Nichia Corporation hat eine weiße LED mit einer Lichtausbeute von 150 lm / W bei einem Durchlass von 20 mA entwickelt. [57] Die XLamp XM-L LEDs von Cree, die im Jahr 2011 im Handel erhältlich sind, produzieren 100 lm / W bei voller Leistung von 10 W und bis zu 160 lm / W bei ca. 2 W Eingangsleistung. Im Jahr 2012 hat Cree im März 2014 eine weiße LED mit 254 lm / W, [58] und 303 lm / W angekündigt. [59] Praktische allgemeine Beleuchtung benötigt Hochleistungs-LEDs von einem Watt oder mehr. Typische Betriebsströme für solche Geräte beginnen bei 350 mA.

Diese Wirkungsgrade sind nur für die lichtemittierende Diode, die bei niedrigen Temperaturen im Labor gehalten wird. Da LEDs, die in echten Leuchten installiert sind, bei höherer Temperatur und bei Fahrerverlusten arbeiten, sind die Real-Effizienz deutlich geringer. Die United States Department of Energy (DOE) -Tests von kommerziellen LED-Lampen, die für Glühlampen oder CFLs ausgetauscht wurden, zeigten, dass die durchschnittliche Wirksamkeit im Jahr 2009 noch ca. 46 lm / W betrug (getestete Leistung von 17 lm / W bis 79 lm / W). [60]

Effizienz droop [ bearbeiten ]

Efficiency droop ist die Abnahme der Lichtausbeute von LEDs, da der elektrische Strom über zehn Milliampere ansteigt.

Dieser Effekt wurde zunächst theoretisiert, um mit erhöhten Temperaturen in Verbindung zu stehen. Die Wissenschaftler erwiesen sich als das Gegenteil, um wahr zu sein: Obwohl das Leben einer LED verkürzt würde, ist der Wirkungsgrad bei erhöhten Temperaturen weniger stark. [61] Der Mechanismus, der Effizienz verringert, wurde 2007 als Auger-Rekombination identifiziert, die mit gemischter Reaktion aufgenommen wurde. [62] Im Jahr 2013, eine Studie bestätigt Auger Rekombination als die Ursache der Effizienz droop. [63]

Zusätzlich zu weniger effizient erzeugen Betriebs-LEDs bei höheren elektrischen Strömen höhere Heizstufen, die die Lebensdauer der LED beeinträchtigen. Wegen dieser erhöhten Erwärmung bei höheren Strömen haben High-Brightness-LEDs einen Industriestandard von nur 350 mA, was ein Kompromiss zwischen Lichtleistung, Effizienz und Langlebigkeit ist. [62] [64] [65] [66]

Mögliche Lösungen [ bearbeiten ]

Anstatt die Stromstärke zu erhöhen, wird die Luminanz in der Regel durch die Kombination mehrerer LEDs in einer Glühbirne erhöht. Das Lösen des Problems der Effizienz droop würde bedeuten, dass Haushalts-LED-Glühbirnen weniger LEDs benötigen würden, was die Kosten erheblich senken würde.

Forscher an der US Naval Research Laboratory haben einen Weg gefunden, um die Effizienz zu senken droop. Sie fanden, dass die droop aus der nicht-strahlenden Auger-Rekombination der injizierten Träger entsteht. Sie schufen Quantenquellen mit einem weichen Einschlusspotential, um die nicht-strahlenden Auger-Prozesse zu vermindern. [67]

Die Forscher an der Taiwan National Central University und Epistar Corp entwickeln einen Weg, um die Effizienz zu senken, indem sie keramische Aluminiumnitrid (AlN) -Substrate verwenden, die thermisch leitfähiger sind als der kommerziell verwendete Saphir. Die höhere Wärmeleitfähigkeit reduziert Eigenwärmeffekte. [68]

Lifetime und Misserfolg [ bearbeiten ]

Hauptartikel: Liste der LED-Ausfallmodi

Solid-State-Geräte wie LEDs unterliegen einem sehr geringen Verschleiß, wenn sie bei niedrigen Strömen und bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Typische Lebenszeiten sind 25.000 bis 100.000 Stunden, aber Wärme und aktuelle Einstellungen können diese Zeit erheblich verlängern oder verkürzen. [69]

Das häufigste Symptom der LED (und Diodenlaser ) Ausfall ist die allmähliche Senkung der Lichtleistung und Verlust der Effizienz. Plötzliche Ausfälle, wenn auch selten, können auch auftreten. Frühe rote LEDs waren für ihre kurze Lebensdauer bekannt. Mit der Entwicklung von Hochleistungs-LEDs werden die Geräte höheren Kreuzungstemperaturen und höheren Stromdichten als herkömmliche Geräte unterworfen. Dies verursacht eine Belastung des Materials und kann eine frühzeitige Abnahme der Lichtausbeute verursachen. Zur quantitativen Klassifizierung der Nutzlebensdauer in standardisierter Weise wurde vorgeschlagen, L70 oder L50 zu verwenden, bei denen es sich um die Laufzeiten handelt (typischerweise in Tausenden von Stunden), bei denen eine gegebene LED 70% bzw. 50% der anfänglichen Lichtausgabe erreicht. [70]

Während in den meisten früheren Lichtquellen (Glühlampen, Entladungslampen und denen, die brennbaren Brennstoff verbrennen, z. B. Kerzen und Öllampen) das Licht aus Wärme resultiert, arbeiten die LEDs nur, wenn sie kühl genug gehalten werden. Der Hersteller spezifiziert üblicherweise eine maximale Sperrschichttemperatur von 125 oder 150 ° C, und niedrigere Temperaturen sind im Interesse langer Lebensdauer ratsam. Bei diesen Temperaturen geht relativ wenig Wärme durch Strahlung verloren, was bedeutet, dass der von einer LED erzeugte Lichtstrahl kühl ist.

Die Abwärme in einer Hochleistungs-LED (die ab 2015 weniger als die Hälfte der Leistung sein kann, die sie verbraucht) wird durch die Leitung durch das Substrat und das Paket der LED zu einer Wärmesenke transportiert , die die Wärme der Umgebung aufgibt Luft durch Konvektion. Eine sorgfältige thermische Auslegung ist daher unter Berücksichtigung der thermischen Widerstände der LED-Baugruppe, der Wärmesenke und der Schnittstelle zwischen den beiden notwendig. Mittelstrom-LEDs sind oft so konzipiert, dass sie direkt auf eine Leiterplatte gelötet werden können , die eine wärmeleitfähige Metallschicht enthält. Hochleistungs-LEDs sind in großflächigen Keramikpaketen verpackt, die für die Befestigung an einem Metall- Kühlkörper ausgelegt sind. Die Schnittstelle ist ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ( thermisches Fett , Phasenwechselmaterial , wärmeleitendes Pad oder thermisches Klebemittel ).

Wenn eine LED-Lampe in einer unbelüfteten Leuchte installiert ist oder sich eine Leuchte in einer Umgebung befindet, die keine freie Luftzirkulation aufweist, wird die LED wahrscheinlich überhitzen, was zu einem verringerten Leben oder einem frühen katastrophalen Ausfall führt. Die thermische Konstruktion basiert häufig auf einer Umgebungstemperatur von 25 ° C (77 ° F). LEDs, die im Außenbereich eingesetzt werden, wie zB Verkehrssignale oder In-Pavement-Signalleuchten, und in Klimazonen, wo die Temperatur innerhalb der Leuchte sehr hoch wird, könnte eine reduzierte Leistung oder sogar ein Ausfall erfahren. [71]

Da die LED-Wirksamkeit bei niedrigen Temperaturen höher ist, eignet sich die LED-Technologie hervorragend für die Supermarkt- Gefrierbeleuchtung . [72] [73] [74] Weil LEDs weniger Abwärme erzeugen als Glühlampen, kann ihre Verwendung in Gefriergeräten auch Kältekosten sparen. Allerdings können sie anfälliger für Frost- und Schneeaufbau sein als Glühlampen, [71], so dass einige LED-Beleuchtungssysteme mit einem zusätzlichen Heizkreis konstruiert wurden. Darüber hinaus hat die Forschung entwickelt Kühlkörper-Technologien, die Wärme produziert innerhalb der Kreuzung auf geeignete Bereiche der Leuchte übertragen wird. [75]

Farben und Materialien [ bearbeiten ]

Herkömmliche LEDs werden aus einer Vielzahl von anorganischen Halbleitermaterialien hergestellt . Die folgende Tabelle zeigt die verfügbaren Farben mit Wellenlängenbereich, Spannungsabfall und Material:


Farbe Wellenlänge [nm] Spannungsabfall [ΔV] Halbleitermaterial

Infrarot Λ > 760 ΔV <> Galliumarsenid (GaAs)
Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs)

Rot 610 <>λ <> 1,63 & lt; & Delta; V & lt; 2,03 Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs)
Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP)
Gallium (III) phosphid (GaP)

Orange 590 <>λ <> 2,03 <& dgr;="">V & lt; 2,10 Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP)
Gallium (III) phosphid (GaP)

Gelb 570 <>λ <> 2.10 <δ>V <> Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP)
Gallium (III) phosphid (GaP)

Grün 500 <>λ <> 1.9 [76] <δ>V <> Traditionelles Grün:
Gallium (III) phosphid (GaP)
Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP)
Aluminium-Gallium-Phosphid (AlGaP)
Pure Green:
Indium-Galliumnitrid (InGaN) / Gallium (III) -nitrid (GaN)

Blau 450 <>λ <> 2,48 & lt; & Delta; V & lt; 3,7 Zinkselenid (ZnSe)
Indium-Gallium-Nitrid (InGaN)
Siliciumcarbid (SiC) als Substrat
Silizium (Si) als Substrat - unter Entwicklung

Violett 400 <>λ <> 2,76 <δ>V <> Indium-Gallium-Nitrid (InGaN)

Lila Mehrfache Typen 2,48 & lt; & Delta; V & lt; 3,7 Dual blau / rote LEDs,
Blau mit rotem Phosphor,
Oder weiß mit lila Plastik

Ultraviolett Λ <> 3 <δ>V <> Indium-Galliumnitrid (InGaN) (385-400 nm)

Diamant (235 nm) [77]
Bornitrid (215 nm) [78] [79]
Aluminiumnitrid (AlN) (210 nm) [80]
Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)
Aluminium-Gallium-Indiumnitrid (AlGaInN) bis zu 210 nm [81]


Rosa Mehrfache Typen ΔV ~ 3,3 [82] Blau mit ein oder zwei Leuchtstoffschichten,
Gelb mit rotem, orange oder rosa Phosphor nachher,

Weiß mit rosa kunststoff,
Oder weiße Leuchtstoffe mit rosa Pigment oder Farbstoff über Oberseite. [83]


Weiß Breites Spektrum 2,8 <δ>V <> Cool / Pure White: Blau / UV-Diode mit gelbem Phosphor
Warmes Weiß: Blaue Diode mit orangefarbenem Phosphor

Blau und Ultraviolett [ Bearbeiten ]

Blaue LEDs

Externes Video
Kraut Maruska original blau LED College von New Jersey Sarnoff Collection.png
"Die ursprüngliche blaue LED" , Chemical Heritage Foundation

Die erste blauviolette LED mit Magnesium-dotiertem Galliumnitrid wurde 1972 an der Stanford University von Herb Maruska und Wally Rhines, Doktoranden in Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften, produziert. [84] [85] Zu der Zeit, als Maruska aus dem RCA Laboratories war , wo er mit Jacques Pankove zusammenarbeitete. Im Jahr 1971, als Maruska nach Stanford verließ, zeigten seine RCA-Kollegen Pankove und Ed Miller die erste blaue Elektrolumineszenz aus Zink-dotiertem Galliumnitrid, obwohl die nachfolgende Apparatur Pankove und Miller die erste eigentliche Galliumnitrid-Leuchtdiode bildeten grünes Licht. [197] [87] Im Jahr 1974 verlieh das US-Patentamt Maruska, Rhein und Stanford-Professor David Stevenson ein Patent für ihre Arbeit im Jahr 1972 (US-Patent US3819974 A ) und heute ist die Magnesium-Dotierung von Galliumnitrid weiterhin die Grundlage für alle kommerziellen Blaue LEDs und Laserdioden. Diese Geräte, die in den frühen 1970er Jahren gebaut wurden, hatten zu wenig Lichtleistung, um praktisch zu sein und die Forschung in Galliumnitrid-Geräten verlangsamte sich. Im August 1989 führte Cree die erste handelsübliche blaue LED auf Basis des indirekten Bandlückenhalbleiters , Siliciumcarbid (SiC) ein. [88] SiC-LEDs hatten einen sehr geringen Wirkungsgrad von nicht mehr als etwa 0,03%, gaben aber im blauen Teil des sichtbaren Lichtspektrums ab. [ Zitat benötigt ]

In den späten 1980er Jahren führten wichtige Durchbrüche im GaN- Epitaxie- Wachstum und p-Typ- Doping [89] in die moderne Ära von GaN-basierten optoelektronischen Geräten ein. Aufbauend auf diesem Fundament patentierte Theodore Moustakas an der Boston University eine Methode zur Herstellung von hochhelligen blauen LEDs mit einem neuen zweistufigen Prozess. [90] Zwei Jahre später, 1993, wurden hochglänzende blaue LEDs wieder von Shuji Nakamura von Nichia Corporation unter Verwendung eines Galliumnitrid-Wachstumsprozesses ähnlich Moustakas gezeigt. [91] Sowohl Moustakas als auch Nakamura wurden getrennte Patente herausgegeben, die die Frage, wer der ursprüngliche Erfinder war, teilweise verwechseln (teils weil Moustakas seine erste, Nakamura zuerst eingereicht hatte). Diese neue Entwicklung revolutionierte die LED-Beleuchtung und machte die leistungsstarken blauen Lichtquellen praktisch, was zur Entwicklung von Technologien wie Blu-ray führte und die hellen, hochauflösenden Bildschirme moderner Tabletten und Telefone erlaubte. [ Zitat benötigt ]

Nakamura erhielt den 2006 Millennium Technology Award für seine Erfindung. [92] Nakamura, Hiroshi Amano und Isamu Akasaki erhielten den Nobelpreis für Physik im Jahr 2014 für die Erfindung der blauen LED. [93] [94] [95] Im Jahr 2015 entschied ein US-Gericht, dass drei Unternehmen (dh die Angeklagten, die zuvor nicht außergerichtlich geraten waren), die Nakamuras Patente für die Produktion in den Vereinigten Staaten lizenziert hatten, das vorherige Patent von Moustakas verletzt hatten Befahl ihnen, Lizenzgebühren von nicht weniger als 13 Millionen USD zu zahlen. [96]

In den späten 1990er Jahren wurden blaue LEDs weit verbreitet. Sie haben eine aktive Region, die aus einer oder mehreren InGaN- Quantentöpfen besteht, die zwischen dickeren GaN-Schichten, sogenannten Mantelschichten, eingefügt sind. Durch Variation der relativen In / Ga-Fraktion in den InGaN-Quantentöpfen kann die Lichtemission theoretisch von Violett zu Bernstein variiert werden. Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) unterschiedlicher Al / Ga-Fraktion kann zur Herstellung der Ummantelungs- und Quantenmuldenschichten für Ultraviolett-LEDs verwendet werden, aber diese Geräte haben noch nicht den Wirkungsgrad und die technologische Reife von InGaN / GaN-Blau / Grün-Geräten erreicht. Wenn in diesem Fall unlegiertes GaN verwendet wird, um die aktiven Quantentopfschichten zu bilden, emittiert das Gerät nahezu ultraviolettes Licht mit einer Spitzenwellenlänge, die um 365 nm zentriert ist. Grüne LEDs aus dem InGaN / GaN-System sind weitaus effizienter und heller als grüne LEDs, die mit Nicht-Nitrid-Material-Systemen hergestellt werden, aber praktische Geräte zeigen immer noch eine zu geringe Effizienz für hochhellige Anwendungen. [ Zitat benötigt ]

Bei Nitriden mit Aluminium, meist AlGaN und AlGaInN , sind noch kürzere Wellenlängen erreichbar. Ultraviolett-LEDs in einer Reihe von Wellenlängen werden auf dem Markt verfügbar. Nah-UV-Strahler bei Wellenlängen um 375-395 nm sind bereits billig und zum Beispiel als schwarze Lichtlampen-Ersatz für die Inspektion von Anti- Fälschungs- UV-Wasserzeichen in einigen Dokumenten und Papierwährungen angetroffen. Kürzere Wellenlängen-Dioden, während wesentlich teurer, sind im Handel für Wellenlängen bis zu 240 nm verfügbar. [97] Da die Lichtempfindlichkeit von Mikroorganismen in etwa dem Absorptionsspektrum der DNA entspricht , mit einem Peak bei etwa 260 nm ist bei zukünftigen Desinfektions- und Sterilisationsgeräten UV-LED mit einer Strahlung von 250-270 nm zu erwarten. Neuere Forschungen haben gezeigt, dass handelsübliche UVA-LEDs (365 nm) bereits wirksame Desinfektions- und Sterilisationsgeräte sind. [98] UV-C-Wellenlängen wurden in Laboratorien unter Verwendung von Aluminiumnitrid (210 nm), [80] Bornitrid (215 nm) [78] [79] und Diamant (235 nm) erhalten. [77]

RGB [ bearbeiten ]

RGB-SMD-LED

RGB- LEDs bestehen aus einer roten, einer grünen und einer blauen LED. Durch die unabhängige Einstellung jedes der drei, RGB-LEDs sind in der Lage, eine breite Farbskala zu produzieren . Im Gegensatz zu dedizierten Farb-LEDs erzeugen diese jedoch offensichtlich keine reinen Wellenlängen. Darüber hinaus sind solche Module, wie sie im Handel erhältlich sind, oft nicht für eine glatte Farbmischung optimiert.

Weiß [ bearbeiten ]

Es gibt zwei primäre Wege zur Herstellung von weißen Leuchtdioden (WLEDs), LEDs, die hochintensives weißes Licht erzeugen. Man ist es, einzelne LEDs zu verwenden, die drei Primärfarben [99] -red, grün und blau ausstrahlen - und dann alle Farben mischen, um weißes Licht zu bilden. Der andere ist, ein Phosphormaterial zu verwenden, um monochromatisches Licht von einer blauen oder UV-LED in breites Spektrum weißes Licht umzuwandeln, viel in der gleichen Weise, wie eine Leuchtstofflampe arbeitet. Es ist wichtig zu bemerken, dass die "Weiße" des erzeugten Lichts im Wesentlichen für das menschliche Auge konstruiert ist, und je nach Situation kann es nicht immer angemessen sein, daran als weißes Licht zu denken.

Es gibt drei Hauptmethoden, um Farben zu mischen, um weißes Licht von einer LED zu erzeugen:

  • Blaue LED + grüne LED + rote LED (Farbmischung, kann als Hintergrundbeleuchtung für Displays verwendet werden, extrem schlecht für die Beleuchtung durch Lücken im Spektrum)

  • Nah-UV- oder UV-LED + RGB-Leuchtstoff (eine LED, die Licht mit einer Wellenlänge kürzer als Blau erzeugt, wird verwendet, um einen RGB-Leuchtstoff zu erregen)

  • Blaue LED + gelber Leuchtstoff (zwei komplementäre Farben kombinieren, um weißes Licht zu bilden, effizienter als die ersten beiden Methoden und häufiger verwendet) [100]

Wegen des Metamerismus ist es möglich, ganz andere Spektren zu haben, die weiß erscheinen. Jedoch kann das Auftreten von Objekten, die von diesem Licht beleuchtet werden, variieren, wenn das Spektrum variiert, dies ist die Frage der Farbwiedergabe, ganz getrennt von der Farbtemperatur, wo ein wirklich orange oder cyan-Objekt mit der falschen Farbe erscheinen könnte und viel dunkler als die LED Oder Phosphor die Wellenlänge nicht abgibt. Die beste Farbwiedergabe CFL und LEDs verwenden eine Mischung aus Leuchtstoffen, was zu weniger Effizienz, aber besserer Lichtqualität führt. Obwohl glühende Halogenlampen eine eher orange Farbtemperatur haben, sind sie immer noch die besten leicht zugänglichen künstlichen Lichtquellen in Bezug auf Farbwiedergabe.

RGB-Systeme [ bearbeiten ]

Kombinierte Spektralkurven für blaue, gelb-grüne und hochhellige rote Festkörper-Halbleiter-LEDs. Die FWHM- Spektralbandbreite beträgt für alle drei Farben etwa 24-27 nm.



RGB-LED

Weißes Licht kann durch das Mischen unterschiedlich farbiger Lichter gebildet werden; Die gängigste Methode ist die Verwendung von Rot, Grün und Blau (RGB). Daher heißt die Methode mehrfarbige weiße LEDs (manchmal auch als RGB-LEDs bezeichnet). Weil diese elektronische Schaltungen benötigen, um das Mischen und die Diffusion von verschiedenen Farben zu steuern, und weil die einzelnen Farb-LEDs typischerweise leicht unterschiedliche Emissionsmuster aufweisen (was zu einer Variation der Farbe in Abhängigkeit von der Richtung führt), selbst wenn sie als eine einzige Einheit hergestellt werden, sind diese Selten verwendet, um weiße Beleuchtung zu produzieren. Trotzdem hat diese Methode aufgrund der Flexibilität des Mischens verschiedener Farben viele Anwendungen, und im Prinzip hat dieser Mechanismus auch eine höhere Quanteneffizienz bei der Herstellung von Weißlicht. [ Zitat benötigt ]

Es gibt mehrere Arten von mehrfarbigen weißen LEDs: di- , tri- und tetrachromatische weiße LEDs. Mehrere Schlüsselfaktoren, die unter diesen verschiedenen Methoden spielen, umfassen Farbstabilität, Farbwiedergabefähigkeit und Lichtausbeute. Oft wird eine höhere Effizienz eine geringere Farbwiedergabe bedeuten, die einen Kompromiss zwischen der Lichtausbeute und der Farbwiedergabe darstellt. Zum Beispiel haben die dichromatischen weißen LEDs die beste Lichtausbeute (120 lm / W), aber die niedrigste Farbwiedergabefähigkeit. Obwohl tetrachromatische weiße LEDs eine hervorragende Farbwiedergabefähigkeit aufweisen, haben sie oft eine schlechte Lichtausbeute. Trichromatische weiße LEDs sind dazwischen, mit guter Lichtausbeute (> 70 lm / W) und fairer Farbwiedergabe.

Eine der Herausforderungen ist die Entwicklung von effizienteren grünen LEDs. Das theoretische Maximum für grüne LEDs beträgt 683 Lumen pro Watt, aber ab 2010 überschreiten nur wenige grüne LEDs sogar 100 Lumen pro Watt. Die blauen und roten LEDs kommen ihren theoretischen Grenzen näher.

Mehrfarbige LEDs bieten nicht nur ein anderes Mittel, um weißes Licht zu bilden, sondern ein neues Mittel, um Licht von verschiedenen Farben zu bilden. Die meisten wahrnehmbaren Farben können durch das Mischen unterschiedlicher Mengen von drei Primärfarben gebildet werden. Dies ermöglicht eine präzise dynamische Farbkontrolle. Da mehr Aufwand für die Erforschung dieser Methode besteht, sollten mehrfarbige LEDs einen tiefgreifenden Einfluss auf die grundlegende Methode haben, die wir verwenden, um Lichtfarbe zu erzeugen und zu steuern. Doch bevor diese Art von LED eine Rolle auf dem Markt spielen kann, müssen mehrere technische Probleme gelöst werden. Dazu gehört, dass diese Art von Emissionsleistung der LED exponentiell mit steigender Temperatur abfällt [102], was zu einer wesentlichen Änderung der Farbstabilität führt. Solche Probleme hemmen und können den industriellen Gebrauch ausschließen. So wurden viele neue Paketdesigns zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen und ihre Ergebnisse werden nun von Forschern und Wissenschaftlern reproduziert. Allerdings können mehrfarbige LEDs ohne Leuchtstoffe niemals eine gute Lichtqualität liefern, da jede LED eine schmale Bandquelle ist (siehe Grafik). LEDs ohne Leuchtstoff, während eine schlechtere Lösung für die allgemeine Beleuchtung die beste Lösung für Displays, entweder Hintergrundbeleuchtung von LCD oder direkte LED-basierte Pixel ist.

Korrelierte Farbtemperatur (CCT) Dimmen für LED-Technologie gilt als eine schwierige Aufgabe seit Binning, Alter und Temperatur Drift Effekte von LEDs ändern die tatsächliche Farbwert Ausgabe. Rückkopplungsschleifensysteme werden beispielsweise mit Farbsensoren eingesetzt, um die Farbausgabe mehrerer Farbmisch-LEDs aktiv zu überwachen und zu steuern. [103]

Phosphor-basierte LEDs [ bearbeiten ]

Spektrum einer weißen LED mit blauem Licht, das direkt von der GaN-basierten LED (Peak bei etwa 465 nm) emittiert wird, und das breitere Stokes-verschobene Licht, das von dem Ce 3+ : YAG-Phosphor emittiert wird, der bei etwa 500-700 nm emittiert

Diese Methode beinhaltet die Beschichtung von LEDs einer Farbe (meist blaue LEDs aus InGaN ) mit Leuchtstoffen unterschiedlicher Farben, um weißes Licht zu bilden; Die resultierenden LEDs heißen Phosphor- oder Phosphor-konvertierte weiße LEDs (pcLEDs). [104] Ein Bruchteil des blauen Lichts unterliegt der Stokes-Verschiebung , die von kürzeren Wellenlängen zu länger verwandelt wird. Je nach Farbe der Original-LED können Leuchtstoffe unterschiedlicher Farben eingesetzt werden. Wenn mehrere Phosphorschichten unterschiedlicher Farben angewendet werden, wird das emittierte Spektrum erweitert, wodurch der Farbwiedergabeindex (CRI) einer gegebenen LED effektiv erhöht wird. [105]

Phosphor-basierte LED-Effizienzverluste sind auf den Wärmeverlust aus der Stokes-Verschiebung und auch auf andere Phosphor-bezogene Abbauprobleme zurückzuführen. Ihre Lichtausbeute gegenüber normalen LEDs hängt von der spektralen Verteilung der resultierenden Lichtleistung und der ursprünglichen Wellenlänge der LED selbst ab. Zum Beispiel reicht die Lichtausbeute eines typischen YAG-gelben Phosphor-basierten weißen LEDs von der 3- bis 5-fachen der Lichtausbeute der ursprünglichen blauen LED aufgrund der größeren Empfindlichkeit des menschlichen Auges auf Gelb als auf Blau (wie in der Luminositätsfunktion modelliert). Aufgrund der Einfachheit der Herstellung ist die Phosphor-Methode immer noch die beliebteste Methode, um hochintensive weiße LEDs herzustellen. Die Konstruktion und Fertigung einer Lichtquelle oder Leuchte mit einem Monochrom-Emitter mit Phosphorumwandlung ist einfacher und kostengünstiger als ein komplexes RGB- System, und die meisten hochintensiven weißen LEDs, die derzeit auf dem Markt sind, werden unter Verwendung von Phosphor-Licht-Umwandlung hergestellt.

Unter den Herausforderungen, mit denen die Effizienz von LED-basierten weißen Lichtquellen verbessert werden soll, ist die Entwicklung effizienterer Leuchtstoffe. Ab 2010 ist der effizienteste gelbe Phosphor immer noch der YAG-Leuchtstoff mit weniger als 10% Stokes-Verschiebungsverlust. Verluste, die auf interne optische Verluste aufgrund der Wiederabsorption im LED-Chip und in der LED-Verpackung selbst zurückzuführen sind, sind typischerweise für einen weiteren 10% bis 30% Wirkungsgradverlust verantwortlich. Derzeit wird im Bereich der Phosphor-LED-Entwicklung viel Aufwand für die Optimierung dieser Geräte auf höhere Lichtausbeute und höhere Betriebstemperaturen ausgegeben. Zum Beispiel kann die Effizienz durch die Anpassung eines besseren Paketdesigns oder durch eine geeignetere Art von Phosphor erhöht werden. Ein konformes Beschichtungsverfahren wird häufig verwendet, um das Problem der variierenden Phosphordicke zu lösen.

Einige Leuchtstoff-weiße LEDs verkapseln InGaN-blaue LEDs in phosphorbeschichtetem Epoxid. Alternativ könnte die LED mit einem entfernten Phosphor gepaart werden, ein vorgeformtes Polycarbonatstück, das mit dem Phosphormaterial beschichtet ist. Remote-Leuchtstoffe bieten mehr diffuses Licht, was für viele Anwendungen wünschenswert ist. Remote-Phosphor-Designs sind auch toleranter gegenüber Schwankungen im LED-Emissionsspektrum. Ein übliches gelbes Leuchtstoffmaterial ist Cer dotiertes Yttriumaluminiumgranat (Ce 3+ : YAG).

Weiße LEDs können auch durch Beschichten von nahezu ultravioletten (NUV) LEDs mit einer Mischung aus hocheffizienten, europiumbasierten Leuchtstoffen hergestellt werden, die rot und blau emittieren, sowie Kupfer und Aluminium-dotiertes Zinksulfid (ZnS: Cu, Al), das grün strahlt . Dies ist eine Methode analog der Art und Weise, wie Leuchtstofflampen arbeiten. Diese Methode ist weniger effizient als blaue LEDs mit YAG: Ce-Phosphor, da die Stokes-Verschiebung größer ist, so dass mehr Energie in Wärme umgewandelt wird, sondern Licht mit besseren spektralen Eigenschaften liefert, die Farbe besser machen. Aufgrund der höheren Strahlungsleistung der Ultraviolett-LEDs als der blauen, bieten beide Methoden vergleichbare Helligkeit. Es geht darum, dass UV-Licht aus einer fehlerhaften Lichtquelle austreten und menschliche Augen oder Haut schädigen kann.

Andere weiße LEDs [ bearbeiten ]

Ein anderes Verfahren zur Herstellung von experimentellen Weißlicht-LEDs verwendete überhaupt keine Leuchtstoffe und basierte auf homoepitaxial gewachsenem Zinkselenid (ZnSe) auf einem ZnSe-Substrat, das gleichzeitig blaues Licht aus seinem aktiven Bereich und gelbes Licht aus dem Substrat emittierte. [106]

Eine neue Art von Wafern aus Gallium-Nitrid-auf-Silizium (GaN-on-Si) wird verwendet, um weiße LEDs mit 200-mm-Silizium-Wafern zu produzieren. Dies vermeidet das typische kostspielige Saphirsubstrat in relativ kleinen 100- oder 150-mm-Wafergrößen. [107] Der Saphirapparat muss mit einem spiegelartigen Kollektor gekoppelt sein, um Licht zu reflektieren, das sonst verschwendet würde. Es wird vorausgesagt, dass bis 2020 40% aller GaN-LEDs mit GaN-on-Si hergestellt werden. Die Herstellung von großem Saphirmaterial ist schwierig, während großes Siliziummaterial billiger und häufiger ist. LED-Unternehmen, die sich von der Verwendung von Saphir zu Silizium verlagern, sollten eine minimale Investition sein. [108]

Organische Leuchtdioden (OLEDs) [ bearbeiten ]

Hauptartikel: Organische Leuchtdiode

Demonstration eines flexiblen OLED- Gerätes

Orange lichtemittierende Diode

In einer organischen Leuchtdiode ( OLED ) ist das elektrolumineszierende Material, das die Emissionsschicht der Diode umfasst, eine organische Verbindung . Das organische Material ist aufgrund der Delokalisierung von Pi-Elektronen, die durch Konjugation über das gesamte oder einen Teil des Moleküls verursacht werden, elektrisch leitend, und das Material fungiert daher als organischer Halbleiter . [109] Die organischen Materialien können kleine organische Moleküle in einer kristallinen Phase oder Polymere sein . [110]

Zu den potenziellen Vorteilen von OLEDs gehören dünne, kostengünstige Displays mit niedriger Fahrspannung, breiter Betrachtungswinkel und hoher Kontrast- und Farbskala. [111] Polymer-LEDs haben den Vorteil von bedruckbaren und flexiblen Displays. [112] [113] [114] OLEDs wurden verwendet, um visuelle Anzeigen für tragbare elektronische Geräte wie Handys, Digitalkameras und MP3-Player zu machen, während mögliche zukünftige Anwendungen auch Beleuchtung und Fernseher beinhalten. [110] [111]

Quantenpunkt-LEDs [ bearbeiten ]

Siehe auch: Quantenpunktanzeige

Quantenpunkte (QD) sind Halbleiter- Nanokristalle, deren optische Eigenschaften es ermöglichen, ihre Emissionsfarbe vom sichtbaren in das Infrarotspektrum abzustimmen. [115] [116] Damit können Quantenpunkt-LEDs fast jede Farbe auf dem CIE- Diagramm erzeugen. Dies bietet mehr Farboptionen und eine bessere Farbwiedergabe als weiße LEDs, da das Emissionsspektrum viel schmaler ist, charakteristisch für quantenbegrenzte Zustände.

Es gibt zwei Arten von Schemata für die QD-Erregung. Man verwendet eine Fotoerregung mit einer primären Lichtquellen-LED (typischerweise werden blaue oder UV-LEDs verwendet). Die andere ist die direkte elektrische Erregung, die zuerst von Alivisatos et al. [117]

Ein Beispiel für das Fotoerregungsschema ist eine von Michael Bowers entwickelte Methode an der Vanderbilt University in Nashville, bei der eine blaue LED mit Quantenpunkten beschichtet wird, die in Reaktion auf das blaue Licht der LED leuchten. Diese Methode emittiert ein warmes, gelblich-weißes Licht ähnlich dem, das durch Glühlampen gemacht wird . [118] Quantenpunkte werden auch für den Einsatz in weißen Leuchtdioden in Flüssigkristall-Displays (LCD) -Geräten in Betracht gezogen. [119]

Im Februar 2011 konnten die Wissenschaftler der PlasmaChem GmbH Quantenpunkte für LED-Anwendungen synthetisieren und einen Lichtwandler auf ihrer Basis bauen, der für viele hundert Stunden effizient Licht von blau in jede andere Farbe umwandeln konnte. [120] Solche QDs können verwendet werden, um sichtbares oder nahes Infrarotlicht irgendeiner Wellenlänge zu emittieren, die durch Licht mit einer kürzeren Wellenlänge angeregt wird.

Die Struktur der QD-LEDs, die für das elektrische Erregungsschema verwendet werden, ähnelt dem grundlegenden Design von OLEDs . Eine Schicht von Quantenpunkten ist sandwichartig zwischen Schichten von Elektronentransport- und Lochtransportmaterialien angeordnet. Ein angelegtes elektrisches Feld bewirkt, dass sich Elektronen und Löcher in die Quantenpunktschicht bewegen und rekombinieren, indem sie ein Exziton bilden , das ein QD anregt. Dieses Schema wird üblicherweise für die Quantenpunktanzeige untersucht . Die Abstimmbarkeit von Emissionswellenlängen und schmaler Bandbreite ist auch als Anregungsquellen für die Fluoreszenzabbildung von Vorteil. Fluoreszenz-Nahfeld-Scanning-Optikmikroskopie ( NSOM ) unter Verwendung einer integrierten QD-LED wurde nachgewiesen. [121]

Im Februar 2008 wurde eine Lichtausbeute von 300 Lumen sichtbares Licht pro Watt Strahlung (nicht per Elektro-Watt) und Warm-Lichtemission durch Nanokristalle erreicht . [122]

Typen [ bearbeiten ]

LEDs werden in verschiedenen Formen und Größen hergestellt. Die Farbe der Kunststofflinse ist oft die gleiche wie die tatsächliche Farbe des Lichtes emittiert, aber nicht immer. Zum Beispiel wird lila Kunststoff oft für Infrarot- LEDs verwendet, und die meisten blauen Geräte haben farblose Gehäuse. Moderne Hochleistungs-LEDs, wie sie zum Beleuchten und zur Hintergrundbeleuchtung verwendet werden, finden sich im Allgemeinen in SMT-Paketen (nicht gezeigt).

Die wichtigsten Arten von LEDs sind Miniatur-, Hochleistungsgeräte und Sonderanfertigungen wie alphanumerisch oder mehrfarbig. [123]

Miniatur [ bearbeiten ]

Foto von Miniatur- Oberflächenmontage- LEDs in den meisten gängigen Größen. Sie können viel kleiner sein als eine herkömmliche 5-mm-Lampentyp-LED, die in der oberen linken Ecke angezeigt wird.


Sehr kleine (1,6x1,6x0,35 mm) rote, grüne und blaue Oberflächenmontage Miniatur-LED-Gehäuse mit Golddraht-Klebe- Details.

Hierbei handelt es sich überwiegend um Einzele-LEDs, die als Indikatoren verwendet werden, und sie kommen in verschiedenen Größen von 2 mm bis 8 mm, Durchgangsloch- und Oberflächenmontagepaketen . Sie verwenden normalerweise keinen separaten Kühlkörper . [124] Typische Stromstärken reichen von ca. 1 mA bis über 20 mA. Die geringe Größe setzt eine natürliche obere Grenze auf den Stromverbrauch aufgrund der Hitze, die durch die hohe Stromdichte und die Notwendigkeit für eine Wärmesenke verursacht wird. Oft verkettet wie in LED-Bändern verwendet .

Die üblichen Packungsformen umfassen runde, mit einer gewölbten oder flachen Oberseite, rechteckig mit einer flachen Oberseite (wie in den Balkenanzeigen verwendet) und dreieckig oder quadratisch mit einer flachen Oberseite. Die Verkapselung kann auch klar oder getönt sein, um den Kontrast und den Betrachtungswinkel zu verbessern.

Forscher an der Universität von Washington haben die dünnste LED erfunden. Es besteht aus zweidimensionalen (2-D) flexiblen Materialien. Es ist drei Atome dick, das ist 10 bis 20 mal dünner als dreidimensionale (3-D) LEDs und ist auch 10.000 mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Diese 2-D-LEDs machen es möglich, kleinere, energieeffizientere Beleuchtung, optische Kommunikation und Nano-Laser zu schaffen . [125]

Es gibt drei Hauptkategorien von Miniatur-Single-Chip-LEDs:

Niederstrom


Typisch für 2mA bei ca. 2V (ca. 4mW Verbrauch)

Standard 20mA LEDs (von ca. 40mW bis 90mW) bei rund:
  • 1,9 bis 2,1V für rot, orange, gelb und traditionelles Grün

  • 3,0 bis 3,4V für reines Grün und Blau

  • 2.9 bis 4.2V für violett, rosa, lila und weiß

Ultra-High-Output


20mA bei ca. 2 oder 4-5V, konzipiert für die Betrachtung bei direktem Sonnenlicht 5V und 12VLEDs sind normale Miniatur-LEDs, die eine passende Serie enthalten   Widerstand für direkten Anschluss an eine 5V oder 12V Versorgung.

High-Power [ bearbeiten ]

Hochleistungs-Leuchtdioden an einer LED- Sternbasis ( Luxeon , Lumileds ) Siehe auch: Solid-State-Beleuchtung , LED-Lampe und thermisches Management von Hochleistungs-LEDs

Hochleistungs-LEDs (HP-LEDs) oder High-Output-LEDs (HO-LEDs) können mit Strömen von Hunderten von mA auf mehr als ein Ampere angesteuert werden, verglichen mit den Dutzenden von mA für andere LEDs. Manche können über tausend Lumen emittieren. [126] [127] LED- Leistungsdichten bis zu 300 W / cm 2 wurden erreicht. [128] Da die Überhitzung zerstörend ist, müssen die HP-LEDs auf einem Kühlkörper montiert werden, um eine Wärmeableitung zu ermöglichen. Wenn die Hitze von einer HP-LED nicht entfernt wird, schaltet das Gerät in Sekunden aus. Eine HP-LED kann oft eine Glühlampe in einer Taschenlampe ersetzen oder in ein Array setzen, um eine leistungsstarke LED-Lampe zu bilden.

Einige bekannte HP-LEDs in dieser Kategorie sind die Nichia 19 Serie, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon und Cree X-Lampe. Seit September 2009 übertreffen einige von Cree hergestellte HP-LEDs 105 lm / W. [129]

Beispiele für das Haitz-Gesetz , das einen exponentiellen Anstieg der Lichtausbeute und die Wirksamkeit von LEDs im Laufe der Zeit voraussagt, sind die CREE XP-G-Serie LED, die im Jahr 2009 105 lm / W [129] und die Nichia 19-Serie mit einer typischen Wirksamkeit von 140 erreichten Lm / W, veröffentlicht im Jahr 2010. [130]

AC angetrieben [ bearbeiten ]

LEDs wurden von Seoul Semiconductor entwickelt, die auf Wechselstrom betrieben werden können, ohne dass ein DC-Wandler benötigt wird. Für jeden Halbzyklus gibt ein Teil der LED Licht aus und der Teil ist dunkel, und dies wird während des nächsten Halbzyklus umgekehrt. Die Wirksamkeit dieser Art von HP-LED beträgt typischerweise 40 lm / W. [131] Eine große Anzahl von LED-Elementen in Serie kann direkt von der Netzspannung betrieben werden können. Im Jahr 2009 veröffentlichte Seoul Semiconductor eine hohe DC-Spannungs-LED, die als "Acrich MJT" bezeichnet wurde und in der Lage ist, von einer Wechselstromversorgung mit einer einfachen Steuerschaltung angesteuert zu werden. Die Low-Power-Dissipation dieser LEDs bietet ihnen mehr Flexibilität als die ursprüngliche AC-LED-Design. [132]

Anwendungsspezifische Variationen [ bearbeiten ]

Blinken [ bearbeiten ]

Blinkende LEDs werden als Aufmerksamkeitssuchgeräte verwendet, ohne dass eine externe Elektronik erforderlich ist. Blinkende LEDs ähneln Standard-LEDs, aber sie enthalten einen integrierten Multivibrator- Schaltkreis, der die LED mit einer typischen Periode von einer Sekunde blinkt. Bei diffusen Objektiv-LEDs ist diese Schaltung als kleiner schwarzer Punkt sichtbar. Die meisten blinkenden LEDs emittieren Licht von einer Farbe, aber anspruchsvollere Geräte können zwischen mehreren Farben blinken und sogar durch eine Farbsequenz mit RGB-Farbmischung verblassen.

Zweifarbig [ bearbeiten ]

Zweifarbige LEDs enthalten in einem Fall zwei verschiedene LED-Strahler. Es gibt zwei Arten von diesen. Ein Typ besteht aus zwei Matrizen, die mit denselben zwei Leitungen antiparallel zueinander verbunden sind. Der Stromfluss in einer Richtung gibt eine Farbe aus und der Strom in die entgegengesetzte Richtung gibt die andere Farbe aus. Der andere Typ besteht aus zwei Matrizen mit separaten Zuleitungen für beide Matrizen und einem anderen Blei für eine gemeinsame Anode oder Kathode, so dass sie unabhängig gesteuert werden können. Die häufigste zweifarbige Kombination ist rot / traditionelles Grün, aber andere verfügbare Kombinationen sind Bernstein / traditionelles Grün, rot / rein grün, rot / blau und blau / reines Grün.

Dreifarben [ bearbeiten ]

Tri-Color-LEDs enthalten in einem Fall drei verschiedene LED-Emitter. Jeder Emitter ist mit einer separaten Leitung verbunden, so dass sie unabhängig gesteuert werden können. Eine Vier-Leiter-Anordnung ist typisch für eine gemeinsame Leitung (Anode oder Kathode) und eine zusätzliche Blei für jede Farbe.

RGB [ bearbeiten ]

RGB-LEDs sind dreifarbige LEDs mit roten, grünen und blauen Emittern, im Allgemeinen mit einer Vier-Draht-Verbindung mit einer gemeinsamen Leitung (Anode oder Kathode). Diese LEDs können entweder gemeinsame positive oder gemeinsame negative Leitungen haben. Andere haben jedoch nur zwei Leitungen (positiv und negativ) und haben eine eingebaute winzige elektronische Steuereinheit .

Dekorative-multicolor [ bearbeiten ]

Dekorative-mehrfarbige LEDs enthalten mehrere Emitter in verschiedenen Farben, die nur von zwei auslaufenden Drähten geliefert werden. Die Farben werden intern durch Variieren der Versorgungsspannung umgeschaltet.

Alphanumerisch [ bearbeiten ]

Alphanumerische LEDs sind im 7-Segment- , Starburst- und Dot-Matrix- Format verfügbar. Sieben-Segment-Displays behandeln alle Zahlen und einen begrenzten Satz von Buchstaben. Starburst-Displays können alle Buchstaben anzeigen. Dot-Matrix-Displays verwenden normalerweise 5x7 Pixel pro Zeichen. Siebensegmentige LED-Anzeigen waren in den 1970er und 1980er Jahren weit verbreitet, aber die zunehmende Verwendung von Flüssigkristall-Displays mit geringerem Energiebedarf und größerer Display-Flexibilität hat die Beliebtheit von numerischen und alphanumerischen LED-Anzeigen reduziert.

Digital-RGB [ bearbeiten ]

Digital-RGB-LEDs sind RGB-LEDs, die ihre eigene "intelligente" Steuerelektronik enthalten. Neben der Stromversorgung und dem Boden bieten diese Verbindungen für Daten-in, Datenausgang und manchmal ein Takt- oder Strobe-Signal. Diese sind in einer Daisy Chain verbunden , wobei die Daten der ersten LED von einem Mikroprozessor bezogen werden, der die Helligkeit und Farbe jeder LED unabhängig von den anderen steuern kann. Sie werden dort eingesetzt, wo eine Kombination aus maximaler Kontrolle und minimaler sichtbarer Elektronik benötigt wird, wie zB Saiten für Weihnachts- und LED-Matrizen. Manche haben sogar Refresh-Raten im kHz-Bereich, so dass grundlegende Video-Anwendungen.

Filament [ bearbeiten ]

Ein LED-Faden besteht aus mehreren LED-Chips, die in Serie auf einem gemeinsamen Längssubstrat verbunden sind, das eine dünne Stange bildet, die an eine traditionelle Glühlampe erinnert. [133] These are being used as a low-cost decorative alternative for traditional light bulbs that are being phased out in many countries. The filaments require a rather high voltage to light to nominal brightness, allowing them to work efficiently and simply with mains voltages. Often a simple rectifier and capacitive current limiting are employed to create a low-cost replacement for a traditional light bulb without the complexity of creating a low voltage, high current converter which is required by single die LEDs. [134] Usually, they are packaged in a sealed enclosure with a shape similar to lamps they were designed to replace (eg a bulb) and filled with inert nitrogen or carbon dioxide gas to remove heat efficiently.

Considerations for use [ edit ]

Power sources [ edit ]

Main article: LED power sources

Simple LED circuit with resistor for current limiting

The current–voltage characteristic of an LED is similar to other diodes, in that the current is dependent exponentially on the voltage (see Shockley diode equation ). This means that a small change in voltage can cause a large change in current. [135] If the applied voltage exceeds the LED's forward voltage drop by a small amount, the current rating may be exceeded by a large amount, potentially damaging or destroying the LED. The typical solution is to use constant-current power supplies to keep the current below the LED's maximum current rating. Since most common power sources (batteries, mains) are constant-voltage sources, most LED fixtures must include a power converter, at least a current-limiting resistor. However, the high resistance of three-volt coin cells combined with the high differential resistance of nitride-based LEDs makes it possible to power such an LED from such a coin cell without an external resistor.

Electrical polarity [ edit ]

Main article: Electrical polarity of LEDs

As with all diodes, current flows easily from p-type to n-type material. [136] However, no current flows and no light is emitted if a small voltage is applied in the reverse direction. If the reverse voltage grows large enough to exceed the breakdown voltage , a large current flows and the LED may be damaged. If the reverse current is sufficiently limited to avoid damage, the reverse-conducting LED is a useful noise diode .

Safety and health [ edit ]

The vast majority of devices containing LEDs are "safe under all conditions of normal use", and so are classified as "Class 1 LED product"/"LED Klasse 1". At present, only a few LEDs—extremely bright LEDs that also have a tightly focused viewing angle of 8° or less—could, in theory, cause temporary blindness, and so are classified as "Class 2". [137] The opinion of the French Agency for Food, Environmental and Occupational Health & Safety (ANSES) of 2010, on the health issues concerning LEDs, suggested banning public use of lamps which were in the moderate Risk Group 2, especially those with a high blue component in places frequented by children. [138] In general, laser safety regulations—and the "Class 1", "Class 2", etc. system—also apply to LEDs. [139]

While LEDs have the advantage over fluorescent lamps that they do not contain mercury , they may contain other hazardous metals such as lead and arsenic . Regarding the toxicity of LEDs when treated as waste, a study published in 2011 stated: "According to federal standards, LEDs are not hazardous except for low-intensity red LEDs, which leached Pb [lead] at levels exceeding regulatory limits (186 mg/L; regulatory limit: 5). However, according to California regulations, excessive levels of copper (up to 3892 mg/kg; limit: 2500), lead (up to 8103 mg/kg; limit: 1000), nickel (up to 4797 mg/kg; limit: 2000), or silver (up to 721 mg/kg; limit: 500) render all except low-intensity yellow LEDs hazardous." [140]

In 2016 a statement of the American Medical Association (AMA) concerning the possible influence of blueish street lighting on the sleep-wake cycle of city-dwellers led to some controversy. So far high-pressure sodium lamps (HPS) with an orange light spectrum were the most efficient light sources commonly used in street-lighting. Now many modern street lamps are equipped with Indium gallium nitride LEDs (InGaN). These are even more efficient and mostly emit blue-rich light with a higher correlated color temperature (CCT) . Since light with a high CCT resembles daylight it is thought that this might have an effect on the normal circadian physiology by suppressing melatonin production in the human body. There have been no relevant studies as yet and critics claim exposure levels are not high enough to have a noticeable effect. [141]

Advantages [ edit ]

  • Efficiency: LEDs emit more lumens per watt than incandescent light bulbs. [142] The efficiency of LED lighting fixtures is not affected by shape and size, unlike fluorescent light bulbs or tubes.

  • Color: LEDs can emit light of an intended color without using any color filters as traditional lighting methods need. This is more efficient and can lower initial costs.

  • Size: LEDs can be very small (smaller than 2 mm 2 [143] ) and are easily attached to printed circuit boards.

  • Warmup time: LEDs light up very quickly. A typical red indicator LED will achieve full brightness in under a microsecond . [144] LEDs used in communications devices can have even faster response times.

  • Cycling: LEDs are ideal for uses subject to frequent on-off cycling, unlike incandescent and fluorescent lamps that fail faster when cycled often, or high-intensity discharge lamps (HID lamps) that require a long time before restarting.

  • Dimming: LEDs can very easily be dimmed either by pulse-width modulation or lowering the forward current. [145] This pulse-width modulation is why LED lights, particularly headlights on cars, when viewed on camera or by some people, appear to be flashing or flickering. This is a type of stroboscopic effect .

  • Cool light: In contrast to most light sources, LEDs radiate very little heat in the form of IR that can cause damage to sensitive objects or fabrics. Wasted energy is dispersed as heat through the base of the LED.

  • Slow failure: LEDs mostly fail by dimming over time, rather than the abrupt failure of incandescent bulbs. [69]

  • Lifetime: LEDs can have a relatively long useful life. One report estimates 35,000 to 50,000 hours of useful life, though time to complete failure may be longer. [146] Fluorescent tubes typically are rated at about 10,000 to 15,000 hours, depending partly on the conditions of use, and incandescent light bulbs at 1,000 to 2,000 hours. Several DOE demonstrations have shown that reduced maintenance costs from this extended lifetime, rather than energy savings, is the primary factor in determining the payback period for an LED product. [147]

  • Shock resistance: LEDs, being solid-state components, are difficult to damage with external shock, unlike fluorescent and incandescent bulbs, which are fragile.

  • Focus: The solid package of the LED can be designed to focus its light. Incandescent and fluorescent sources often require an external reflector to collect light and direct it in a usable manner. For larger LED packages total internal reflection (TIR) lenses are often used to the same effect. However, when large quantities of light are needed many light sources are usually deployed, which are difficult to focus or collimate towards the same target.

Disadvantages [ edit ]

  • Initial price: LEDs are currently slightly more expensive (price per lumen) on an initial capital cost basis, than other lighting technologies. As of March 2014, at least one manufacturer claims to have reached $1 per kilolumen. [148] The additional expense partially stems from the relatively low lumen output and the drive circuitry and power supplies needed.

  • Temperature dependence: LED performance largely depends on the ambient temperature of the operating environment – or thermal management properties. Overdriving an LED in high ambient temperatures may result in overheating the LED package, eventually leading to device failure. An adequate heat sink is needed to maintain long life. This is especially important in automotive, medical, and military uses where devices must operate over a wide range of temperatures, which require low failure rates. Toshiba has produced LEDs with an operating temperature range of −40 to 100 °C, which suits the LEDs for both indoor and outdoor use in applications such as lamps, ceiling lighting, street lights, and floodlights. [107]

  • Voltage sensitivity: LEDs must be supplied with a voltage above their threshold voltage and a current below their rating. Current and lifetime change greatly with a small change in applied voltage. They thus require a current-regulated supply (usually just a series resistor for indicator LEDs). [149]

  • Color rendition: Most cool- white LEDs have spectra that differ significantly from a black body radiator like the sun or an incandescent light. The spike at 460 nm and dip at 500 nm can cause the color of objects to be perceived differently under cool-white LED illumination than sunlight or incandescent sources, due to metamerism , [150] red surfaces being rendered particularly poorly by typical phosphor-based cool-white LEDs.

  • Area light source: Single LEDs do not approximate a point source of light giving a spherical light distribution, but rather a lambertian distribution. So LEDs are difficult to apply to uses needing a spherical light field; however, different fields of light can be manipulated by the application of different optics or "lenses". LEDs cannot provide divergence below a few degrees. In contrast, lasers can emit beams with divergences of 0.2 degrees or less. [151]

  • Electrical polarity : Unlike incandescent light bulbs, which illuminate regardless of the electrical polarity , LEDs will only light with correct electrical polarity. To automatically match source polarity to LED devices, rectifiers can be used.

  • Blue hazard: There is a concern that blue LEDs and cool-white LEDs are now capable of exceeding safe limits of the so-called blue-light hazard as defined in eye safety specifications such as ANSI/IESNA RP-27.1–05: Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamp and Lamp Systems. [152] [153]

  • Light pollution : Because white LEDs , especially those with high color temperature , emit much more short wavelength light than conventional outdoor light sources such as high-pressure sodium vapor lamps , the increased blue and green sensitivity of scotopic vision means that white LEDs used in outdoor lighting cause substantially more sky glow . [132] [154] [155] [156] [157] The American Medical Association warned on the use of high blue content white LEDs in street lighting, due to their higher impact on human health and environment, compared to low blue content light sources (eg High-Pressure Sodium, PC amber LEDs, and low CCT LEDs). [158]

  • Efficiency droop : The efficiency of LEDs decreases as the electric current increases. Heating also increases with higher currents which compromises the lifetime of the LED. These effects put practical limits on the current through an LED in high power applications. [62] [64] [65] [159]

  • Impact on insects: LEDs are much more attractive to insects than sodium-vapor lights, so much so that there has been speculative concern about the possibility of disruption to food webs. [160] [161]

  • Use in winter conditions: Since they do not give off much heat in comparison to incandescent lights, LED lights used for traffic control can have snow obscuring them, leading to accidents. [162] [163]

Applications [ edit ]

LED uses fall into four major categories:

  • Visual signals where light goes more or less directly from the source to the human eye, to convey a message or meaning

  • Illumination where light is reflected from objects to give visual response of these objects

  • Measuring and interacting with processes involving no human vision [164]

  • Narrow band light sensors where LEDs operate in a reverse-bias mode and respond to incident light, instead of emitting light [165] [166] [167] [168]

Indicators and signs [ edit ]

The low energy consumption , low maintenance and small size of LEDs has led to uses as status indicators and displays on a variety of equipment and installations. Large-area LED displays are used as stadium displays, dynamic decorative displays, and dynamic message signs on freeways. Thin, lightweight message displays are used at airports and railway stations, and as destination displays for trains, buses, trams, and ferries.

Red and green LED traffic signals

One-color light is well suited for traffic lights and signals, exit signs , emergency vehicle lighting , ships' navigation lights or lanterns (chromacity and luminance standards being set under the Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea 1972, Annex I and the CIE) and LED-based Christmas lights . In cold climates, LED traffic lights may remain snow-covered. [169] Red or yellow LEDs are used in indicator and alphanumeric displays in environments where night vision must be retained: aircraft cockpits, submarine and ship bridges, astronomy observatories, and in the field, eg night time animal watching and military field use.

Automotive applications for LEDs continue to grow.

Because of their long life, fast switching times, and their ability to be seen in broad daylight due to their high output and focus, LEDs have been used in brake lights for cars' high-mounted brake lights , trucks, and buses, and in turn signals for some time, but many vehicles now use LEDs for their rear light clusters. The use in brakes improves safety, due to a great reduction in the time needed to light fully, or faster rise time, up to 0.5 second faster [ citation needed ] than an incandescent bulb. This gives drivers behind more time to react. In a dual intensity circuit (rear markers and brakes) if the LEDs are not pulsed at a fast enough frequency, they can create a phantom array , where ghost images of the LED will appear if the eyes quickly scan across the array. White LED headlamps are starting to be used. Using LEDs has styling advantages because LEDs can form much thinner lights than incandescent lamps with parabolic reflectors .

Due to the relative cheapness of low output LEDs, they are also used in many temporary uses such as glowsticks , throwies , and the photonic textile Lumalive . Artists have also used LEDs for LED art .

Weather and all-hazards radio receivers with Specific Area Message Encoding (SAME) have three LEDs: red for warnings, orange for watches, and yellow for advisories and statements whenever issued.

Lighting [ edit ]

With the development of high-efficiency and high-power LEDs, it has become possible to use LEDs in lighting and illumination. To encourage the shift to LED lamps and other high-efficiency lighting, the US Department of Energy has created the L Prize competition. The Philips Lighting North America LED bulb won the first competition on August 3, 2011, after successfully completing 18 months of intensive field, lab, and product testing. [170]

LEDs are used as street lights and in other architectural lighting . The mechanical robustness and long lifetime are used in automotive lighting on cars, motorcycles, and bicycle lights . LED light emission may be efficiently controlled by using nonimaging optics principles.

LED street lights are employed on poles and in parking garages. In 2007, the Italian village of Torraca was the first place to convert its entire illumination system to LEDs. [171]

LEDs are used in aviation lighting. Airbus has used LED lighting in its Airbus A320 Enhanced since 2007, and Boeing uses LED lighting in the 787 . LEDs are also being used now in airport and heliport lighting. LED airport fixtures currently include medium-intensity runway lights, runway centerline lights, taxiway centerline and edge lights, guidance signs, and obstruction lighting.

LEDs are also used as a light source for DLP projectors, and to backlight LCD televisions (referred to as LED TVs ) and laptop displays. RGB LEDs raise the color gamut by as much as 45%. Screens for TV and computer displays can be made thinner using LEDs for backlighting. [172]

The lack of IR or heat radiation makes LEDs ideal for stage lights using banks of RGB LEDs that can easily change color and decrease heating from traditional stage lighting, as well as medical lighting where IR-radiation can be harmful. In energy conservation, the lower heat output of LEDs also means air conditioning (cooling) systems have less heat in need of disposal.

LEDs are small, durable and need little power, so they are used in handheld devices such as flashlights . LED strobe lights or camera flashes operate at a safe, low voltage, instead of the 250+ volts commonly found in xenon flashlamp-based lighting. This is especially useful in cameras on mobile phones , where space is at a premium and bulky voltage-raising circuitry is undesirable.

LEDs are used for infrared illumination in night vision uses including security cameras . A ring of LEDs around a video camera , aimed forward into a retroreflective background , allows chroma keying in video productions .

LED to be used for miners, to increase visibility inside mines

LEDs are used in mining operations , as cap lamps to provide light for miners. Research has been done to improve LEDs for mining, to reduce glare and to increase illumination, reducing risk of injury to the miners. [173]

LEDs are now used commonly in all market areas from commercial to home use: standard lighting, AV, stage, theatrical, architectural, and public installations, and wherever artificial light is used.

LEDs are increasingly finding uses in medical and educational applications, for example as mood enhancement, [ citation needed ] and new technologies such as AmBX , exploiting LED versatility. NASA has even sponsored research for the use of LEDs to promote health for astronauts. [174]

Data communication and other signalling [ edit ]

See also: Li-Fi

Light can be used to transmit data and analog signals. For example, lighting white LEDs can be used in systems assisting people to navigate in closed spaces while searching necessary rooms or objects. [175]

Assistive listening devices in many theaters and similar spaces use arrays of infrared LEDs to send sound to listeners' receivers. Light-emitting diodes (as well as semiconductor lasers) are used to send data over many types of fiber optic cable, from digital audio over TOSLINK cables to the very high bandwidth fiber links that form the Internet backbone. For some time, computers were commonly equipped with IrDA interfaces, which allowed them to send and receive data to nearby machines via infrared.

Because LEDs can cycle on and off millions of times per second, very high data bandwidth can be achieved. [176]

Sustainable lighting [ edit ]

Efficient lighting is needed for sustainable architecture . In 2009, US Department of Energy testing results on LED lamps showed an average efficacy of 35 lm/W, below that of typical CFLs , and as low as 9 lm/W, worse than standard incandescent bulbs. A typical 13-watt LED lamp emitted 450 to 650 lumens, [177] which is equivalent to a standard 40-watt incandescent bulb.

However, as of 2011, there are LED bulbs available as efficient as 150 lm/W and even inexpensive low-end models typically exceed 50 lm/W, so that a 6-watt LED could achieve the same results as a standard 40-watt incandescent bulb. The latter has an expected lifespan of 1,000 hours, whereas an LED can continue to operate with reduced efficiency for more than 50,000 hours.

See the chart below for a comparison of common light types:


LED CFL Incandescent
Lightbulb Projected Lifespan 50,000 hours 10,000 hours 1,200 hours
Watts Per Bulb (equiv. 60 watts) 10 14 60
Cost Per Bulb $2.00 $7.00 $1.25
KWh of Electricity Used Over 50,000 Hours 500 700 3000
Cost of Electricity (@ 0.10 per KWh) $50 $ 70 $300
Bulbs Needed for 50,000 Hours of Use 1 5 42
Equivalent 50,000 Hours Bulb Expense $2.00 $35.00 $52.50
TOTAL Cost for 50,000 Hours $52.00 $105.00 $352.50

Energy consumption [ edit ]

In the US, one kilowatt-hour (3.6 MJ) of electricity currently causes an average 1.34 pounds (610 g) of CO
2
emission. [178] Assuming the average light bulb is on for 10 hours a day, a 40-watt bulb will cause 196 pounds (89 kg) of CO
2
emission per year. The 6-watt LED equivalent will only cause 30 pounds (14 kg) of CO
2
over the same time span. A building's carbon footprint from lighting can, therefore, be reduced by 85% by exchanging all incandescent bulbs for new LEDs if a building previously used only incandescent bulbs.

In practice, most buildings that use a lot of lighting use fluorescent lighting , which has 22% luminous efficiency compared with 5% for filaments, so changing to LED lighting would still give a 34% reduction in electrical power use and carbon emissions.

The reduction in carbon emissions depends on the source of electricity. Nuclear power in the United States produced 19.2% of electricity in 2011, so reducing electricity consumption in the US reduces carbon emissions more than in France ( 75% nuclear electricity ) or Norway ( almost entirely hydroelectric ).

Replacing lights that spend the most time lit results in the most savings, so LED lights in infrequently used locations bring a smaller return on investment.

Light sources for machine vision systems [ edit ]

Machine vision systems often require bright and homogeneous illumination, so features of interest are easier to process. LEDs are often used for this purpose, and this is likely to remain one of their major uses until the price drops low enough to make signaling and illumination uses more widespread. Barcode scanners are the most common example of machine vision, and many low-cost products use red LEDs instead of lasers. [179] Optical computer mice are an example of LEDs in machine vision, as it is used to provide an even light source on the surface for the miniature camera within the mouse. LEDs constitute a nearly ideal light source for machine vision systems for several reasons:

  • The size of the illuminated field is usually comparatively small and machine vision systems are often quite expensive, so the cost of the light source is usually a minor concern. However, it might not be easy to replace a broken light source placed within complex machinery, and here the long service life of LEDs is a benefit.

  • LED elements tend to be small and can be placed with high density over flat or even-shaped substrates (PCBs etc.) so that bright and homogeneous sources that direct light from tightly controlled directions on inspected parts can be designed. This can often be obtained with small, low-cost lenses and diffusers, helping to achieve high light densities with control over lighting levels and homogeneity. LED sources can be shaped in several configurations (spot lights for reflective illumination; ring lights for coaxial illumination; backlights for contour illumination; linear assemblies; flat, large format panels; dome sources for diffused, omnidirectional illumination).

  • LEDs can be easily strobed (in the microsecond range and below) and synchronized with imaging. High-power LEDs are available allowing well-lit images even with very short light pulses. This is often used to obtain crisp and sharp "still" images of quickly moving parts.

  • LEDs come in several different colors and wavelengths, allowing easy use of the best color for each need, where different color may provide better visibility of features of interest. Having a precisely known spectrum allows tightly matched filters to be used to separate informative bandwidth or to reduce disturbing effects of ambient light. LEDs usually operate at comparatively low working temperatures, simplifying heat management, and dissipation. This allows using plastic lenses, filters, and diffusers. Waterproof units can also easily be designed, allowing use in harsh or wet environments (food, beverage, oil industries). [179]

Other applications [ edit ]

LED costume for stage performers

LED wallpaper by Meystyle

The light from LEDs can be modulated very quickly so they are used extensively in optical fiber and free space optics communications. This includes remote controls , such as for TVs, VCRs, and LED Computers, where infrared LEDs are often used. Opto-isolators use an LED combined with a photodiode or phototransistor to provide a signal path with electrical isolation between two circuits. This is especially useful in medical equipment where the signals from a low-voltage sensor circuit (usually battery-powered) in contact with a living organism must be electrically isolated from any possible electrical failure in a recording or monitoring device operating at potentially dangerous voltages. An optoisolator also allows information to be transferred between circuits not sharing a common ground potential.

Many sensor systems rely on light as the signal source. LEDs are often ideal as a light source due to the requirements of the sensors. LEDs are used as motion sensors , for example in optical computer mice . The Nintendo Wii 's sensor bar uses infrared LEDs. Pulse oximeters use them for measuring oxygen saturation . Some flatbed scanners use arrays of RGB LEDs rather than the typical cold-cathode fluorescent lamp as the light source. Having independent control of three illuminated colors allows the scanner to calibrate itself for more accurate color balance, and there is no need for warm-up. Further, its sensors only need be monochromatic, since at any one time the page being scanned is only lit by one color of light. Since LEDs can also be used as photodiodes, they can be used for both photo emission and detection. This could be used, for example, in a touchscreen that registers reflected light from a finger or stylus . [180] Many materials and biological systems are sensitive to, or dependent on, light. Grow lights use LEDs to increase photosynthesis in plants , [181] and bacteria and viruses can be removed from water and other substances using UV LEDs for sterilization . [98]

LEDs have also been used as a medium-quality voltage reference in electronic circuits. The forward voltage drop (eg about 1.7 V for a normal red LED) can be used instead of a Zener diode in low-voltage regulators. Red LEDs have the flattest I/V curve above the knee. Nitride-based LEDs have a fairly steep I/V curve and are useless for this purpose. Although LED forward voltage is far more current-dependent than a Zener diode, Zener diodes with breakdown voltages below 3 V are not widely available.

The progressive miniaturization of low-voltage lighting technology, such as LEDs and OLEDs , suitable to be incorporated into low-thickness materials has fostered in recent years the experimentation on combining light sources and wall covering surfaces to be applied onto interior walls. [182] The new possibilities offered by these developments have prompted some designers and companies, such as Meystyle , [183] Ingo Maurer , [184] Lomox [185] and Philips , [186] to research and develop proprietary LED wallpaper technologies, some of which are currently available for commercial purchase. Other solutions mainly exist as prototypes or are in the process of being further refined.