So schön kann die Wirkung von Light Emitting Diodes sein, wobei die Betonung auf der Mehrzahl liegt, ohne die dieses Kunstwerk nicht möglich gewesen wäre. Wir aber befassen uns zunächst mit dem Singular, also nur einer einzigen LED, noch stärker vereinfacht, mit einer Diode allgemein.

Hier ist das Schema einer typischen Diode zu sehen. Sie besteht aus einer sogenannten p- und einer n-dotierten Schicht. Dotieren soll für diesen Moment erst einmal mit 'Verunreinigung' erklärt sein. Zwischen den Schichten ist eine Sperrschicht eingezeichnet. sie wird oben beim Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung größer.

Hier wirkt die Spannung in Durchlassrichtung. Der Pluspol greift an das Ende des p-dotierten Teils und der Minuspol an das des n-dotierten. Das Schaltzeichen darunter orientiert sich also grundsätzlich an der Lage der beiden Schichten, zeigt sozusagen von der p- zur n-dotierten. Unten sehen Sie, wie das Schaltzeichen einer Leuchtdiode aussieht.

Wir machen es uns einfach und betreiben eine Leuchtdiode nur in Durchlassrichtung. Sie können sich vorstellen, dass jetzt links der Mangel und rechts der Überschuss an Elektronen aufgehoben wird. Aber wie entsteht dabei Licht? Dazu greifen wir auf das Atommodell zurück.

Das ist der Aufbau des Silizium-Atoms, der Gruppe der Metalle zugehörig. Typisch sind seine 4 Elektronen auf der äußersten Schale. Kommen mehr als ein Silizium-Atom zusammen, tritt an Stelle der bisherigen die sogenannte Metallbindung auf. Das bedeutet für die Atomkerne eine feste Bindung innerhalb einer Kristallstruktur. Im Gegensatz dazu sind die Elektronen nicht mehr an ihre jeweiligen Schalen gebunden.

Das erklärt auch die Eigenschaft von Metallen als gute elektrische Leiter, nämlich das Vorhandensein freier Elektronen. Jetzt stellen Sie sich einen aus Siliziumkristallen gebildeten Wafer vor. Das ist eine vergleichweise größere runde Platte, auf der ganz gezielt Veränderungen der Struktur in feinster Form durchgeführt werden können.

Vielleicht haben Sie schon einmal per Video in einen sogenannten Reinraum hineingeschaut, wo sogar Überzieher für die Schuhe üblich sind, für die Haare ohnehin. Hier werden z.B. in Form von Wafern auch viele Mikroprozessoren hergestellt, nachher geteilt und mit sehr feinen, sogenannten Bonddrähten mit den jeweiligen Anschlüssen verbunden.

Im Falle von Leuchtdioden wird hier nur gezielt dotiert. Dabei werden einzelne Siliziumatome durch solche mit mehr Elektronen auf der äußeren Schale wie beispielsweise Phosphor (Bild oben) ersetzt. Es entsteht ein Bereich mit Elektronenüberschuss, die n-Schicht. Umgekehrt dotiert man z.B. mit Bor (Bild unten), das weniger Valenzelektronen als Silizium hat und erhält eine p-Schicht.

Wird jetzt eine Spannung in Durchgangsrichtung angelegt, dann füllen die überschüssigen Elektronen des Phosphors aus der n-Schicht die Valenzelektronen von Bor in der p-Schicht. Dabei wechselt so ein Elektron die Nähe zum Kern, was nach dem Bohrschen Atommodell die Aussendung eines Photons, also eines Lichtblitzes, zur Folge hat.

Bestimmt haben Sie so eine Leuchtdiode schon einmal gesehen, wissen also, wie klein die ist. Der längere Anschluss links ist die Anode. Interessanter ist die Kathode, die in der Kunststoffhülle als kleiner Trichter in diesem Fall nach oben ausgearbeitet ist. Und genau in diesen Trichter hinein passt das Stück aus dem Wafer.

Wenn auch nur ein Bonddraht aus Gold, aber er wird hier gebraucht von dem Teil im Trichter zur Anode auf der linken Seite. Der ist so fein, dass man ihn in der Regel nicht sieht. Er darf auch nicht zu dick sein, weil er sonst zu viel von dem kleinen Lichtkegel nach oben wegnehmen würde.