uv-a licht emittierende diode led · bindung nimmt es durch thermische anregung ein elektron aus...
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©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
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 2
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 3
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.
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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]
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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
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 6
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 7
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 8
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)
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 9
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 10
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
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 11
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 12
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
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 13
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)
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 14
Ein p-n-Übergang stellt somit eine Diode dar (Abbildung
14).
Abbildung 14: Stromdichte j gegen angelegte äußere
Spannung bei einem p-n-Halbleiter
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 15
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 16
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 17
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 18
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
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 19
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]
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 20
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
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 21
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°.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 22
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]
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 23
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 24
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].
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 25
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 26
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 27
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 28
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 29
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 30
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 31
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 32
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
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 33
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%!
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 34
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.
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 35
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
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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.
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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.
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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.
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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.
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Abbildung 35: Haitz´sche Regel, Entwicklung der LED
Aber:
Es ist schwierig Vorhersagen zu machen, besonders wenn sie die Zukunft betreffen!
Niels Bohr
©Reprint ECNDT Prague (2014); Deutsche Übersetzung Page 41
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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