Die Bandlücke bestimmt die Farbe
Eine LED ist ein PN-Übergang, an dem der Durchlassstrom Elektronen und Löcher direkt am Übergang rekombinieren lässt, statt sie nur hindurchdiffundieren zu lassen. Jede Rekombination gibt ihre Energie als Photon ab, und die Energie des Photons — seine Farbe — legt die Bandlücke des Halbleiters fest, nicht ein Farbstoff oder Filter. Deshalb springt die Durchlassspannung je nach Materialfamilie, statt sich sanft mit der Wellenlänge zu verschieben: Rote, orangene und gelbe LEDs nutzen AlGaInP oder GaAsP mit einer Bandlücke von etwa 2 V, während Grün, Blau und phosphorkonvertiertes Weiß auf InGaN setzen, dessen breitere Lücke über 3 V verlangt, bevor überhaupt Strom fließt.
Warum jede LED einen Vorwiderstand braucht
Jenseits des Einschaltknicks steigt der Strom mit der Spannung so steil, dass ein Bruchteil eines Volts über schwaches Glimmen oder einen durchgebrannten Chip entscheiden kann. Eine Glühlampe begrenzt sich selbst, weil der Wendelwiderstand mit der Erwärmung steigt; ein Diodenübergang tut das Gegenteil, sodass nichts intern den Strom bremst. In der Praxis hält nur der Bahn- und Anschlusswiderstand im Gehäuse etwas dagegen, und das allein reicht nicht — deshalb speist jede reale Schaltung eine LED über einen Vorwiderstand oder einen echten Konstantstromtreiber, niemals direkt aus einer Spannungsquelle.
Das Datenblatt lesen
LED-Datenblätter geben die Durchlassspannung bei einem festgelegten Prüfstrom an statt eines Sättigungsstroms, dazu die Lichtstärke in Millicandela oder den Lichtstrom in Lumen, einen Abstrahlwinkel und einen maximalen Durchlassstrom, den der Chip ohne Ausfall verträgt. Treibt man den Strom weit über diesen Wert, hält die Lichtausbeute nicht Schritt — Efficiency Droop bedeutet, dass jedes zusätzliche Milliampere anteilig weniger Helligkeit bringt, und Wärme drückt die Ausbeute weiter herunter. Auch die zulässige Sperrspannung ist im Vergleich zu einer Gleichrichterdiode ungewöhnlich niedrig, da der LED-Übergang nie dafür ausgelegt wurde, ein hohes Sperrfeld zu blockieren.
Wo sie eingesetzt wird
LEDs dienen als Kontrollleuchten, als Segmente in Sieben-Segment- und Punktmatrixanzeigen und als Hintergrundbeleuchtung in fast jedem Display. Mit gelbem Phosphor beschichtete blaue LEDs erzeugen weißes Licht effizient genug, um Glüh- und Leuchtstofflampen in der allgemeinen Beleuchtung verdrängt zu haben, und Infrarot-LEDs treiben Fernbedienungen und Optokoppler an. Oberhalb einer Handvoll LEDs ersetzt meist ein eigener Konstantstromtreiber-IC den einzelnen Vorwiderstand und regelt die Helligkeit weit präziser und effizienter, als ein Widerstand es je könnte.