Herstellung der LED – so werden Leuchtdioden gefertigt

Leuchtdiode
Leuchtdiode

Überlegt man es sich recht, sind LED-Lampen wahre kleine Wunderwerke: Sie brauchen bei gleicher Lichtausbeute bis zu 90 % weniger Strom als Glühlampen, haben eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren und sind so flach, dass sie als LED-Band einfach auf Möbel und Co. geklebt werden können.

Doch woraus bestehen Leuchtdioden eigentlich und wie stellt man die teils winzigen Licht emittierenden Dioden her? Das wollen wir hier  beantworten.

Grundlagen – Aufbau und Funktionsprinzip von LED-Halbleitern

Leuchtdioden (LED) sind kristalline Halbleiterverbindungen mit einer negativ (n) und einer positiv (p)  geladenen Anschlussstelle. Das Licht entsteht durch die Rekombination von Ladungsträgerpaaren im Halbleiter oder anders gesagt durch die Bestrebung der Ladungsträger, ihre Energiedifferenz auszugleichen. Wie genau das funktioniert, finden Sie in diesem Blogbeitrag ausführlich erklärt: „Die LED: wo sie herkommt, wie sie funktioniert und was sie uns nutzt“. Hier und jetzt geht es aber um die Herstellung ;).

Ausgangsmaterial: Der Monokristall aus Silizium als Trägersubstrat

Ausgangsmaterial für die Leuchtdioden-Herstellung ist das Halbmetall Silizium, das hierfür in hochreiner Form als Mono – bzw. Einkristall vorliegen muss. Es muss also zunächst ein  „Einkristall“ gewonnen werden. Dazu schmilzt man einen polykristallinen Siliziumstab unter gleichmäßiger Rotation an einem Ende langsam auf. Anschließend wird die aufgeschmolzene Zone mit einem sogenannten „Impfristall“ in Berührung gebracht. Der herzustellende Kristall wächst an diesem Silizium-Impfling an, wobei er dessen monokristalline Struktur übernimmt.

Das beschriebene Zonenschmelzverfahren hat den weiteren Effekt, dass Verunreinigungen und Fremdstoffe dadurch zum Großteil „ausgeschwemmt“ werden. Sie erstarren nach Erkalten am Ende des Kristallstabs, wo sie später entfernt werden können. Um die gewünschten elektrischen Eigenschaften des Monokristalls zu erzielen, können der Schmelze außerdem Dotierstoffe wie Bor oder Phosphor zugegeben werden.

So werden Kristalle zum Halbleiterchip

Aus den sehr reinen, einkristallinen Siliziumstäben werden im weiteren Herstellungsprozess dünne Scheiben geschnitten, die sogenannten „Wafer“. Diese Wafer werden mittels Diffusion oder Ionenimplantation von Fremdstoffen gezielt in begrenzten Bereichen dotiert, um die geforderten Leitungseigenschaften des Halbleiters zu erzielen.

Nachdem die positiv-negativ (pn)-Übergänge hergestellt sind, werden die Kontaktierungen vorgenommen. Der Wafer wird in Halbleiterplättchen zerschnitten. Pro Leuchtdiode benötigt man ein Plättchen, das jeweils auf die Reflektorwanne aufgeklebt und an der Oberseite über einen Golddraht mit der Anode verbunden wird. Zum Schluss vergießt man die Diode mit Epoxidharz, um sie vor äußeren Einflüssen zu schützen. Der Epoxidharzverguss dient auch als Linse und optimiert Lichtaustrittsverhältnis und Abstrahlcharakteristik.

In diesem Video von OSRAM können Sie sich anschauen, wie die LED-Herstellung funktioniert:

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