Wie funktioniert eine LED? – Die vollständige technische Erklärung

💡 LED-Funktionsweise kurz erklärt

LED steht für Light Emitting Diode (Leuchtdiode). Es ist ein Halbleiter-Bauelement, das elektrische Energie durch Elektrolumineszenz direkt in Licht umwandelt – ohne den Umweg über Wärmestrahlung. Die Lichtfarbe wird durch die Bandlückenenergie des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt.

Das physikalische Grundprinzip: Elektrolumineszenz

Eine LED nutzt den Effekt der Elektrolumineszenz – die Lichterzeugung durch elektrischen Strom in einem Halbleitermaterial:

Elektronen werden durch eine Spannung in Durchlassrichtung angeregt
Sie überwinden die Bandlücke (Bandgap) des Halbleiters
Bei der Rekombination mit Löchern am PN-Übergang wird Energie als Photon (Licht) freigesetzt

Energieumwandlung in der LED:

Elektrische Energie → PN-Übergang → Photonen (Licht)

Der entscheidende Unterschied zur Glühbirne: LEDs erzeugen Licht durch Elektrolumineszenz (kalter Prozess), nicht durch thermische Strahlung. Dadurch entfällt der Wärmeverlust fast vollständig – LEDs sind bis zu 20× effizienter als Glühlampen.

Was ist ein PN-Übergang?

Das Herzstück jeder LED ist der PN-Übergang – die Grenzschicht zwischen zwei dotierten Halbleiterschichten:

N-Schicht (negativ dotiert)

Dotierung mit Donatoren (z.B. Phosphor, Arsen)
→ Überschuss an freien Elektronen

Die N-Schicht ist elektrisch neutral, enthält aber bewegliche Elektronen als Ladungsträger.

P-Schicht (positiv dotiert)

Dotierung mit Akzeptoren (z.B. Bor, Gallium)
→ Überschuss an Löchern (fehlende Elektronen)

Die P-Schicht ist elektrisch neutral, enthält aber Löcher als bewegliche positive Ladungsträger.

⚡ Was passiert am PN-Übergang bei Stromfluss?

Spannung in Durchlassrichtung: Elektronen werden von der N-Schicht zur P-Schicht „gedrückt"
Überwindung der Sperrschicht: Elektronen überwinden die Potentialbarriere am PN-Übergang
Rekombination: Elektronen fallen in Löcher der P-Schicht und geben dabei Energie ab
Photonenemission: Die freigesetzte Energie entspricht der Bandlückenenergie und wird als Licht (Photon) abgestrahlt

Bandlückenenergie bestimmt die Lichtfarbe

Die Bandlücke (engl. Band Gap) ist die Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband des Halbleiters. Je nach Material beträgt die Bandlücke zwischen 1,8 eV (Infrarot) und 3,5 eV (UV).

🔬 Zusammenhang: Bandlücke und Wellenlänge

E = h × c / λ

E = Bandlückenenergie (in Elektronenvolt, eV)
h = Plancksches Wirkungsquantum (6,626 × 10⁻³⁴ J·s)
c = Lichtgeschwindigkeit (3 × 10⁸ m/s)
λ = Wellenlänge des emittierten Lichts (in nm)

Beispiel: Eine rote LED mit Bandlücke 1,8 eV emittiert Licht bei ~690 nm (rotes Licht). Eine blaue LED mit 2,7 eV emittiert bei ~460 nm (blaues Licht).

Schichtaufbau einer LED: Von Substrat bis Elektrode

Eine moderne LED besteht aus mehreren funktionalen Schichten, die durch Epitaxie (kristallines Schichtwachstum) aufgebaut werden:

Die einzelnen Schichten im Detail:

Schicht	Funktion	Material (Beispiel)
Substrat	Mechanischer Träger, Wärmeableitung	Saphir (Al₂O₃), Siliziumkarbid (SiC)
N-Schicht	Elektronenlieferant, Kathodenkontakt	n-GaN (dotiert mit Si oder Ge)
Aktive Zone (MQW)	Rekombinationszone, Lichterzeugung	InGaN/GaN Multiquantum Wells
P-Schicht	Löcherlieferant, Anodenkontakt	p-GaN (dotiert mit Mg oder Zn)
Transparente Elektrode	Stromverteilung ohne Lichtabsorption	ITO (Indium-Zinn-Oxid)
Bonddraht	Elektrische Verbindung zu Kontakten	Gold (Au) oder Aluminium (Al)

🔬 Was sind Multiquantum Wells (MQW)?

Die aktive Zone moderner LEDs besteht aus mehreren ultradünnen Schichten (wenige Nanometer) mit wechselnder Bandlücke. Diese Quantum Wells (Quantentöpfe) verbessern die Effizienz der Elektron-Loch-Rekombination erheblich. Typisch sind 5–10 Schichten InGaN/GaN bei blauen LEDs.

Gehäuse und Optik

Linse/Reflektor: Formt den Abstrahlwinkel und erhöht die Lichtausbeute
Phosphorbeschichtung: Bei weißen LEDs zur Wellenlängenkonversion
Wärmeleitpfad: Kühlkörper (meist Aluminium) für thermisches Management
Vergussmasse: Epoxidharz oder Silikon zum Schutz des Chips

LED-Materialien und Lichtfarben: Die Physik dahinter

Die Lichtfarbe einer LED wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt. Jedes Material hat eine charakteristische Bandlücke, die die Wellenlänge des emittierten Photons festlegt.

Farbe	Wellenlänge (nm)	Bandlücke (eV)	Halbleitermaterial
Infrarot	850–950	1,2–1,4	Galliumarsenid (GaAs)
Rot	620–750	1,6–2,0	Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
Orange	590–620	2,0–2,1	Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Gelb	570–590	2,1–2,2	Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)
Grün	500–570	2,2–2,5	Indiumgalliumnitrid (InGaN), Galliumphosphid (GaP)
Blau	450–495	2,5–2,7	Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Violett/UV	360–450	2,8–3,4	Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)

📊 Warum keine "grüne Lücke"?

Grüne LEDs im Bereich 530–570 nm haben historisch niedrigere Effizienz als rote oder blaue LEDs. Dieses Phänomen heißt "Green Gap" und liegt daran, dass InGaN-Material in diesem Wellenlängenbereich eine höhere Defektdichte aufweist. Moderne LEDs lösen das Problem durch optimierte Epitaxie-Prozesse und Quantum-Dot-Technologie.

Wie entsteht weißes LED-Licht?

Da Halbleiter-LEDs immer monochromatisches Licht (eine einzelne Wellenlänge) emittieren, gibt es keine direkt weiß emittierenden LED-Chips. Weißes Licht wird durch Mischung verschiedener Wellenlängen erzeugt:

Methode 1: Phosphor-Konversion (Standard)

90% aller weißen LEDs nutzen diese Methode:

Blauer InGaN-Chip emittiert blaues Licht (450–470 nm)
YAG:Ce³⁺-Phosphor (Yttrium-Aluminium-Granat, dotiert mit Cer) wird auf den Chip aufgebracht
Wellenlängenkonversion: Ein Teil des blauen Lichts wird vom Phosphor absorbiert und in gelbes Licht (550–600 nm) umgewandelt
Farbmischung: Das verbleibende blaue Licht + gelbes Phosphorlicht = weißes Licht

Farbtemperatur einstellen:

Mehr Phosphor: Mehr Gelb → Warmweiß (2700–3000 K)
Weniger Phosphor: Mehr Blau → Kaltweiß (5000–6500 K)
Roter Phosphor zusätzlich: Besserer CRI (>90)

Methode 2: RGB-Mischung

Drei separate LED-Chips werden kombiniert:

Rote LED: AlGaInP (630 nm)
Grüne LED: InGaN (530 nm)
Blaue LED: InGaN (465 nm)

Vorteile:

✓ Beliebige Farben einstellbar (RGB-Strips, Smart Bulbs)
✓ Hoher CRI möglich (>95)
✓ Dynamische Farbtemperaturänderung

Nachteile:

✗ Höhere Kosten
✗ Komplexere Ansteuerung erforderlich
✗ Farbschatten bei geringem Abstand zur Oberfläche

Vergleich: Phosphor-LED vs. RGB-LED

Kriterium	Phosphor-LED (Blau + YAG)	RGB-LED
Effizienz	150–200 lm/W	100–150 lm/W
CRI (Farbwiedergabe)	70–85 (Standard), 90+ (High-CRI)	85–98
Farbtemperatur einstellbar	Nein (fest)	Ja (dynamisch)
Kosten	Niedrig	Hoch
Anwendung	Allgemeinbeleuchtung	Smart Home, Displays, Effektbeleuchtung

Vorteile der LED-Technologie

✓ Hohe Effizienz

Bis zu 200 lm/W möglich
(Glühbirne: nur 10-15 lm/W)

✓ Lange Lebensdauer

Bis zu 50.000-100.000 Stunden
(Glühbirne: 1.000 Stunden)

✓ Sofort hell

100% Helligkeit in Millisekunden
(Energiesparlampe: mehrere Minuten)

✓ Kalt im Betrieb

Kaum Wärmeabstrahlung
(Halogen: sehr heiß, Brandgefahr)

✓ Robust

Stoß- und vibrationsfest
(Glühbirne: empfindlicher Glühfaden)

✓ Dimmbar

Von 0-100% stufenlos regelbar
(mit geeignetem Treiber)

Herausforderungen und Nachteile von LEDs

⚠️ Was bei LEDs zu beachten ist:

Wärmemanagement kritisch: LED-Chips müssen unter 85°C Sperrschichttemperatur bleiben. Bei höheren Temperaturen sinkt Effizienz und Lebensdauer exponentiell (Arrhenius-Gesetz). → Kühlkörper zwingend erforderlich bei Leistungen >3W.
Farbwiedergabe bei günstigen LEDs: Standard-Phosphor-LEDs haben oft CRI <80, wodurch Rot- und Hauttöne verfälscht dargestellt werden. High-CRI-LEDs (CRI >90) nutzen zusätzlichen roten Phosphor, sind aber teurer.
Blaulichtanteil: Kaltweiße LEDs (5000–6500K) emittieren viel blaues Licht (450–480 nm), das die Melatoninproduktion hemmt. Empfehlung: Warmweiße LEDs (<3000K) für Wohnräume.
Treiber erforderlich: LEDs benötigen Konstantstrom-Treiber, nicht Konstantspannung. Direkter Betrieb am 230V-Netz zerstört die LED sofort. Mehr dazu: LED-Treiber-Technik.
Qualitätsunterschiede enorm: LED-Preise variieren von 0,10€ (China-Massenware) bis 50€ (Premium-COB). Faktoren: Binning-Qualität, CRI, Wärmemanagement, Treiberqualität.
Dimmen nicht immer möglich: Nur mit geeignetem Treiber und Dimmer. Mehr dazu: LED richtig dimmen.

LED-Technologien im Vergleich

Technologie	Aufbau	Effizienz	Anwendung
SMD-LED (Surface Mounted Device)	Kleine Chips (2×3 mm bis 5×5 mm) direkt auf Platine montiert. Typische Bezeichnungen: SMD 2835, 3528, 5050, 5630	100–150 lm/W	LED-Strips, Panels, Retrofits
COB-LED (Chip on Board)	Viele winzige LED-Chips (50–100 Stück) dicht gepackt auf einem gemeinsamen Träger. Keine einzelnen Lichtpunkte sichtbar	150–180 lm/W	Downlights, Scheinwerfer, hochwertige Beleuchtung
High-Power LED	Einzelne Hochleistungs-Chips (1–10 Watt pro LED) mit massivem Kühlkörper	120–160 lm/W	Flutlicht, Straßenbeleuchtung, Industriebeleuchtung
Filament-LED	COB-Chips auf Glasstab montiert, imitiert Glühfaden. Rundum-Abstrahlung (320–360°)	90–120 lm/W	Dekorative Leuchtmittel, Retrofit-Lampen
Micro-LED	Ultrakompakte LEDs (<100 µm), einzeln ansteuerbar. Selbstemittierende Pixel	Sehr hoch	Premium-Displays, AR/VR, zukünftige Smartphone-Displays

💡 COB vs. SMD: Was ist besser?

SMD-LED Vorteile:

✓ Günstiger in der Herstellung
✓ Flexibel einsetzbar (Strips)
✓ Einzelne LEDs austauschbar

COB-LED Vorteile:

✓ Gleichmäßiges, homogenes Licht
✓ Bessere Wärmeableitung
✓ Höhere Effizienz und Lichtdichte

Fazit: Für hochwertige Spots und Downlights ist COB überlegen. Für flexible Anwendungen und Strips bleibt SMD die bessere Wahl.

Elektrische Eigenschaften und Betrieb

Vorwärtsspannung (V_f) und Strom

LEDs sind Gleichstrom-Bauelemente und müssen mit konstantem Strom betrieben werden:

LED-Farbe	Vorwärtsspannung V_f	Typischer Strom
Infrarot	1,2–1,4 V	20–50 mA
Rot	1,8–2,2 V	20 mA
Gelb/Orange	2,0–2,2 V	20 mA
Grün	2,2–3,0 V	20 mA
Blau	2,8–3,6 V	20 mA
Weiß (Phosphor)	2,9–3,6 V	20–350 mA (je nach Leistung)

⚠️ Wichtig: Konstantstrom, nicht Konstantspannung!

LEDs haben eine extrem steile Strom-Spannungs-Kennlinie. Bereits 0,1V mehr Spannung kann den Strom verdoppeln und die LED zerstören. Deshalb sind Konstantstrom-Treiber zwingend erforderlich. Konstantspannungs-Netzteile (z.B. 12V-Trafos) funktionieren nur mit integriertem Vorwiderstand oder Treiber.

LED-Schaltungen

Reihenschaltung (Serie)

Empfohlen für Konstantstrom-Treiber

✓ Gleicher Strom durch alle LEDs
✓ Spannungen addieren sich: V_ges = V_f1 + V_f2 + ...
✓ Maximale Effizienz
✗ Bei Ausfall einer LED fällt die gesamte Kette aus

Beispiel: 3× weiße LEDs (je 3V) = 9V Gesamtspannung benötigt

Parallelschaltung

Nur mit Vorwiderstand je LED!

✓ Bei Ausfall einer LED leuchten andere weiter
✓ Gleiche Spannung für alle LEDs
✗ Ungleiche Stromverteilung (Fertigungstoleranzen)
✗ Jede LED braucht eigenen Vorwiderstand
✗ Schlechtere Effizienz durch Verlustleistung im Widerstand

R = (V_quelle - V_f) / I_LED

🔌 LED-Treiber: Konstantstrom vs. Konstantspannung

Konstantstrom-Treiber (CC): Regelt den Strom auf einen festen Wert (z.B. 350 mA, 700 mA). Die Spannung passt sich automatisch der Anzahl der LEDs an. Empfohlen für professionelle Beleuchtung.

Konstantspannungs-Treiber (CV): Liefert feste Spannung (z.B. 12V, 24V). LEDs benötigen zusätzlichen Vorwiderstand oder integrierten Treiber. Typisch für LED-Strips.

Zukunft und aktuelle Entwicklungen der LED-Technologie (2025)

Micro-LED

Ultrakompakte LEDs (<100 µm) für selbstemittierende Displays

✓ Höherer Kontrast als OLED (echtes Schwarz)
✓ Längere Lebensdauer (>100.000 Stunden)
✓ Höhere Helligkeit für AR/VR-Brillen
Herausforderung: Massenproduktion noch zu teuer

Quantum Dot LED (QD-LED)

Nanokristalle zur Wellenlängenkonversion

✓ CRI >98 (nahezu perfekte Farbwiedergabe)
✓ Schmalbandigere Emission (reinere Farben)
✓ Einsatz in Premium-Displays und Medizintechnik
Stand 2025: Erste kommerzielle Produkte verfügbar

UV-C LED (275–280 nm)

Desinfektion und Sterilisation

✓ Zerstört Viren und Bakterien (DNA-Schädigung)
✓ Keine Chemikalien erforderlich
✓ Wasseraufbereitung, Luftdesinfektion, Medizin
Effizienz steigt: Von 1% (2015) auf 10% (2025)

Li-Fi (Light Fidelity)

Datenübertragung durch LED-Licht

✓ Bis zu 224 Gbit/s möglich (Labor)
✓ Keine Funkstrahlung (sicher in Krankenhäusern)
✓ Unterwasser-Kommunikation
Herausforderung: Nur in Sichtverbindung nutzbar

Human-Centric Lighting (HCL)

Biologisch wirksame Beleuchtung

✓ Dynamische Farbtemperatur (circadianer Rhythmus)
✓ Morgens kaltweißes Licht (6500K) → Wachheit
✓ Abends warmweißes Licht (2700K) → Melatoninproduktion
Anwendung: Büros, Schulen, Pflegeheime

Flexible & Transparente LEDs

Organische LEDs (OLEDs) und neue Substrate

✓ Biegbare Leuchtflächen (Folien, Textilien)
✓ Transparente LEDs für Smart Windows
✓ Integration in Fahrzeugscheiben und Möbel
Problem: Geringere Effizienz als anorganische LEDs

🏆 Nobelpreis für Physik 2014: Die blaue LED-Revolution

Die japanischen Forscher Isamu Akasaki, Hiroshi Amano undShuji Nakamura erhielten 2014 den Nobelpreis für Physik für die Erfindung dereffizienten blauen LED auf Basis von Galliumnitrid (GaN) in den frühen 1990er Jahren.

Warum war das so revolutionär? Rote und grüne LEDs gab es bereits seit den 1960er Jahren. Aber ohne blaues Licht war es unmöglich, weißes Licht zu erzeugen. Die blaue LED ermöglichte erst die Phosphor-Konversion zu weißen LEDs – und damit die LED-Revolution in der Beleuchtungstechnik, die bis heute 95% des weltweiten Beleuchtungsmarktes dominiert.