Der Schulstoff
Schon in der unteren Mittelstufe werden die drei Wirkungen des elektrischen Stromes vorgestellt: die magnetische und die chemische Wirkung und die Wärmewirkung.
Als Anwendung der Wärmewirkung ist es ein Leichtes auf das Glühen einer Drahtwendel hinzuarbeiten und somit zu zeigen, wie mit elektrischem Strom unsere Glühlampen betrieben werden.
Wie ist das aber mit den Leuchtstoffröhren?
Elektrizitätsleitung in Gasen ist selbst in der Oberstufe eher weniger das Thema.
Und wie erzeugen wir heute hauptsächlich Licht? Durch Leuchtdioden LEDs!
Bei der Autobeleuchtung liegt der Anteil der LEDs bei etwa 37%, bei der Raumbeleuchtung bei 70% und bei der Bildschirmbeleuchtung bei 100%.
Und wie groß ist der Anteil der LEDs bei der Erleuchtung im Physikunterricht?
Ich schätze eine niedrige einstellige Prozentzahl...
Das Extrafutter
Ich versuche mal, LEDs so zu erklären, dass man nicht vorher eine Unterrichtsreihe über Halbleiter und Dotierung durchnehmen muss. Ich denke, das sollte gehen, denn um das Leuchten eines erwärmten Drahtes zu erklären, behandelt man ja vorher auch nicht Festkörper- und Atomphysik oder bemüht gar die Quantenmechanik.
Wer trotzdem etwas mehr über die p- und n-Halbleiter erfahren möchte: das habe ich im Post vor diesem im Extrafutter-Blog beschrieben.
Und der Post davor behandelt eine weitere Anwendung der Halbleiter, den Transistor.
Eine sehr schöne Simulation, zu dem, was ich jetzt erkläre, findet ihr in Leifi-Physik, die solltet ihr unbedingt ansehen:
https://www.leifiphysik.de/elektronik/halbleiterdiode/grundwissen/leuchtdioden-led-einfuehrung
Schritt: Die beiden Schichten einer LED
Eine Diode besitzt zwei Schichten, eine sogenannte p-Schicht und eine n-Schicht.
In der n-Schicht bewegen sich negative Ladungen, ganz normale Elektronen. Sie kommen von Fremdatomen, die ein Elektron übrig haben und es somit abgeben. Trotzdem sind diese Fremdatome danach positiv geladen (ihnen fehlt ja das Elektron), d.h. der n-Halbleiter besitzt bewegliche negative und feste positive Ladungen.
In der p-Schicht sitzen feste negative Ladungen (hinzugegebene Fremdatome mit einem Elektron zu viel) und bewegen sich positive Ladungen frei, das sind die sog. Löcher.
Ein Loch ist kein echtes Teilchen, sondern ein durch das Fremdatom erzeugte Lücke im Bindungssystem der Siliziumatome, die eine positive Ladung mit sich bringt.
Also:
p-Halbleiter: bewegliche positive, feste negative Ladungen
n-Halbleiter: bewegliche negative, feste positive Ladungen
2. Schritt: Entstehung eines inneren elektrischen Feldes
Wir bringen p- und n-Halbleiter zusammen. Das nennen wir eine Diode.
Die freien negativen und positiven Ladungen treffen an der Kontaktstelle zusammen und neutralisieren sich. Ja, man kann sagen: Die Elektronen fallen in die Löcher....
Dadurch können jetzt die festen Ladungen wirken und ein elektrisches Feld aufbauen.
3. Schritt: Die ladungsfreie Zone
Dieses "innere" elektrische Feld verhindert, dass sich weitere Elektronen und Löcher an der Kontaktstelle treffen und die Elektronen in die Löcher fallen.
Das ist wichtig, denn so bleiben die freien Ladungen unmittelbar nach der Kontaktierung der beiden Schichten bis auf einen schmalen Bereich an der Kontaktfläche erhalten.
Diesen Bereich nahe der Kontaktstelle nennen wir ladungsfreie Zone, weil sich dort keine freien Ladungen halten können.
4. Schritt: Falsch gepolt!
Wir legen eine Spannung an die Diode an:
Der +-Pol soll an die n-Schicht und der - -Pol an die p-Schicht kommen. Das nennen wir Sperrrichtung!
Was passiert?
Das innere elektrische Feld wird durch die angelegte Spannung verstärkt, d.h. weitere freie Ladungen werden von der Kontaktstelle abgezogen. Die ladungsfreie Zone wird breiter.
Die ladungsfreie Zone wirkt jetzt wie ein starker Widerstand, die Diode leitet nicht, der Strom ist gesperrt.
5. Schritt: Alles richtig: Strom fließt
Nun polen wir um, d.h. wir schalten die Diode in Durchlassrichtung:
n-Schicht kommt an den negativen Pol und die p-Schicht an den positiven Pol der Spannungsquelle (leicht zu merken: n an -, p an plus...).
Wir müssen aber die Spannung auf etwa 0,7 V einstellen, dann können die Ladungen angetrieben durch die äußere Spannung die ladungsfreie Zone (das innere elektrische Feld) überwinden und ein Strom kann fließen.
6.Schritt: Es werde Licht!
Wir wollen nun eine Leuchtdiode haben. Dazu müssen wir die Kontaktflächen so gestalten, dass sich viele Elektronen und Löcher treffen, wenn wir die Diode in Durchlassrichtung schalten.
Was passiert dann? Wenn das Elektron in das Loch fällt, dann wird Energie frei...und diese Energie wird in Form von Licht abgestrahlt.
Da die Löcher einer Diode immer gleich tief sind, fallen die Elektronen immer gleich tief und das abgestrahlte Licht hat immer die gleiche Energie, d.h. Farbe.
Für jede Farbe gibt es also eine LED-Sorte.
7.Schritt: Wir lassen das Licht raus...
Und noch was müssen wir machen... die Kontaktfläche muss von Außen sichtbar sein, damit das erzeugre Licht auch rauskommt...das nennen wir dann eine Leuchtdiode LED: Light Emitting Diode.
leifiphysik
Und hier nun der schematische Aufbau einer LED:
lampe.de
Gut zu wissen:
Ist die angelegte Spannung zu groß, dann bewegen sich zu viele Elektronen, erzeigen Wärme und zerstören die Diode.
Ist die Spannung falsch gepolt (Sperrichtung), so fließt kein Strom. Aber auch hier zerstört eine zu hohe Spannung die kleinen dünnen Schichten.
Man kann also LEDs durch 9 V Batterien leicht zerstören, sie benötigen immer einen Vorwiderstand. Aber wir sind jetzt satt...genügend extra gefuttert...