Leuchtdiode mit „200 Prozent“ Effizienz

  • 02. March 2012

Wärmeenergie des Diodenmaterials wird in Strahlung umgewandelt.

Eine Halbleiterleuchtdiode kann wesentlich mehr Strahlungsenergie abgeben, als an elektrischer Energie in sie hineingepumpt wird – selbst wenn nur jedes tausendste Elektron ein Photon erzeugt. Das haben jetzt Forscher am MIT gezeigt.

Abb.: Bei niedriger Strahlungsleistung und hoher Temperatur erreichte die untersuchte Leuchtdiode eine Effizienz von über 100 Prozent. (Bild: P. Santhanam et al., Phys. Rev. Lett.)

Abb.: Bei niedriger Strahlungsleistung und hoher Temperatur erreichte die untersuchte Leuchtdiode eine Effizienz von über 100 Prozent. (Bild: P. Santhanam et al., Phys. Rev. Lett.)

Parthiban Santhanam und seine Kollegen benutzten bei ihren Experimenten eine Leuchtdiode, die aus einer Legierung der Elemente Indium, Gallium, Arsen und Antimon bestand. Sie legten an die Diode in Durchlassrichtung eine elektrische Spannung an und maßen den daraufhin fließenden Strom sowie das abgestrahlte Licht. Daraus ermittelten sie die der Diode zugeführte elektrische Leistung und die als Licht abgestrahlte Leistung und verglichen beide.

Bei sehr kleinen elektrischen Eingangsleistungen von etwa 30 Pikowatt strahlte die Diode mit einer vergleichbaren Lichtleistung. Das ist insofern bemerkenswert, als nur etwa jedes tausendste Elektron in der Diode einen strahlenden Übergang vollzog und ein Photon abgab. Wurde die Diode auf 135 Grad Celsius erhitzt, so betrug die gemessene Lichtleistung etwa 70 Pikowatt und war damit doppelt so groß wie die elektrische Eingangsleistung. Die Diode gab also doppelt so viel Energie ab, wie ihr elektrisch zugeführt wurde. Die fehlende Energie lieferten die Gitterschwingungen des heißen Halbleiterkristalls.

Durch die angelegte Spannung U wurden in der Leuchtdiode Elektronen und Löcher aus entgegengesetzten Richtungen auf die Rekombinationsschicht zugetrieben. Dort rekombinierten die Elektronen aus dem Leitungsband mit den Löchern im Valenzband. Die dabei freiwerdende Energie der Bandlücke ΔE wurde in 0,03 Prozent aller Fälle als Photon abgestrahlt, in den übrigen Fällen fand ein strahlungsloser Übergang statt.

Die elektrische Energie eU der Elektronen war viel kleiner als ΔE und spielte bei der Anregung dieser Ladungsträger ins Leitungsband keine Rolle. Vielmehr waren Elektronen durch thermische Anregung ins Leitungsband gelangt, da die thermische Energie kT viel größer als eU war. Diese Wärmeenergie wurde den Gitterschwingungen entnommen, sodass sich der Halbleiterkristall abkühlte.

Wie die Messungen der Forscher zeigten, nahmen die Output-Leistung und die Kühlungsleistung der Leuchtdiode mit der Temperatur zu. Die Kühlungsleistung war jedoch bei Zimmertemperatur für eine praktische Anwendung noch nicht groß genug. Bei 135 Grad Celsius war die Diode eine äußerst effiziente IR-Strahlungsquelle für eine Wellenlänge von 2,4 Mikrometer. Zudem könnte man sie auch bei höheren Temperaturen betreiben, ohne dass man sie aktiv kühlen müsste. Allerdings strahlte die Diode noch zu wenig Licht ab, als dass man sie praktisch nutzen könnte.

Rainer Scharf

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