Die Entwicklung der LEDs dauerte viele Jahrzehnte. Bis aus den ersten Versuchen eine zuverlässige Lichtquelle für den Verbraucher werden konnte, brauchte es viel Zeit und eine Reihe von unterschiedlichen Entwicklern auf der ganzen Welt. Selbst als die ersten LEDs schließlich marktreif waren und es entsprechende LED-Geräte gab, sah man lange Zeit keine Notwendigkeit, die alten Glühlampen zu verbessern oder sie gar auszurangieren. Es war ein weiter Weg von den ersten Versuchen mit Halbleitern für die Signalübertragung bis zu einer kostengünstigen und energieeffizienten Alternative in puncto Lichtquelle: der LED.
LED: Eine kurze Definition
Die Abkürzung LED steht für Leuchtdiode und ist die Abkürzung von light-emitting-diode, was schlicht lichtemittierende Diode bedeutet. Eine Diode ist eine Elektronenröhre mit den beiden Elektroden Anode und Kathode. Dabei kann der Strom von der einen in die andere Richtung fast ungehindert fließen, wohingegen der Strom in die andere Richtung kaum durchgelassen wird. Eine Leuchtdiode besteht aus so einer Halbleiter-Komponente, die Licht emittiert, also aussendet, basierend auf dem Prinzip einer herkömmlichen Diode.
Die historische Entwicklung der LEDs
Die Geschichte der Leuchtdiode nimmt, man mag es kaum glauben, einen langen Zeitraum in der Entwicklungsgeschichte ein. Auch wenn uns diese Lichttechnik relativ neu vorkommt, beginnt die eigentliche Entstehung schon im zweiten Teil des 19. Jahrhunderts.
Karl Ferdinand Braun als Wegbereiter
Der deutsche Physiker und spätere Nobelpreisträger Karl Ferdinand Braun war zu Beginn seiner Forschung in erster Linie auf die Signalübertragung fokussiert. Mit 24 Jahren beschäftigte er sich mit den Eigenschaften von Elektrolyten und Kristallen, die Elektrizität leiteten. Bei der Untersuchung von Bleisulfid mit der Spitze eines dünnen Metalldrahts im Jahre 1874 merkte Braun, dass der Strom nur in eine Richtung frei fließen konnte. In der anderen Richtung floss jedoch weitaus weniger Strom. Er selbst und dem wissenschaftlich geschulten Publikum, dem er diesen Halbleiter-Effekt 1876 vorführte, blieben die Gründe dafür ein Rätsel.
Round und der lichtemittierende Diodeneffekt
Erst der britische Ingenieur Henry Joseph Round, der für den berühmten Forscher Marconi arbeitete, experimentierte zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit Kristalldetektoren im Zuge der Entwicklung von Funkempfängern und beobachtete den lichtemittierenden Diodeneffekt. 1907 legte er einen Bericht über die Lichtemission von Carborundum (Roh-Siliziumkarbid) und anderen Substanzen vor. Aus dem Carborundum drang ein gelbliches Licht bei niedriger Spannung. Bei höheren Spannungen sah er hingegen gelbe, hellgrüne, orange und blaue Lichter an verschiedenen Punkten unterschiedlicher Kristalle.
In allen getesteten Fällen schien das Glühen aus dem negativen Pol zu kommen, wohingegen ein heller blaugrüner Funke auf dem positiven Pol erschien.
Es gab vermutlich eine Verbindung zwischen der Spannung über dem Carborundum-Übergang und der Emission von Licht. Auch Round verstand den Mechanismus seiner Entdeckung nicht.
Das Verständnis der Halbleiterwirkung durch Losev
Bis in die 1920er Jahre stand die LED-Forschung still. Erst dann betrat der junge russische Ingenieur Oleg Losev, der im Übrigen keinerlei formale Ausbildung erhalten hatte, auf die Bühne. Er beobachtete die Emission von Licht aus Zinkoxid- und Siliziumkarbidgleichrichterdioden, die in Funkempfängern verwendet wurden. 1927 veröffentlichte er seinen ersten Artikel zur Emission von Siliziumkarbiddioden in einer russischen Zeitschrift. Auch britische und deutsche Zeitschriften zeigten bald Interesse an Losevs Artikel.
Losev stellte den Stromschwellenwert für den Beginn der Emission von Licht aus dem Punktkontakt zwischen einem Siliziumkarbidkristall und einem Metalldraht ein und notierte das Spektrum dieses Lichts. Es lässt sich sagen, dass dies die Entdeckung dessen war, was wir heutzutage als die lichtemittierende Diode bzw. LED kennen. Er studierte die LEDs und ihre Anwendungen umfassend und veröffentliche zwischen 1924 und 1930 eine Vielzahl von Artikeln.
Der Ingenieur biss sich an diesem Thema fest und begriff die Hintergründe dieser bisher so unverstandenen Erscheinung. Er erkannte die nicht-thermische Natur der Lichtemission, da es eine Halbleiterwirkung war. Er verstand, dass die Lichtemission auf die Wirkungsweise der Diode bezogen war. Zudem nahm er genaue Messungen über die Strom-Spannungs-Kennlinien des Gerätes vor.
Losev benutzte Einsteins Quantentheorie, um die Wirkung der LED zu beschreiben und nannte diesen Emissionsprozess den umgekehrten photoelektrischen Effekt. Er schlug zudem eine Formel vor, die sich auf den Spannungsabfall am Diodenkontakt V, die elektronische Ladung e und die Häufigkeit der Lichtemission h bezog: v=eV/h; eine Formel, die auch heute noch benutzt wird.
In seiner weiterführenden Arbeit untersuchte er die Temperaturverhältnisse des Effektes bzw. die Abkühlung der Halbleiter auf sehr niedrige Temperaturen. Er modulierte auch die LED, um die Auswirkungen der Frequenz eines Stroms zu sehen, der an die Diode angelegt wurde.
1929 veröffentlichte Losev detaillierte Messungen der LED-Spektren und beobachtete ihre Abhängigkeit von Strömen. Bemerkenswerterweise verwendeten die ersten signifikanten blauen LEDs, die in den frühen 1990er Jahren neu erfunden wurden, Siliziumkarbid. In der Telekommunikation war Losev der Erste, der das wahre Potenzial der LEDs begriff.
Die Infrarot-LED
In den kommenden Jahren gab es in der Halbleitertechnologie immer mal wieder kleinere Entwicklungen. Der nächste große Sprung gelang jedoch Robert Baird und Gary Pittman im Jahre 1961. Sie erfanden für die Firma Texas Instruments (heute Texas Instrument Incorporated – TI, eines der größten US-amerikanischen Technologieunternehmen) die Infrarot-LED und erwarben ein Patent dafür. Es war die Erste moderne LED, strahlte aber in einem für Menschen nicht sichtbaren Bereich.
Der Durchbruch durch den Bandabstand
Erst Dr. Nick Holonyak Jr., ein amerikanischer Ingenieur und Wissenschaftler, fand den Durchbruch. Er entwickelte 1960 Galliumarsenidphosphid. Damit konnte der Bandabstand des Halbleitermaterials verändert werden. Dies war der Wegbereiter zur Tunneldiode. Holonyak konnte 1962 dadurch die optischen Eigenschaften beeinflussen, nachdem er einen Infrarot Galliumarsenid-Halbleiterlaser gesehen hatte. Mithilfe von Dr. Robert Hall gelang es Holonyak, seine im sichtbaren Bereich leuchtende rote LED im selben Jahr herzustellen. Dr. Holonyak Jr. erfand damit die erste lichtemittierende Diode, die für Menschen sichtbares Licht erzeugte.
Die erste gelbe LED
M. George Craford entwickelte schließlich für die Monsanto Company die erste gelbe LED mit Galliumarsenidphosphid in der Diode. Er verbesserte zudem die Helligkeit der roten und rot-orangen LEDs um das Zehnfache.
Effizienz-Entwicklung
Mitte der 70er Jahre experimentierte T. P. Pearsall mit neuen Halbleitermaterialien, um die LED-Technologie für den Einsatz in optischen Faserübertragungen für die Telekommunikation anzupassen. Er entwickelte die ersten LEDs, die eine intensive Helligkeit mit höherer Effizienz verbanden.
LED-Technologie für jeden
LEDs und LED-Geräte
Monsanto produzierte als erste Firma im sichtbaren Bereich LEDs in Massen. Im Jahr 1968 stellte sie rote LEDs als Indikatoren her. Shuji Nakamura erfand 1994 schließlich die erste blaue LED, die Galliumnitrid verwendete. 1995 untersuchte Alberto Baribieri die Zuverlässigkeit und Effizienz der LEDs, die eine hohe Helligkeit aufwiesen, und entwickelte eine LED aus Indiumzinnoxid (ITO). ITO ist im sichtbaren Licht fast durchsichtig und besteht aus Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) und Galliumarsenid (GaAs). Die Existenz der blauen LEDs und hocheffizienten LEDs führte bald auch zur Entwicklung von weißen LEDs, die Yttrium-Aluminum-Garnet (YAG) verwenden, ein synthetisches kristallines Material. Es ist eine Phosphor-Beschichtung, die gelbes (von Rot ausgehend umgewandelt) Licht mit blau mischt, um Licht zu erzeugen, das weiß erscheint.
Die LEDs der 2000er
2001 und 2002 wurden Galliumnitrid-LEDs (geringe externe Quanteneffizienz) auf Silizium umgestellt, um eine verbesserte Lichtleistung, eine verlängerte Produktlebensdauer und einen effektiveren Umweltschutz zu erreichen.
LEDs für Höchstleistungen
2012 präsentierte Osram die Hochleistungs-Indiumgalliumnitrid LEDs. Indiumgalliumnitrid bildet eine lichtemittierende Schicht auf den heutigen blauen und grünen LEDs. Es wird oftmals mithilfe von Galliumnitrid auf einem transparenten Substrat gezüchtet, wie z.B. Saphir oder Siliziumkarbid. Die Wärmekapazität ist hoch, die Empfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung jedoch niedrig.
LEDs für Höchstleistungen
Wie sich zeigte, war die Entwicklung der LED vom ersten Schritt bis zum heutigen Tag einem langen Prozess unterworfen. Die Entwicklung der Halbleitertechnik mit der Nutzung unterschiedlicher Halbleitermaterialien führte nicht nur zu einer energieeffizienten Lichtquelle. Darüber hinaus hat sie das Farbspektrum des künstlich erzeugten Lichts deutlich vergrößert.
LED Pflanzenlicht von der NASA getestet
Für das Aufziehen von Pflanzen diverser Art ist eine LED-Pflanzenlampe mehr als nur eine Alternative. Linda Herridge vom National Aeronautics and Space Administration (NASA) veröffentlichte 2012 einen Artikel über die Effizienz von LEDs für das Pflanzenwachstum durch gezielte Pflanzenbeleuchtung. Für lange Raumfahrtmissionen müssen effektive Lösungen gefunden werden, um pflanzliche Nahrung schnell wachsen zu lassen. Versuche in künstlichen Habitaten mit der Hilfe von LED-Leuchten wurden durchgeführt. Dazu wurden diverse Pflanzenarten mit roter oder blauer LED-Beleuchtung unterschiedlicher Lichtspektren bestrahlt. Es wurde nicht nur die Vielseitigkeit und Effizienz der LEDs hervorgehoben, sondern auch ihre lange Lebensdauer.
Die Wachstumsreaktion der Pflanzen auf rote und blaue LEDs wurde genau getestet und untersucht. Bei roten und blauen LEDs zeigten die untersuchten essbaren Pflanzen einen erhöhten Anthocyane-Anteil, der als starkes Antioxidans gilt. Die kleinsten Änderungen in den Lichtverhältnissen konnten die antioxidativen Eigenschaften deutlich beeinflussen. Dies bedeutet, dass die Kenntnis über die unterschiedlichen Lichtquellen auch auf der Erde einen enormen Einfluss auf das Wachstum unserer Pflanzen haben, weil durch die passgenaue Auswahl des Lichts die Zuchterfolge im Innenraumanbau deutlich verbessert werden.
Durch die Forschung der NASA wurde unterstrichen, dass Pflanzen dazu neigen, blaues und rotes Licht für die Fotosynthese zu verwenden. Grünes Licht wird hingegen von den Blättern reflektiert.
LED Grow Lampe
Das Besondere an LEDs bzw. an LED Pflanzenlicht ist die Produktion einer spezifischen Wellenlänge (Farbe) des Lichts. Die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts können auf die Wachstumsstufen abgestimmt werden. LEDs können nun verwendet werden, um Pflanzen vom Anfang bis zum Ende ihres Lebenszyklus beim Wachstum effektiv zu unterstützen.
Dabei sind sie energetisch hocheffizient, sodass die Stromrechnung nicht in die Höhe schnellt. Sie entwickeln kaum Wärme. Auf sehr kleinen Anbauflächen muss somit nicht auf die Hitzeentwicklung geachtet und separate Kühlsysteme eingebaut werden. Die meisten LED Pflanzenlampen können direkt in eine reguläre Steckdose gesteckt werden und benötigen kein Vorschaltgerät.
Die für den herkömmlichen Haushalt angebotenen LEDs sind nicht optimal, weil sie zahlreiche nicht nutzbare Spektren emittieren. Spezielles Pflanzenlicht wird von den meisten Anbietern moderner LED-Pflanzleuchten bevorzugt.
