Die Evolution der LED-Technik von damals bis heute

Die Evolution der LED Technik

Die Evolution der LED-Technik

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. Jedoch war es 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. 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 immer aus einer Halbleiter-Komponente, die Licht emittiert, also aussendet, basierend auf dem Prinzip einer Diode.

Die historische Entwicklung der LEDs

Die Geschichte der Leuchtdiode, kurz LED, 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, also leiten konnte. In der anderen Richtung floss jedoch weitaus weniger Strom. Er selbst und dem 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 noch nicht.

Das Verständnis der Halbleiterwirkung durch Losev

Bis in die 1920er Jahre stand die LED-Forschung still bis der junge russische Ingenieur Oleg Losev auf die Bühne trat, der im Übrigen keinerlei formale Ausbildung erhalten hatte. Er beobachtete die Emission von Licht aus Zinkoxid- und Siliziumkarbid-Kristall-Gleichrichterdioden, die in Funkempfängern verwendet wurden, als Strom durch sie hindurchgeführt wurde. 1927 veröffentlichte er seinen ersten Artikel zur Emission von Siliziumkarbid-Dioden 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 Siliziumkarbid Kristall und einem Metalldraht ein und notierte das Spektrum dieses Lichts. Nachhaltig 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.

Losev 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 LED-Emission auf die Wirkung der Diode bezogen war. Zudem nahm er genaue Messungen über die Strom-Spannungs-Kennlinien des Gerätes vor. Er untersuchte die Temperaturabhängigkeit der Emission bis zur Temperatur der verflüssigten Luft und modulierte diese LED-Emission bis zu einer Frequenz von 78,5 kHz, in dem sie einen Wechselstrom an den Kontakt übergab.

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 Losev 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 LED. Da diese sich jedoch im Infrarotbereich befand, war sie in einem für den Menschen nicht sichtbaren Lichtspektrum.

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 sichtbare rote LED im selben Jahr herzustellen. Dr. Holonyak Jr. erfand die sichtbare lichtemittierende Diode.

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 sichtbare LEDs in Massen. Im Jahr 1968 stellte Monsanto rote LEDs als Indikatoren her. Doch erst in den 1970er Jahren wurden LEDs durch Fairchild Optoelectronics bekannt. Sie begannen in den USA mit der Herstellung von kostengünstigen LED-Geräten, die weniger als fünf Cent kosteten. Monsanto hingegen war die erste Firma, die kostengünstige LEDs herstellte.

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 Y3Al5O12: Ce (YAG) verwenden. Diese Abkürzung steht für Yttrium-Aluminium-Granat, ein synthetisches kristallines Material. Es ist eine Phosphor-Beschichtung, die gelbes (nach unten umgewandeltes) 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 demonstrierte 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.

Zusammenfassung

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 konnte nicht nur zu einer energieeffizienten Lichtquelle führen, sondern hat die Farben des (künstlich erzeugten) Lichts, den Spektralbereich entsprechend vergrößert.

LED Pflanzenlicht von der NASA getestet

Für das Ziehen 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 Wachstumsreaktionen 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 nehmen.

Durch die Forschung der NASA wurde klar, 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 (Farben) 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 können nicht zum Growen benutzt werden, da das benötigte Lichtspektrum mit der erforderlichen Wellenlänge nicht vorhanden ist. Speziell benötigtes Pflanzenlicht kann jedoch im Growshop erworben werden.