Überblick: wie funktionieren LEDs?

Aus der elektronischen Welt ist die Leuchtdiode (LED) seit Jahrzehnten nicht mehr wegzudenken. Die Grundlagen ihrer Konstruktion wurden bereits in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt, aber beinahe 100 Jahre lang ignoriert. Die elektrischen Eigenschaften passten einfach zu wenig in das physikalische Weltbild. Seit etwa 50 Jahren befindet sich LED jedoch auf dem Siegeszug – insbesondere mit spektakulären Entwicklungen seit Beginn des neuen Jahrtausends.

Kristalle mit besonderen Eigenschaften

Als Ferdinand Braun 1876 in seinen Untersuchungen feststellte, dass Kristalle elektrischen Strom hervorragend leiten, wurde diese Erkenntnis lange von der Wissenschaft ignoriert. Sie widersprach schlichtweg der damaligen Vorstellung von dem Aufbau der Materie. Selbst nachdem Forscher nachgewiesen hatten, dass bestimmte Stoffe bei Anlegen einer Spannung Licht aussenden, dauerte es noch über 50 Jahre, bis daraus ein praktischer Nutzen gezogen wurde. Das liegt vor allem daran, dass die Suche nach geeigneten Materialien sehr aufwendig und langwierig war und erst durch den Einsatz leistungsfähiger Computer beschleunigt wurde. Deshalb war es lange Zeit nur möglich, bestimmte Farben mit einer Leuchtdiode zu erzeugen – die Situation hat sich erst in den letzten zehn Jahren fundamental gewandelt.

Der Aufbau einer Leuchtdiode

Von ihrem Prinzip her ähneln LEDs den Chips, die ihrer Entwicklung erst zum Durchbruch verholfen haben. Sie beruhen wie Computer auf Halbleitern, die Strom lediglich in eine Richtung weiterleiten. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass sie dabei Licht in einer bestimmten Wellenlänge aussenden, sobald eine Spannung in der entsprechenden Richtung angelegt wird. Molekulare Prozesse führen dazu, dass Elektronen ihr Energieniveau wechseln – die dabei frei werdende Energie wird in Form von Photonen abgestrahlt. Aus diesem Grund bestehen LEDs aus einer Schicht von Kristallen, die über einen großflächigen Pol an ihrer Unterseite und einem feinen Draht an der Oberseite unter Strom gesetzt werden. Ein metallener Reflektor, in dem sie angebracht werden, bündelt das Licht und sendet es in eine bestimmte Richtung.

Das komplette Farbspektrum ist mittlerweile verfügbar

Leuchtdioden bestehen aus Kristallen, die Strom nur in eine bestimmte Richtung weiterleiten und überschüssige Energie als Wellen in den sichtbaren Bereich aussenden. Nur sehr wenige Verbindungen besitzen optimale Eigenschaften, um die angelegte Spannung auch effektiv umzusetzen. Erst seit Kurzen sind daher bestimmte Farben wie Blau oder Weiß möglich, während rote Leuchtdioden schon seit Jahrzehnten verwendet werden.

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