UV-A Licht Emittierende Diode LED · Bindung nimmt es durch thermische Anregung ein Elektron aus dem Valenzband. Die Fermi Energie liegt dabei in der Mitte zwischen Valenzband und

©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 1

UV-A Licht Emittierende Diode LED

Stand der Technik

Anwendung in der Magnetpulver- und

Farbeindringprüfung

Rainer Link1, Nathanael Riess2 1Consultant, Buchenhoehe 1, 50169 Kerpen, Germany 2Helling GmbH, Spoekerdamm 2, 25436 Heidgraben, Germany

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ............................................................ 1

Einführung und Geschichte ................................................ 2

Physik der Halbleiter und Dioden ........................................ 5

Licht emittierende Diode LED ............................................ 15

Rekombination ohne Emission von Photonen ....................... 17

Optische Aspekte, Licht-Kegel (Light Escape Cone) ............... 20

LED Heterostrukturen ...................................................... 23

Praktisch Aspekte und Betrachtungen ................................. 28

Effizienz einer LED .......................................................... 32

Forderung der Normung in der ZfP ..................................... 34

Vergleich der konventionellen UV-A mit LED-Lampen ............ 35

Literatur ........................................................................ 41


Einführung und Geschichte

Licht Emittierende Dioden (LED) sind ein physikalisches

Phänomen, das auch als Elektrolumineszenz bekannt ist. Es ist

ein charakteristisches Merkmal einiger Halbleitermaterialien und

wurde von H. J. Round 1907 an einem SiC Kristall

(Carborundum) entdeckt (Abbildung 1)

Abbildung 1: Original Veröffentlichung von H. J. Round,

Electrical World (1907)

Round kontaktierte SiC mit einem Metall. Dabei erzeugte er

eine Lichtemission aus dem Kontaktbereich, nachdem er eine

Spannung von etwa 10 V angelegt hatte.


O. V. Lossev (Philosphical Magazine 6 (1024),1928) berichtete

über eingehende Untersuchungen an SiC. Er erklärte die

Lumineszenz als Effekt kalter Elektronenentladung. Weiterhin

fand er heraus, dass das Licht sehr schnell an- und

ausgeschaltet werden konnte, eine Eigenschaft, die allen LEDs

gemeinsam ist.

Heute werden LEDs aus SiC kommerziell nicht mehr produziert,

da diese einen indirekten Bandübergang mit geringer Effizienz

für die Lumineszenz zeigen.

Erst in den 60er Jahren verstand man den physikalischen

Mechanismus von Halbeiter LEDs, was den Beginn einer

rasanten Entwicklung ergab.

Die erste blaue LED wurde von der Firma NICHIA Corp., Japan,

1994 vorgestellt. (Abbildung 2). Sie bestand aus n-InGaN, das

mit Zn dotiert war. Bald darauf wurde von dieser Firma auch

eine LED im UV Bereich des elektromagnetischen Spektrums

vorgestellt.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der ersten blauen LED

durch die Fa. NICHIA Corp.


LEDs bestehen aus so genannten III-V Halbleitern des

periodischen Systems (Abbildung 3).

Abbildung 3: Periodisches System mit den Elementen III-V

Mit dem Fortschritt in der Herstellung von

Halbleiterverbindungen mit AlGaN und InGaN konnte man bald

nahezu jede Wellenlänge zwischen 200 und 1800 nm erzeugen.

Abbildung 4: Energie der Bandlücke (band gap) und

Wellenlänge der emittierten Photonen als Funktion der

Gitterkonstante (lattice constant) in Angströhm (A) von III-V

Nitrid Halbleitern bei Raumtemperatur [1]


Physik der Halbleiter und Dioden

Die periodischen Strukturen in einem Kristallgitter erzeugen

Energiebänder, die mit unterschiedlichen Besetzungszahlen in

den verfügbaren Energiezuständen mit Elektronen gefüllt

werden. Innerhalb dieser Bänder können die Elektronen als

freies Elektronengas betrachtet werden. Der energetische

Abstand (Band Gap) zwischen Leitungs (conduction)- und

Valenzband (valence band) hängt von dem Gitterabstand des

Kristalls ab. Je kleiner der Gitterabstand ist, umso größer die

energetische Differenz (Abbildung 4).

Die Energielücke der Bänder für Leiter, Halbleiter und

Isolatoren ist in Abbildung 5 schematisch gezeichnet.

Isolatoren und Halbleiter unterscheiden sich durch den

erheblich größeren Energieabstand in Isolatoren. Die

Valenzbänder sind vollständig mit Elektronen gefüllt, die sich

auf Grund des Pauli´schen Ausschließungsprinzips nicht mehr

frei bewegen können. Die Bandlücke ist ein energetisch

verbotener Energiebereich. Ein Elektron muss die Energielücke

überspringen, um sich im Leitungsband frei bewegen zu

können.

Abbildung 5: Bandstrukturen von Isolatoren, Halbleitern und

Leitern; EF : Fermi Energie, Eg: Energielücke


Die Fermi Energie (oder das Fermi Energieniveau) EF ist der

Energiezustand bei der Temperatur T=O K bis zu dem alle

Energieniveaus vollständig besetzt, und alle höheren

Energiezustände vollständig leer sind. Im elektrischen

Gleichgewicht liegt die Fermi Energie – abgesehen von einer

kleinen temperaturabhängigen Korrektur – in der Mitte der

Bandlücke.

Die Fermi Verteilungsfunktion (oder richtiger die Fermi-Dirac-

Funktion) wird durch die folgende Gleichung beschrieben. Sie

ist in Abbildung 6 dargestellt. Sie ist symmetrisch zum Punkt

(EF,0,5).

)/)exp((1/(1)( TkEEEf BF (1)

Abbildung 5: Fermi-Dirac Verteilungsfunktion [3]

Die Bandstruktur realistischer Halbleiterverbindungen ist

wesentlich komplizierter, wie in Abbildung 7 für GaAs

dargestellt.


Abbildung 7: Bandstruktur von Gallium Arsenid GaAs. Г

repräsentiert den Punkt mit dem Wellenvektor k=0 [2]

Der Übergang von Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband

(oder umgekehrt) kann durch einen so genannten direkten

Übergang beim gleichen Wellenvektor k oder durch einen

indirekten Übergang mit unterschiedlichen k-Werten erfolgen.

(Abbildung 8).

Während des Übergangs müssen sowohl die Energie als auch

der Impuls erhalten bleiben. Das Photon hat einen Impuls von

ħ*k mit einem Betrag des k-Vektors von 10^7/m, während das

Elektron einen k-Wert von 0-10^10/m besitzt. Deshalb sind

direkte strahlende Übergänge nur möglich, wenn der Impuls

des Elektrons nahe bei null liegt.

Bei indirekten Bandübergängen muss ein Phonon

(unterschiedliche Gitterschwingungsenergie) beteiligt sein.


Liegen das Minimum des Leitungsbandes und das Maximum des

Valenzbandes unmittelbar übereinander (beim geleichen k-

Wert), so ist kein Phonon involviert und ein direkter Übergang

kann mit sehr viel höherer Wahrscheinlichkeit erfolgen. In der

Praxis sind heute alle LEDs direkte Halbleiter.

Um den Wert k=0 werden die Dispersionsgleichungen der

Energie für das Leitungsband EC und das Valenzband EV durch

eine parabolische Abhängigkeit beschrieben. Dabei ist me die

effektive Masse des Elektrons und mh die effektive Masse der

Löcher (fehlende Elektronen im Valenzband, h wie hole).

hV

eC

mkEE

mkEE

2/

2/

22

22

(2)

Abbildung 8: Direkte und indirekte Halbleiter (semiconductor)


Um Verbindungen herzustellen, die ausreichende Lumineszenz-

Effekte bei lichtemittierenden Dioden hervorrufen können,

müssen p- und n-dotierte Halbleiter miteinander kontaktiert

werden.

Abbildung 9: n- und p-dotierte Halbleiter

Für einen n-Halbleiter müssen so genannte Donatoren in das

Kristallgitter implantiert werden. Das Energieniveau dieser

Donatoren ist sehr nahe beim Leitungsband. Deshalb können

die bei der Kristallbindung überschüssig gewordenen Elektronen

der Donatoren durch thermische Anregung in das Leitungsband

überführt werden (Abbildung 9).

Die Fermi Energie im n-dotierten Halbleiter liegt in der Mitte

zwischen dem Donatoren Energieniveau und dem Leitungsband.

In Abbildung 10 ist die Kristallstruktur in einem n-Halbleiter

dargestellt. Das Kristallgitter z. B. Si oder Ge stellt vier

Elektronen für die kovalente Bindung zur Verfügung.


Ersetzt ein As Atom mit fünf Bindungselektronen ein Si Atom,

so wird ein Elektron frei, das durch thermische Anregung in das

Leitungsband gelangt. Obwohl die Dotierung relativ klein ist

(10^-8 bis 10^-4) kann sie einen sehr großen Einfluss auf die

elektrischen Eigenschaften haben.

Abbildung10: As als Donator in einem Si-Kristallgitter [3]

Bei p-dotierten Halbleitern werden Akzeptoren in das Gitter

implantiert. Dabei ersetzt ein dreiwertiges Atom ein

vierwertiges im Kristallgitter. Für eine vollständige kovalente

Bindung nimmt es durch thermische Anregung ein Elektron aus

dem Valenzband. Die Fermi Energie liegt dabei in der Mitte

zwischen Valenzband und Energieniveau des Akzeptors.

Ein Elektron kann nun leicht von einem Akzeptor Atom

aufgenommen werden. Dabei hinterlässt es ein positives Loch

im Valenzband, das sich nun frei als quasi positive Ladung in

diesem bewegt.

Die typische Energielücke zwischen Akzeptor Niveau und

Valenzband bzw. zwischen Donator und Leitungsband beträgt

ca. 20-40 meV.

Kontaktiert man n- und p-Halbleiter, so entsteht ein so

genannter p-n-Übergang, der die physikalische Basis aller

Dioden bildet, insbesondere auch für die Elektrolumineszenz


der LED. Innerhalb des Kontaktbereiches entsteht ein steiler

Gradient der Konzentration von Elektronen, die in den p-

Halbleiter, und von positiven Löchern, die in den n-Halbleiter

diffundieren.

Die in den p-Halbleiter wandernden Elektronen werden von den

Akzeptoren eingefangen oder rekombinieren mit den Löchern

während die Löcher in den n-Halbleiter wandern und von den

Donatoren eingefangen werden oder mit den Elektronen

rekombinieren.

Auf diese Weise entsteht um den Kontakt ein Bereich ohne freie

Ladungsträger sowie eine negative Ladungsdichte auf der Seite

der p-Halbleiter und eine positive im n-Halbleiter (Abbildung

11).

Abbildung 11: Ladungsdichte im Bereich des p-n-Übergangs

Die Diffusion besteht bis sich das entwickelnde elektrische Feld

mit der Diffusion im Gleichgewicht befindet.


Im Bereich des p-n-Übergangs werden die Leitungsbänder

gegeneinander versetzt (Abbildung 12).

Abbildung 12: Versetzte Energiebänder im Bereich des p-n-

Kontaktes; EC und EV sind die Energieniveaus des Leitungs- und

Valenzbandes; EF ist die Fermi Energie; eVD ist die

Versetzungsenergie der Bänder durch das ausbalancierende

elektrische Feld [1,3]

Die Dicke des p-n-Übergangs am Kontakt (Junction) hängt von

der Diffusionsspannung im Gleichgewicht VD und den

Konzentrationen nD der Donatoren und nA der Akzeptoren ab,

siehe Gleichung 3 (ε: dielektrischer Koeffizient).

ennVW ADDD /)/1/1(2 0 (3)

VD ist eine Funktion der Donatoren- und Akzeptoren Dichte und

ist durch die folgende Gleichung 4 gegeben.

))/(ln( DADABD nnnnTkVe (4)

Für einen p-n-Übergang in Si mit ungefähr

nA=10^15/cm3 und nD=5*10^16/cm3 (ε=12) beträgt


die Diffusion Spannung VD=0.68 V. Die Breite des

Übergang ergibt sich zu WD=0.96 μm.

Legt man an den p-n-Halbleiter eine äußere Spannung

V (+ in Vorwärtsrichtung, forward bias), so wird die

Kontaktspannung VD am Übergang reduziert. Damit

wird der Potentialsprung niedriger und der Übergang

von Ladungsträgern (Elektronen und Löcher) und somit

die Rekombination eines Elektrons mit einem Loch

erleichtert (Abbildung 13).

Abbildung 13: p-n-Übergang bei positiver äußere

Spannung [1,3]

Das bedeutet, dass in Gleichung 3 VD durch (VD-V)

ersetzt werden muss. Damit wird die Breite des p-n-

Übergangs mit äußerer positiver Spannung geringer.

Der Strom im p-n-Halbleiter wächst mit steigender

Spannung (jic: Sperrstrom (inverse current), Equ. 5).

)1)/(exp( TkVejj Bic (5)


Ein p-n-Übergang stellt somit eine Diode dar (Abbildung

14).

Abbildung 14: Stromdichte j gegen angelegte äußere

Spannung bei einem p-n-Halbleiter


Licht emittierende Diode LED

LEDs (Light Emitting Diodes) sind die einfachsten

Halbleiterverbindungen. Wie zuvor beschrieben können

Elektronen im Bereich des p-n-Übergangs mit den positiven

Löchern über einen direkten Übergang vom Leitungsband zum

Valenzband rekombinieren. Dabei wird die gewonnene Energie

der Rekombination auf ein Photon mit der Energie der

Bandlücke übertragen.

Durch Veränderung der Zusammensetzung der

Halbleiterverbindung kann die Bandlücke und somit die

Wellenlänge des emittierten Photons gemäß Abbildung 4 von

Infrarot bis zum UV Bereich verändert werden.

Geeignete p-n-Halbleiter für UV LEDs sind AlGaInN

Verbindungen. Die Intensität Iem des emittierten

Energiespektrums bei direkten Halbleitern kann gemäß

folgender Gleichung berechnet werden.

)/)(exp(. TkEhEhconstI Bggem (6)

Abbildung 15 stellt diese Beziehung graphisch dar.

Die Temperaturabhängigkeit der Energielücke Eg kann durch die

experimentell abgeleitete so genannte Varshni Gleichung

wiedergegeben werden.


K

KeVa

eVKTE

GaN

TTKTEE

g

gg

600

/10

47.3)0(

:

)/()0(

4

2

(7)

Beispiel: Bei GaN wächst die der Bandlücke entsprechende

Wellenlänge um 4.8 nm bei einer Temperaturerhöhung von

300 K auf 400 K.

Abbildung 15: Emissions-Spektrum von direkten Halbleitern,

λ=275 nm (arbitrary units, willkürliche Einheiten)

Wie man sieht wird das Maximum der Wellenlänge mit

steigender Temperatur des Kontaktbereiches leicht verschoben.


Die Bandlückenverschiebung hat allerdings keine praktischen

Auswirkungen für Anwendungen der LEDs als UV-A Leuchten in

der Magnetpulver- und fluoreszierenden Eindringprüfung.

Die Intensität des theoretischen Emissionsspektrums wird bei

einer Temperaturerhöhung von 300 auf 400 K um nahezu 10%

reduziert. Dies ist bei Anwendungen der Magnetpulver- und

Eindringprüfung allerdings zu berücksichtigen.

Abgesehen von der zuvor beschriebenen

Temperaturabhängigkeit der Strahlungsrekombination gibt es

weitere Effekte, die die Emission von Photonen d. h. die

Lumineszenz und Effektivität von LEDs beeinflussen.

Dies sind Rekombinationen ohne Emission von Photonen und

optische Effekte der Lichtemission vom Halbleiter in den freien

Raum.

Rekombination ohne Emission von Photonen

Störstellen im Kristallgitter eines Halbleiters können zu

Rekombinationen ohne Emission von Photonen oder

Rekombinationen mit niedrigerer Energie als der Bandlücke

entspricht führen.

Die Energieniveaus von Störstellen können zwischen dem

Leitungs- und Valenzband liegen (Abbildung 16)

Diese tief liegenden Energiezustände (deep level impurities)

werden auch als Lumineszenz-Killer bezeichnet.


Abbildung 16: “Deep Level” Rekombination

Eine andere Rekombination ohne Photon Emission mit der

Wellenlänge des Energieabstandes zwischen Valenz- und

Leitungsband kann auch an der Oberfläche des Halbleiters

entstehen. Starke Störungen der Gitterperiodizität und infolge

dessen der Bandstruktur verändern die energetischen Abstände

zwischen Leitungs- und Valenzband. Es entstehen

Elektronzustände im verbotenen Bereich der Bandlücke, die zu

nicht strahlenden Übergängen oder nieder-energetischen

Übergängen im Infrarot Bereich führen.

Eine weitere nicht strahlende Rekombination ist der Auger

Effekt. Die Rekombinationsenergie eines Elektrons mit einem

Loch wird auf ein anderes Elektron im Leitungsband übertragen,

das daraufhin in ein höheres Energieniveau angehoben wird.

Elektronen können auch über die energetische Lücke der

Diffusionsspannung ohne Rekombination springen. Dieses

Problem kann durch die Ausbildung einer Heterostruktur der

LED behoben werden. (siehe entsprechendes Kapitel).

Ein weiterer Effekt, der die Emission von Photonen aus der LED

behindert, ist die interne Absorption der emittierten Photonen


noch innerhalb des Halbleiters. Auch dieser Effekt kann durch

eine Heterostruktur minimiert werden.

Die Temperaturabhängigkeit der Intensität der Lumineszenz

wird durch die folgende phänomenologische Relation

beschrieben.

))/300(exp( 1300 TTII K (8)

Dabei ist T die Umgebungstemperatur und T1 die

charakteristische Temperatur der Halbleiterverbindung.

In Abbildung 17 sind einige Beispiele dargestellt. Man erkennt,

dass die Intensität der Lumineszenz der blauen GaInN/GaN LED

relativ unempfindlich gegen Temperaturänderungen ist.

Abbildung 17: Temperaturabhängigkeit der Intensität der

Lumineszenz einiger LED Halbleiterverbindungen als Funktion

der Umgebungstemperatur [1]


Optische Aspekte, Licht-Kegel (Light Escape

Cone)

Die Effektivität einer LED hängt stark von ihrer Fähigkeit ab,

das erzeugte Elektrolumineszenz Licht in den freien Raum zu

übertragen, das so genannte „Light Escape Problem“.

Dieses Problem ist im Wesentlichen auf den hohen

Brechungsindex der Halbleiter ns>2,5 zurückzuführen. Die

Totalreflexion wird durch das Gesetz von Snellius beschrieben,

das den kritischen Winkel der Totalreflexion фc und damit den

Lichtkegel der Emission bestimmt.

sairc

sairc

aircs

nn

nn

nn

/

/arcsin

90sinsin

(9)

Abbildung 18: a) Winkel der Totalreflexion b) Flächenelement c)

Fläche der Halbkugel


Unter Berücksichtigung der in Abbildung 18 angegebenen

Relationen kann man die optische Leistung Popt, die emittiert

wird im Verhältnis zur Leistung Pint, die intern erzeugt wird,

berechnen.

Die Effektivität der Lichtausbeute ηetr einer LED kann für die

angegebenen Geometrien aus Abbildung 19 abgelesen werden.

Abbildung 19: Lichtkegel für einige Geometrien der LED [1]

Zum Beispiel erhält man für eine planare LED eine optische

Effektivität von nur 50% bei einem Emissionswinkel von 60°.


Diese Situation kann man erheblich verbessern, wenn man die

LED mit einer Epoxid Halbschale einhüllt wie in Abbildung 20

dargestellt.

Abbildung 20: Verbesserung der optischen Effektivität einer

LED durch Umhüllung mit einer Epoxid Halbschale [1]


LED Heterostrukturen

Es ist naheliegend davon auszugehen, dass die

Rekombinationsrate stark von der Konzentration der

Ladungsträger abhängen wird. Mit den Heterostukturen

der Halbleiter können sehr hohe Konzentrationen

erreicht werden (Abbildung 21).

Heute werden in allen LEDs diese Strukturen benutzt.

Abbildung 21: Doppel Heterostruktur

Die untere und obere Begrenzungsschicht (bottom, top

confinement layer) haben eine größere Bandlücke als die aktive

Schicht (active layer). In Abbildung 22 sind eine Homo- und

Doppel-Heterostruktur bei Vorwärtspolung der äußeren

Spannung dargestellt.

Bei Homostrukturen werden die Ladungsträger Elektronen und

Löcher entlang der vollständigen Diffusions-Länge verteilt.


Bei Doppel-Heterostrukturen sind die Ladungsträger zwischen

den beiden Begrenzungsschichten eingeschlossen, die eine

wesentlich höhere Bandlücke besitzen als der aktive Bereich.

Erstere müssen so hoch sein, das die Elektronen im

Temperaturbereich der aktiven Region nicht über die hohe

Barriere der Begrenzungsschichten springen können.

Die Breite der aktiven Schicht bei einer Heterostruktur ist

erheblich geringer, was schließlich zu der gewünschten hohen

Dichte der Ladungsträger führt.

Hinzu kommt, dass die in der aktiven Schicht erzeugten

Photonen ohne Abschwächung durch die Begrenzungsschichten

entkommen können, was zu einer höheren Effizienz der

Lumineszenz führt.

Abbildung 22: Homo- und Doppel-Heterostrukturen bei

Vorwärtspolung. Ln, Lp sind die Diffusionslängen von Elektronen

und Löchern. : Rekombinationsraten [1].


Die gemessene Dicke der aktiven Schicht bei einer AlGaInP

Doppel-Heterostructure ist in Abbildung 23 dargestellt.

Abbildung 23: Effektivität der Lumineszenz (luminous

efficiency) als Funktion der Dicke der aktiven Schicht (active

layer) bei einer AlGaInP Doppel-Heterostruktur mit den

angegebenen Ladungsträgerdichten (carrier concentration) [1]

Eine weitere Möglichkeit, die Strahlungsrekombination einer

LED zu verbessern besteht darin, die Dotierung an Donatoren

und Akzeptoren zu erhöhen. Das wird jedoch eingeschränkt

durch den Effekt, dass dann der p-n-Übergang bis zum oberen

Ende der aktiven Schicht der Heterostruktur heranreicht.

Dadurch können die Elektronen ohne Rekombination in der

aktiven Schicht entweichen, was zu einer Reduzierung der

Effektivität einer LED führt, wie in Abbildung 24 dargestellt.


Abbildung 24: Effekt der Dotierungskonzentration bei AlGaInP

LED auf die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht [1]

Abbildung 24 zeigt, dass man eine hohe Quantenausbeute

erhält, wenn die Konzentration der Donatoren im n-Halbleiter

kleiner als 0,5*10^-17/cm3 und der Akzeptoren kleiner als

1.0*10^-17/cm3 bei p-Halbleitern in der aktiven Schicht ist.

Höhere Stromdichten führen zu höheren Ladungsträgerdichten.

Dabei wird allerdings wieder die aktive Schicht bis zum Rand

mit Ladungsträgern geflutet, was sodann zu keiner weiteren

Erhöhung der Rekombinationsrate führt.

Eine weitere Verbesserung könnte durch Einsatz von Quanten-

Potentialtöpfen (quantum wells) erreicht werden. Schematisch

ist dies in Abbildung 25 dargestellt.


Abbildung 25: Quanten-Potentialtöpfe als aktive Schichten

Die aktive Schicht der Strukturen mit Potentialtopf muss

erheblich dünner sein als bei normalen Heterostrukturen, um

den quantenmechanischen Effekt der Bildung von diskreten

Energieniveaus zu erreichen. In der zur Zeichenebene der

Abbildung 25 senkrechten Richtung umfassen die aktiven

Bereiche die ganze Fläche des Halbleiters, so dass in dieser

Richtung Bandstrukturen ausgebildet werden können.

Hohe effektive Lumineszenz in LED erfordert entweder sehr

breite aktive Schichten bei normalen Heterostrukturen oder

multiple Quanten-Potentialtopf Schichten.


Praktisch Aspekte und Betrachtungen

Eine typische Hochleistungs-LED für den Wellenlängenbereich

des elektromagnetischen UV-A Bereichs ist schematisch in

Abbildung 26 zu sehen.

Abbildung 26: Schematische Darstellung einer Hochleistungs-

LED [1]

Aus zuvor diskutierten Gründen sind die wichtigsten

Bestandteile neben dem Halbleiter Chip (GaInN flip chip), die

Silikon Umhüllung (Silicon encapsulant) und die Linse aus

Plastik (plastic lens) für optimale optische Effektivität. Der

Silizium Halbleiterschaltkreis (Si Sub-mount chip) enthält eine

ESD Absicherung der LED gegen Überspannung (Electrostatic

Discharge Protection Diodes).

Der Kathodenanschluss (cathode lead) und der Golddraht (gold

wire) sind die Verbindung für die Vorwärtsspannung des p-n-

Übergangs.


Das Löten der LED erfordert besondere Vorsicht. Der Hersteller

der LED gibt entsprechende maximale Löttemperaturen und

Dauer an. Typische Werte sind maximal 180-200°C und 120 s

lang oder 260°C und 10 s.

Es gibt eine Reihe temperaturabhängiger Effekte, die die

Eigenschaften einer LED beeinflussen.

Zur Übersicht sind die Gleichungen hier noch einmal aufgeführt:

)/)exp((1/(1)( TkEEEf BF (1)

))/(ln( DADABD nnnnTkVe (4)

)1)/(exp( TkVejj Bic (5)

)/)(exp(. TkEhEhconstI Bggem (6)

)/()0( 2 TTKTEE gg (7)

))/300(exp( 1300 TTII K (8)

Es ist offensichtlich, dass das Management der Temperatur sehr

wichtig in Bezug auf den zuverlässigen Betrieb und die

beabsichtigte Lebensdauer der LED in der Größenordnung von

20.000 Betriebsstunden ist.

Deshalb ist die Wärmesenke der LED (heat sink) und die

Verbindung zu den tragenden Bauteilen essentiell. Der

Wärmeübergang zur Umgebung muss sehr effektiv gestaltet

werden, um eine Überhitzung zu vermeiden. Dies gilt

gleichermaßen für offene als auch für geschlossene Gehäuse

von LED-Lampen. Mit entsprechender Ausführung können auch

geschlossene Lampen mit Hochleistungs-LEDs zuverlässig

betrieben werden.


Abbildung 27: Beispiel für ein angepasstes Temperatur-

Management einer Hochleistungs-LED; die gemessenen

Temperaturen sind: Umgebung Tu=28°C, Gehäuse T2=39.6°C,

LED Wärmesenke T1=42.7°C und aktive Schicht (junction) Tjc .

Für die Hochleistungs-LED der Abbildung 28 hat der Hersteller

einen thermischen Widerstand Rjc von 11°C/W und eine

Leistung von 3 W angegeben. Mit den in Abbildung 27

angegebenen gemessenen Temperaturen ergibt sich nach

Gleichung 10 eine Temperatur in der aktiven Schicht von

Tjc=76°C.

Der Hersteller lässt eine Temperatur von 85°C zu. Bei höheren

Umgebungstemperaturen muss die Stromstärke entsprechend

reduziert werden.

i

itotal RR i=Rhousing, Rheat sink, Rjc (10)

Gemäß Gleichung 5 sind die Vorwärtsspannung V, Stromdichte

j und Umgebungstemperatur miteinander korreliert. Aus diesem

Grund wird die Vorwärtsspannung z. B. von 3,8 V bei 20°C bis

3,75 V bei 50°C vom Hersteller vorgegeben.

Ein Stromkreis mit einem Widerstand in Reihe mit der LED, der

auch als Shunt für die Messung des Stromes dient, ist in der

folgenden Abbildung dargestellt. Seine Größe wird durch die

vom Hersteller angegebene Betriebsspannung und -Strom

berechnet.


Abbildung 28: Widerstand in Reihenschaltung für die Einhaltung

der vom Hersteller angegebenen Betriebsbedingungen

Eine andere und präzisere Schaltung für den zuverlässigen

Betrieb ist die Benutzung einer Konstantstrom Quelle. Dadurch

wird der Betrieb der LED unabhängig von Spannung und

Temperatur.

Ganz allgemein gilt: die Spezifikationen des Herstellers sind

rigoros einzuhalten um einen zuverlässigen Betrieb zu

gewährleisten und das langlebige Potential einer LED

auszunutzen.


Effizienz einer LED

In der Literatur findet man eine ganze Reihe von durchaus

nützlichen Definitionen für die Effizienz einer LED.

Im Folgenden sollen einige Beispiele angegeben werden.

Definition der verwendeten Symbole:

Pint: interne Leistung, die von der aktiven Schicht emittiert wird

I: Strom durch LED

Popt: optische Listung, die in den freien Raum emittiert wird

Pel: elektrische Leistung zur Versorgung der LED

Mit diesen Definitionen können die folgenden Effektivitäten η

beschrieben werden:

a) Interne Quanten-Effizienz

Photonen/s aus aktiver Schicht

ηint= ------------------------------------------ =Pint/(hν)/I/e

Elektronen/s injiziert in aktive Schicht

b) Extraktions-Effizienz

Photonen/s emittiert in freien Raum

ηetr= -----------------------------------------------=Popt/(hν)/Pint/hν

Elektronen/s emittiert aus aktiver Schicht


c) Externe Quanten-Effizienz

Photonen/s emittiert in freien Raum

ηext= ---------------------------------------------= Popt/(hν)/I/e

Elektronen/s injiziert in LED

d) Leistungs-Effizienz

ηpow=Popt/Pel

Die Hersteller geben häufig die zuletzt genannte Leistungs-

Effizienz an. Für Hochleistungs-LEDs liegt sie in der

Größenordnung von

ηpow=Popt/Pel=15%!


Forderung der Normung in der ZfP

Die Anforderungen an den Einsatz von UV-A LED-Lampen im Bereich der Zerstörungsfreien Prüfung bei der Magnetpulver- und fluoreszierenden Eindringprüfung unter UV Licht sind in der internationalen Norm EN ISO 3059 (neben anderen)

beschrieben.

Die wichtigsten Aspekte sind:

Für die Entfernung überschüssigen Eindringmittels muss die UV-A Intensität >100 μW/cm2 betragen und die

Beleuchtungsstärke der Umgebung <100 lx sein

b) Während der Begutachtung gilt:

UV-A Strahlung >1.000 μW/cm2 bei einer Entfernung von

40 cm von der beleuchteten Oberfläche

Wellenlänge λ=365 nm +- 5 nm

Halbwertsbreite FWHM < 30 nm

Beleuchtungsstärke <20 lux. Falls die

Umgebungsleuchtstärke größer ist, muss der Kontrast

entsprechend erhöht werden (EN ISO 9934).

Um diese Bedingungen zu garantieren, muss gutes Qualitätsmanagement des Herstellers der LED-Leuchte und der LED-Lampe gewährleistet sein.

Es ist angebracht, wenn der Hersteller der LED-Lampe eine intensive Qualitätskontrolle jeder einzelnen LED-Leuchte

durchführt (Binning).

Jede LED-Lampe sollte mit einem Zertifikat versehen werden,

das die angegebenen Spezifikationen aufzeigt.


Vergleich der konventionellen UV-A mit LED-

Lampen

Ein grundlegender Unterschied zwischen einer LED und einer Quecksilberdampflampe ist deren elektromagnetisches

Spektrum, wie in Abbildung 29 zu sehen.

Abbildung 29: Spektrum einer Hochleistungs-UV-A Leuchte,

oben: LED, unten: Quecksilberdampflampe


Die UV-LED benötigt auf Grund ihres sehr engen Spektrums

keine zusätzlichen Filter für höhere Wellenlängen wie sie für die Quecksilberdampflampe erforderlich sind. Dies ist bei der LED nur erforderlich, wenn sehr stark reflektierende Materialien den Kontrast von Anzeigen in der Magnetpulver– und Eindringprüfung mindern. Dann ist ein UV Filter erforderlich,

der die höheren Wellenlängen zusätzlich abschneidet.

Abbildung 30: Vergleich Quecksilberdampflampe gegen LED

Weitere Vorteile der LED sind:

Unempfindlich gegen elektromagnetische Strahlung Unempfindlich gegen Schwingungen Präzise Wellenlänge bei 365 nm Schutzart IP 65 möglich (vollständig Dicht gegen Staub

und Wasserstrahl)

Vielfältige Design Möglichkeiten

In den nächsten Abbildungen sind einige Beispiele für die

beschriebenen Vorteile von LED-Lampen dargestellt.


Abbildung 31: Aufwärmzeiten für Quecksilberdampflampen und LED

In der nächsten Abbildung sind die unerwünschten Reflexionen bei einigen Materialien zu sehen, die durch die Wellenlängenanteile im Bereich des violetten elektromagnetischen Spektrums bei Quecksilberdampflampen

entstehen.

Im entsprechenden Beispiel für die UV-A LED-Lampe ist dies auf Grund des vernachlässigbaren Anteils von Wellenlängen im sichtbaren Bereich nicht zu erkennen.


Abbildung 32: Magnetpulverprüfung unter fluoreszierendem Licht bei stark reflektierenden Materialien: links:

Quecksilberdampflampe, rechts: LED-Lampe

Abbildung 33: Design Variationen mit UV-A LED-Lampen

[Helling GmbH]

Um die Spezifikation und einwandfreie Funktion einer LED-Lampe zu garantieren, wird für jede ein Zertifikat mitgeliefert (Abbildung 34), das die Übereinstimmung mit der Norm

bestätigt.


Abbildung 34: Qualitäts-Zertifikat für jede UV-A LED-Lampe mit

Spektrum, Wellenlänge (hier 365 nm) und Intensitätsverteilung

Die Zukunft von UV-A Lampen in der ZfP bei fluoreszierender Eindring- und Magnetpulverprüfung gehört zweifellos der Licht

Emittierenden Diode, was von der so genannten Haitz´schen

Regel noch unterstützt wird.


Abbildung 35: Haitz´sche Regel, Entwicklung der LED

Aber:

Es ist schwierig Vorhersagen zu machen, besonders wenn sie die Zukunft betreffen!

Niels Bohr


Literatur

1. E. Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, Cambridge

University Press (2014)

2. Frank Thuselt, Physik der Halbleiterbauelemente, Springer

Verlag Berlin Heidelberg (2011)

3. Wolfgang Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag

Berlin Heidelberg (2010)

Qualität und Innovation

aus Tradition

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UV-A Licht Emittierende Diode LED · Bindung nimmt es durch thermische Anregung ein Elektron aus dem Valenzband. Die Fermi Energie liegt dabei in der Mitte zwischen Valenzband und