Leuchtdioden (LEDs) erzeugen ihr Licht aus einem Kristall. Dieser ist ähnlich aufgebaut wie bei den Dioden aus der Elektronik: Er besteht aus zwei entgegengesetzt geladenen Schichten. Auf der einen Seite herrscht ein Überschuss an Elektronen – auf der anderen Seite ein Mangel an Elektronen, so genannte Löcher. Wird dieser Kristall, die Leuchtdiode, nun in Durchlassrichtung betrieben, so dass ein Strom fließen kann, fallen die Elektronen in der Übergangsschicht in die Löcher und geben ihre Energie in Form von Licht ab (Elektrolumineszenz). Diese Übergangsschicht wird auch Sperrschicht genannt.

Überschuss und Mangel an Elektronen wird durch Dotierung mit Elementen aus der 5. bzw. aus der 3. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente erreicht (z. B. Phosphor und Bor). Man spricht auch von n- und p-Dotierung (für negativ und positiv).Als Grundmaterial für den Kristall werden Verbindungshalbleiter verwendet. Das sind Kristalle, die aus Elementen der 3. und 5. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente bestehen. Beispiele sind für rotes Licht AlGaAs, GaAsP, AlGaInP und GaP, für grünes Licht InGaN, GaP, AlGaInP und AlGaP und für blaues Licht ZnSe, InGaN und SiC.

Halbleiter Kristalle

Die Notwendigkeit unterschiedlicher Materialien für die verschiedenen Farben ergibt sich aus der energetischen Struktur der Halbleiterkristalle: Haben die Elektronen eine niedrige Energie, so können sie sich nicht frei bewegen – sie befinden sich in einem Energiebereich der auch Valenzband genannt wird. Wird die Energie nur etwas größer, so sind die Elektronen noch immer nicht frei. Erst ab einer gewissen Mindestenergie ist freie Bewegung – und somit Stromfluss – möglich. Die Elektronen befinden sich dann in einem Energiebereich, der auch Leitungsband genannt wird.

Bei der Rekombination von Elektronen und Löchern, bei der ja das Licht entsteht, fallen die Elektronen vom Leitungs- ins Valenzband – der Energieunterschied wird als Licht mit einer bestimmten Farbe abgegeben. Bei den verschiedenen Halbleitermaterialien ist dieser Energieunterschied – man nennt ihn Bandlücke – unterschiedlich groß. Deshalb ist auch die ausgesendete Lichtfarbe verschieden. Eine kleine Bandlücke führt zu roter Farbe oder zu infrarot – eine große Bandlücke ergibt blaue Farbe oder sogar UV. Dies ist im Bild rechts veranschaulicht.

Quelle Bild 1 und 2: www.optischetechnologien.de