Hoe werkt een led lichtbron

Met enige regelmaat krijgen we de vraag wat een led eigenlijk is en hoe het werkt. Meestal krijgen we die vragen van techneuten, dus we hebben de beantwoording van de vragen hieronder verwoord vanuit een technisch perspectief.

Een led is een halfgeleider; een diode om precies te zijn. Het dankt er zijn naam aan: Light Emmiting Diode, oftewel led. Net zoals een normale diode, bestaat de led bestaat uit een chip van halfgeleidermateriaal gedoteerd met onzuiverheden om een een p/n junctie te creëren. Net als in andere diodes, vloeit de stroom (I) gemakkelijk van de p-kant (ook wel anode genoemd), naar de n-kant (kathode), maar niet in de omgekeerde richting. Dragers van elektrische lading (elektron) en tussenliggende 'gaten' kruisen elkaar met verschillende voltages (U). Als een elektron een gat tegen komt, dan ontstaat er een laag energie niveau en komt er energie vrij in de vorm van een foton.

De golflengte van het uitgestraalde licht en dus de kleur word bepaald door de gerbuikte materialen om te komen tot de p/n junctie. In silicium of germanium diodes resulteren in een niet-stralende overgang, daar deze geen optische uitstoot produceert. De gebruikte materialen voor de led verlichting brengen in de p/n junctie infrarood-, zichtbaar- of ultraviolet licht teweeg.

De led ontwikkeling begon met infrarood en rood apparaten gemaakt met gallium arsenide. Ontwikkelingen in de materiaalkunde hebben geresulteerd in exemplaren met steeds kortere golflengten en daardoor het uitstralen van zichtbaar licht in een verscheidenheid van kleuren.

Technische opbouw van een led

Ledjes zijn meestal gebouwd op een n-type substraat afgezet tegen een elektrode laag van het p-type aan het oppervlak. Andersom komt ook voor, maar kom je zelden tegen. Veel commerciële led's bedoeld voor verlichting, met name de variant met GaN/InGaN, maken gebruik maken van een saffier substraat.

De meeste materialen gebruikt voor de productie van led hebben een zeer hoge brekingsindex. Dit betekent dat veel licht zal worden teruggekaatst in het materiaal ter plaatse van het materiaal / lucht oppervlakte. De extractie van het gegenereerde licht in een led is dan ook een belangrijk aspect van in de productie. Op dit vlak word er veel onderzoek verricht, nu en in de toekomst. Hoe mider terug gekaatst word, hoe meer licht er vrij komt en dus hoe efficiënter de led is.

Hierboven is aangegeven dat de kleur van het opgewekte licht is afhankelijk van de aard van de materialen waaruit de led is opgebouwd, meer specifiek de breedte van de verboden zone tussen de valentieband en de geleidingsband. Dit verklaart ook waardoor een led met een lange golflengte een lagere doorlaatspanning heeft dan een met een korte golflengte, bijvoorbeeld rood 1,5 Volt en blauw 3,6 Volt. Voor de liefhebbers onderstaand een overzicht:

  • Gallium-aluminiumarsenide (AlGaAs) => rood en infrarood
  • Aluminiumindiumgalliumfosfide (AlInGaP2) => diep rood , rood , rood oranje en amber
  • Galliumarseenfosfide (GaAsP) => rood oranje geel (amber)
  • Galliumnitride (GaN) => groen
  • Galliumfosfide (GaP) => groen
  • Zinkselenide (ZnSe) => blauw
  • Siliciumcarbide (SiC) => blauw
  • Indiumgalliumnitride (InGaN) => groen, blauw of ultraviolet
  • Diamant (C) => ultraviolet