29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Referat: Licht Emittierende Dioden
Wirkprinzip, Aufbau und Schaltungsintegration
Pablo Korth Pereira Ferraz
TU-Berlin
Projektlabor
29. April 2010
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 1 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Gliederung
Gliederung
1 EinleitungGliederung
2 Prinzipielles WirkprinzipBändermodell und RekombinationFarben und CIE-NormtafelKennlinienfeld
3 Bauformen und BetriebscharakteristikaBauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
4 Quellen und Schluss
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 2 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
Gliederung
1 EinleitungGliederung
2 Prinzipielles WirkprinzipBändermodell und RekombinationFarben und CIE-NormtafelKennlinienfeld
3 Bauformen und BetriebscharakteristikaBauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
4 Quellen und Schluss
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 3 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
Prinzipielles WirkprinzipPN-Übergang und Bändermodell
in Flussrichtung geschalteterPN-Übergang
Elektronen/Loch-Paare könnenrekombinieren
Direkt: Elektronenimpuls alsPhoton abgegeben
Indirekt: Elektronenimpuls alsGitterschwingung(Phonon)
Wellenlänge bestimmt durchBandlücke (hν = WL −WV)
Abbildung: Bandübergänge
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 4 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
Prinzipielles WirkprinzipPN-Übergang und Bändermodell
in Flussrichtung geschalteterPN-Übergang
Elektronen/Loch-Paare könnenrekombinieren
Direkt: Elektronenimpuls alsPhoton abgegeben
Indirekt: Elektronenimpuls alsGitterschwingung(Phonon)
Wellenlänge bestimmt durchBandlücke (hν = WL −WV)
Abbildung: Bandübergänge
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 4 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
Prinzipielles WirkprinzipPN-Übergang und Bändermodell
Vorraussetzugen
⇒ LED benötigen direkte Halbleiter
Wegen hν = WL −WV fast monochromatisch
Bandlücke abhängig vom Material, bzw. Materialverhältnis
Silizumdioden ungeeignetmeist III-V-Dioden; üblicherweise
Galliumarsenid (GaAs � aber nur infrarot)Galliumphosphid ( GaP � rot)Galliumnitrid (GaN � blau, grün → Ampeln)
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 5 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
Prinzipielles WirkprinzipPN-Übergang und Bändermodell
Vorraussetzugen
⇒ LED benötigen direkte Halbleiter
Wegen hν = WL −WV fast monochromatisch
Bandlücke abhängig vom Material, bzw. Materialverhältnis
Silizumdioden ungeeignetmeist III-V-Dioden; üblicherweise
Galliumarsenid (GaAs � aber nur infrarot)Galliumphosphid ( GaP � rot)Galliumnitrid (GaN � blau, grün → Ampeln)
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 5 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
LED FarbspektrumDie CIE-Normtafel
Abbildung: CIE-Normtafel
Licht einer einzelnen LED fastmonochromatischKlassi�zierung durch die�CIE-Normtafel�
Zusammenhang zwischenphysikalischen Ursachen undsubjektiver Wahrnehmungsämtliche additive Farben und weiÿ(→ Weiÿpunkt W) ablesbarcharakteristische Linien und Formenu.a. für schwarze Strahler oderKomplementärfarben
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 6 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
LED FarbspektrumDie CIE-Normtafel
Abbildung: LED auf CIE-Normtafel
nur wenige, diskrete Farbwerte durcheinzelne LED möglich
bisher kein verwendbares Material fürGelb-Grün-Zwischenraum
Fragestellung
Wie lassen sich andere Farben und vorrangig weiÿ erzeugen?
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 7 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
LED FarbspektrumDie CIE-Normtafel
Abbildung: LED auf CIE-Normtafel
nur wenige, diskrete Farbwerte durcheinzelne LED möglich
bisher kein verwendbares Material fürGelb-Grün-Zwischenraum
Fragestellung
Wie lassen sich andere Farben und vorrangig weiÿ erzeugen?
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 7 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
Kennlinienfeld
LED im PrinzipPN-Übergang
folglich: Ähnlickeit zurShockley-Diode (I ∝ e
U
kT )
Flussspannung abhängigvon der Bandlücke
Abbildung: Kennlinienfeld
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 8 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Bändermodell und RekombinationFarben und CIEKennlinienfeld
Kennlinienfeld
LED im PrinzipPN-Übergang
folglich: Ähnlickeit zurShockley-Diode (I ∝ e
U
kT )
Flussspannung abhängigvon der Bandlücke
Abbildung: Kennlinienfeld
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 8 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
Gliederung
1 EinleitungGliederung
2 Prinzipielles WirkprinzipBändermodell und RekombinationFarben und CIE-NormtafelKennlinienfeld
3 Bauformen und BetriebscharakteristikaBauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
4 Quellen und Schluss
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 9 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
Bauformen
Abbildung:Schaltzeichen
Abbildung:BedrahteteLED
Abbildung:SMD-RGB-LED
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 10 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
Bauformen
Abbildung:Schaltzeichen
Abbildung:BedrahteteLED
Abbildung:SMD-RGB-LED
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 10 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
Bauformen
Abbildung:Schaltzeichen
Abbildung:BedrahteteLED
Abbildung:SMD-RGB-LED
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 10 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
Besondere BauformenRGB-LED
RGB-LED können Rot, Grün und Blau leuchten
durch additive Farbmischung weitere Farben
theoretisch alle Farben und weiÿ möglich
Steuerungselektronik zuständig für die jeweiligenAnteile
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 11 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
Besondere BauformenWeiÿe LED
Neben RGB-LED weitere Methode, um weiÿesLicht zu generieren
Kombination aus �uoreszierendem Farbsto� undUV-, bzw. blauer LED
Additive Mischung ergibt (kalt-)weiÿ
Abbildung: Weiÿes Licht durch Fluoreszenz
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 12 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
Besondere BauformenWeiÿe LED
Neben RGB-LED weitere Methode, um weiÿesLicht zu generieren
Kombination aus �uoreszierendem Farbsto� undUV-, bzw. blauer LED
Additive Mischung ergibt (kalt-)weiÿ
Abbildung: Weiÿes Licht durch Fluoreszenz
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 12 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
SchaltungsintegrationSpannungsbereich und Strombegrenzung
Wegen I ∝ eU
kT emp�ndlch gegenüber ∆U
P = I 2 · R ⇒ Gefahr hoher Wärmeentwicklung
Wichtig
Es muss unbedingt darauf geachtet werden, dass Strom undSpannung begrenzt werden!!!
⇒ Vorwiderstand, bzw. Konstantstromquelle
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 13 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
SchaltungsintegrationVorwiderstand und Arbeitsgerade
U0 einer Gleichspannungsquelle (→ Gleichrichter)
In und Ud der Diode
folgt: Rvor = U0−UdIn
Arbeitsgerade
Mit der Kenntnis des Vorwiderstands lässt sich die Arbeitsgeradebestimmen.
1. Kurzschlussstrom Imax|Ud=0 = U0R
2. Lerlaufspannung U0|In=0
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 14 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
SchaltungsintegrationVorwiderstand und Arbeitsgerade
U0 einer Gleichspannungsquelle (→ Gleichrichter)
In und Ud der Diode
folgt: Rvor = U0−UdIn
Arbeitsgerade
Mit der Kenntnis des Vorwiderstands lässt sich die Arbeitsgeradebestimmen.
1. Kurzschlussstrom Imax|Ud=0 = U0R
2. Lerlaufspannung U0|In=0
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 14 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
BauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
SchaltungsintegrationKonstantsromquelle durch JFET
Problem des Vorwiderstands:versorgungsspannungsabhängig
⇒ Konstantspannungsquelle durch JFET
Abschätzung: R1 ≈ UGSID
nurnoch von JFET-Werten abhängig(Datenblatt)
Schaltung anstelle des Vorwiderstands
R1
NJF
1
2
Abbildung:JFET-Schaltung
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 15 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Gliederung
1 EinleitungGliederung
2 Prinzipielles WirkprinzipBändermodell und RekombinationFarben und CIE-NormtafelKennlinienfeld
3 Bauformen und BetriebscharakteristikaBauformenBesondere BauformenSchaltungsintegration
4 Quellen und Schluss
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 16 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
QuellenTextquellen
Dr. Boit, Christian, Vorlesungs-/ÜbungsfolienHalbleiterbauelemente, Wintersemester 2009/10,
Fachbereich Halbleitersystemtechnologien, Laborskript -Praktikum: Grundlagen und Bauelemente, Winersemester2009/10
http://de.wikipedia.org/wiki/Led, Aufrufdatum: 25. April 2010
http://www.led-info.de/grundlagen/leuchtdioden.html,Aufrufdatum: 25. April 2010
http://de.wikipedia.org/wiki/CIE-Normvalenzsystem,Aufrufdatum: 26. April 2010
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 17 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
QuellenBildquellen
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/Bandmodellkrp.png, Aufrufdatum: 26.
April 2010
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/4/49/CIE-Normfarbtafel.png, Aufrufdatum: 27. April
2010
http://www.led-info.de/uploads/pics/led_cie_01.gif, Aufrufdatum: 27. April 2010
http://www.nullohm.de/berichte/gifs/led_kennlinie.jpg, Aufrufdatum: 26. April 2010
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/
d/d6/Symbol_LED.svg/106px-Symbol_LED.svg.png, Aufrufdatum: 25. April 2010
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9c/Leds.jpg, Aufrufdatum: 25. April 2010
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/a/a9/RGB-SMD-LED.jpg, Aufrufdatum: 26. April
2010
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/LED_Halogen.jpg, Aufrufdatum: 28.
April 2010
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/thumb/
6/65/LED_weiss_phosphor2.svg/800px-LED_weiss_phosphor2.svg.png, Aufrufdatum: 28. April2010
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 18 / 19
29. April 2010
EinleitungPrinzipielles Wirkprinzip
Bauformen und BetriebscharakteristikaQuellen und Schluss
Schluss
Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!
Fragen?
Pablo Korth Pereira Ferraz Referat: LED 19 / 19