Halbleiter und Leitungsarten
Stromfluss entsteht durch die Bewegung freier Elektronen. Innerhalb eines Materials können sie sich aus den Umlaufbahnen ihrer Valenzschalen lösen. Sind die äußeren Elektronenschalen jedoch nicht vollständig besetzt, können anliegende Atome Bindungen eingehen, um die Edelgasregel zu erfüllen, indem sie sich ein gemeinsames Valenzelektron teilen. Diese Elektronenbrücke erschwert die Loslösung einzelner Elektronen, weshalb die Leitfähigkeit materialabhängig ist. Ein Atom geht über die Brücken Bindungen zu je vier weiteren Atomen ein. Da jeweils ein Elektron beider Atome an der Elektronenpaarbindung beteiligt ist, muss das Element, aus dem das Halbleitermaterial besteht, mindestens vier-wertig sein. Im Gegensatz zur Leitern oder Isolatoren, bei denen nahezu alle, bzw. gar keine Elektronen frei sind, befinden sich in Halbleitern nahezu alle Elektronen in Valenzschalen. Sie können sich bei Halbleitermaterialien selten loslösen, wodurch ein relativ geringer Stromfluss entsteht.
Nach dem Bändermodell beschreiben Bänder Energieniveaus von Elektronen auf ihren Umlaufbahnen um ein Atom. Im Valenzband befinden sich Elektronen in der Umlaufbahn der vollbesetzten Valenzschale. Dies ist der energieärmste Zustand, aus dem sich die Elektronen schwer lösen. Beim Wechsel auf eine höhere Umlaufbahn, dem Leitungsband, verlassen sie das Valenzband. Es erfolgt die Generation eines freien Ladungsträgers, der sich relativ unbehindert bewegen kann. Möglich ist die Bewegungsfreiheit, da im Leitungsband nur sehr wenige Elektronen aufgrund der beschränkten Leitfähigkeit von Halbleitern fließen. Der Stromfluss durch Generation heißt Elektronenleitung. Daran schließt Winzker an, dass bei der Loslösung eines Elektrons gleichzeitig eine “Lücke” in der Valenzschale entsteht, ein sogenanntes Loch. In dieses “schlüpft” ein anderes Elektron, ohne seine Valenzschale zu verlassen. Es wird nämlich keine weitere Energie benötigt, wenn eine gleichwertige Bindung eingegangen wird, weshalb es sich bei dem füllenden Elektron um eines desselben Atoms handelt. Analog heißt das Füllen von Löchern Rekombination von Ladungsträgern. Infolge der zuvor beschriebenen Atombindungen entsteht eine Art Kettenreaktion von Rekombinationen, wie Winzker sie beschreibt. Diese verläuft durch die kovalenten Bindungen von Atom zu Atom. Da Atome im Grundzustand elektrisch neutral sind, bleiben positiv geladene Atome nach der Generation zurück. Obwohl sich bei den Kettenreaktionen lediglich Elektronen bewegen, wird anschaulich die Bewegung eines Loches als die eines fiktiven, positiven Ladungsträgers, auch Löcherleitung genannt, beschrieben.
Die Vorgänge beider Leitungsarten, bzw. die der Generation und Rekombination, sowie das Bändermodell sind in der nebenstehenden Abbildung zum besseren Verständnis dargestellt. Sie sind die Ursache des Stromflusses bei Halbleitern und somit auch aller Leuchtdioden. Insgesamt herrscht im Halbleiter ein Gleichgewicht zwischen Elektronen- und Löcherleitung, womit die Gesamtzahl aller freien Ladungsträger, und infolgedessen der Stromfluss, konstant bleiben. Vereinfacht lässt sich unter Vernachlässigung der Selbstinduktion annehmen, dass das emittierte Licht einer Leuchtdiode proportional zum Stromfluss ist.
Dotierung und Leuchtdioden
Im Gegensatz zur Eigenleitung eines reinen Halbleiters, entsteht durch das Einfügen von Fremdatomen eine Störleitung bei Dioden. Dabei werden drei- oder fünf-wertige Atome verwendet, sodass je ein Elektron zu wenig, bzw. zu viel für eine Elektronenpaarbindung vorhanden sind. Für Brücken ungenutzte Elektronen lösen sich mit Leichtigkeit und erzeugen eine Elektronenleitung. Drei-wertige Atome werden aufgrund der Abgabe freier Elektronen Donatoren genannt. Entsprechend entsteht eine Löcherleitung durch das Defektelektron. Da die fünf-wertigen Atome bei der Rekombination Elektronen aufnehmen, heißen sie Akzeptoren. Dioden sind Halbleiterbauelemente mit zwei unterschiedlich dotierten Bereichen. Der n-Leiter verfügt über zusätzliche negative Ladung durch Donatoren, weshalb er auch Überschusshalbleiter genannt wird. Der Bereich des p-Leiters verfügt über einen Elektronenunterschuss durch die Akzeptoren, weshalb er auch Mangelhalbleiter heißt. Aufgrund der Ladungsträgerdiffusion bewegen sich Elektronen zum Mangelhalbleiter, wo sie rekombinieren. Im Normalzustand sind Atome elektrisch neutral. Lösen sich Elektronen von ihren ursprünglichen Atomen oder gehen sie Bindungen mit dem Mangelhalbleitermaterial ein, entstehen infolgedessen positive, bzw. negative Ionen. Die Ladungstrennung erzeugt ein elektrisches Feld, das der Driftkraft entgegenwirkt, bis ein Kräftegleichgewicht herrscht und die Sperrschicht aufhört zu wachsen. Die untere Abbildung zeigt das Verhalten von Ionen (in Kästchen) und freien Ladungsträgern (in Kreisen).
Wird eine äußere Spannung mit dem Minuspol an der p-Schicht und dem Pluspol an der n-Schicht angelegt, bewegen sich die Elektronen aus dem Überschusshalbleiter heraus und zum Mangelhalbleiter hin, wo sie rekombinieren und sich die Schicht vergrößert. Das elektrische Feld wird dadurch verstärkt, weshalb in Sperrrichtung kein Strom fließt, solange die Spannung unter der Durchbruchspannung einer Diode liegt. Bei umgekehrter Polung wirkt die Spannung dem elektrischen Feld entgegen. Der Strom durch den pn-Übergang, also durch die Diode, ist ein Diffusionsstrom. Das innere elektrische Feld hindert ihn eigentlich am fließen, aber wenn das Feld zu klein ist, gelingt das nicht mehr. In diesem Moment ist die Schwellspannung erreicht, wonach die Sperrschicht abgebaut ist. Das Verhalten einer jeweiligen Diode lässt sich in Abhängigkeit von Außentemperatur und Halbleitermaterial durch eine Kennlinie beschreiben. Sie zeigen auch für die hier genutzten LEDs, ab welcher Spannung sie zu leuchten beginnen und welche Stromstärke sie dabei haben.
Kriterien zur Auswahl von Leuchtdioden
Nachdem die Funktionsweisen von Halbleitermaterialien und Dioden erklärt wurden, ist es möglich, die Erkenntnisse zur Auswahl von LEDs anzuwenden. Da ein schneller Wechsel der Lichtwerte bei Bitwechseln gefordert ist, wird angenommen, dass die Sperrschichten der Dioden möglichst schnell auf- und wieder abbaubar sein sollten. Dies wäre bei möglichst kleinen Grenzschichten der Fall, die demzufolge bei bereits kleinen Spannungen abgebaut werden würden. Die Kennlinie einer LED offenbart, dass aufgrund geringer Durchlassspannungen auch geringere Ströme fließen. Folglich ist alleinig eine sehr helle Leuchtdiode auszuwählen, entgegen der anfänglichen Hypothese, nicht zwingend vorteilhaft.
Des Weiteren wurden Leuchtdioden mit Wellenlängen ausgewählt, die über das sichtbare Lichtspektrum weit verteilt sind. Ihre Farben sind blau (ƛ = 465 nm), grün (ƛ = 570 nm) und rot (ƛ = 625 nm). Um unnötig viele Parameter zu vermeiden, sind diese alle der Marke “Tru Components” (TC) und haben ähnliche Schwellspannungen und Durchlassströme. Sie besitzen weiterhin die gleichen Abstrahlwinkel und klare Schirme, um ihre Helligkeit voll ausschöpfen zu können.