Kostengünstig, effizient und langlebig – Leuchtdioden oder kurz LEDs haben herkömmliche Glühbirnen fast vollständig verdrängt. Aber was steckt hinter den Wunderleuchtmitteln? Schlicht und einfach: (Quanten-)Physik!

Nachdem wir uns im letzen Teil mit der Geburtsstunde der Quantenphysik und ihren Grundgedanken beschäftigt haben, geht es dieses Mal um konkrete Anwendungen in unserem Alltag.

Bewegte Ladung = Strom

Herzstück einer LED ist ein winziger Halbleiterkristall. Grundsätzlich lässt sich jedes Material in eine von drei Kategorien einteilen: Isolator, Halbleiter und Metall. Die Zuordnung wird dadurch bestimmt, wie gut das Material elektrischen Strom leiten kann. Da Strom nichts anderes ist als bewegte Ladung (das sind in der Regel die leichten, negativ geladenen Elektronen), leitet ein Material umso besser, je mehr Elektronen sich darin frei bewegen können.

Nicht jedes Atom will sein Elektron teilen

Unterschiedliche Atomsorten gehen aber mit ihren Elektronen unterschiedlich um. Während die einen ihre Elektronen gerne mit anderen Atomen teilen, lassen andere sie nur sehr ungern gehen und halten sie gefangen. Welche Atomsorte wie handelt, kann man mithilfe von quantenphysikalischen Überlegungen herausfinden. Denn sowohl die Atome als auch die Elektronen sind so klein, dass sie den Regeln der Quantenphysik folgen.

Metalle, Halbleiter, Isolatoren

Daraus ergeben sich schließlich die drei Kategorien. Der eine Extremfall sind Metalle, deren Elektronen sich frei im Material aufhalten können und deshalb Strom sehr gut leiten. Der andere sind Isolatoren, die eigentlich keine freien Elektronen besitzen und Strom gar nicht leiten. Dazwischen liegen die Halbleiter.

Bei Halbleitern bestimmen die äußeren Begebenheiten, ob sie elektrischen Strom leiten oder nicht. Das liegt daran, dass die Atome zwar grundsätzlich ihre Elektronen bei sich behalten, sie aber bereitwillig loslassen, wenn man ihnen einen Kick gibt. Dieser Kick ist Energie, die man ihnen zum Beispiel in Form von Wärme oder Licht geben kann.

In einer LED wird genau der umgekehrte Effekt genutzt. Man will dabei Elektronen, die sich bereits frei im Halbleiter bewegen, gezielt dazu bringen, sich an ein Atom zu binden. Dabei wird nämlich Energie frei – und zwar in Form von Licht. Dafür bedient man sich aber eines kleinen Tricks.

Neue Eigenschaften durch Verunreinigungen

Denn Halbleiter lassen sich in ihrer elektrischen Leitfähigkeit noch weiter beeinflussen, indem man ihnen zusätzliche Elektronen gibt oder ihnen wegnimmt. In das Material werden dazu gezielt Verunreinigungen eingebracht, also andere Atomsorten mit leicht unterschiedlicher Zusammensetzung – das nennt sich dotieren. Man unterscheidet dabei zwischen n-dotierten Halbleitern, die durch diesen Prozess zusätzliche Elektronen erhalten, und p-dotieren Halbleitern, denen dadurch Elektronen fehlen (fehlende Elektronen nennt man „Löcher“).

So funktioniert die LED

Der Trick ist der folgende: Licht kann erzeugt werden, indem man freie Elektronen in ein Material mit vielen Löchern bringt. Das geht, indem man einen n-dotierten Halbleiter mit einem p-dotierten Halbleiter in Kontakt bringt. Der n-dotierte Halbleiter liefert dabei die freien Elektronen, die zu den Löchern im p-dotierten Halbleiter gelangen sollen. Dafür müssen sie aber zunächst eine Barriere überwinden, die sich beim Kontaktieren der beiden Materialien bildet.

Um über diese Barriere zu gelangen, benötigen die Elektronen ausreichend hohe Geschwindigkeit. Die gibt man ihnen, indem man eine Spannung anlegt. Die Elektronen gelangen dann in die p-Schicht, in der sie auf die Löcher treffen. Die sind aber nichts anderes als freie Plätze für Elektronen. Das ursprünglich freie Elektron nimmt diesen Platz ein und wird dabei an ein Atom gebunden. Weil dabei Energie frei wird, entsteht Licht – je nach Material mit einer anderen Farbe!