LEDs sind heutzutage eines der am weitesten verbreiteten Leuchtmittel in Deutschland. Wer mit einer einzelnen LED und einer Batterie experimentiert, wird schnell feststellen, dass die Lampe nur leuchtet, wenn man sie richtigherum an die Batterie hält. Die Begriffe „Anode“ und „Kathode“ hat man in der Mittelstufe vielleicht einmal gehört – aber was haben sie mit der LED zu tun und was genau bedeuten sie hier?
Was ist eine LED?
LED ist eine Abkürzung für „Light-Emitting Diode“ (= lichtemittierende Diode). Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil, das aus zwei verschiedenen Arten von Halbleitern zusammengesetzt ist.
„Halbleiter?“, „Diode?!“ – Ok, der Reihe nach.
Was sind Halbleiter?
Halbleiter sind chemische Elemente, die nur unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom leiten. Die verschiedenen Arten von Halbleitern entstehen durch „Dotierung“ des Halbleiters, also das Einfügen anderer Elemente in die Gitterstruktur des Halbleiters.
Ein sogenannter n-dotierter Halbleiter entsteht, wenn man ein Element, das ein Valenzelektron mehr als der Halbleiter besitzt, einfügt. Es benötigt also nicht alle seine Außenelektronen, um sich in die Kristallstruktur einzugliedern. Die übrigen Elektronen können sich zwischen den Atomkernen frei bewegen. Durch Anlegen einer Spannung, können sie in eine einheitliche Richtung gelenkt werden. Dann fließt Strom.
Bei p-dotierten Halbleitern besitzt das eingefügte Element ein Elektron weniger als der eigentliche Halbleiter. So entstehen in der Gitterstruktur „Lücken“, die von Elektronen aufgefüllt werden können. Dies geschieht, indem die an die Atomkerne gebundenen Elektronen immer von einer Lücke zur nächsten „hüpfen“. Legt man eine Spannung an, kann auch dies gerichtet geschehen, sodass alle Lücken als scheinbar positive Ladungen in Richtung des niedrigeren Potentials wandern.
Was ist eine Diode?
Eine Diode, auch bezeichnet als p-n-Übergang, wird hergestellt, indem man einen n-dotierten und einen p-dotierten Halbleiter aneinandersetzt.
Eine LED ist nichts Anderes als eine Diode, bei der durch kompliziertere physikalische Effekte am Übergang von n-dotiertem zu p-dotiertem Halbleiter Energie in Form von Licht freigesetzt wird.
Warum funktioniert die LED nur in eine Richtung?
Der Grund dafür ist der sogenannte Gleichrichtereffekt. Woher dieser kommt, kann man sich ganz einfach bildlich vorstellen:
Schaltung in Sperrrichtung
Wenn man den Pluspol der Batterie an die n-dotierte Seite der Diode anlegt, so ist offensichtlich, dass sich alle freien Elektronen in Richtung dieses niedrigen Potentials bewegen. Alle scheinbar positiv geladenen „Lücken“ in der p-dotierten Hälfte wandern dementgegen auf den Minuspol zu.
So entsteht an der Grenzfläche zwischen den Halbleitern eine sogenannte „Sperrschicht“, in der sich weder freie Elektronen noch Lücken befinden, die den Strom in der Diode leiten könnten. Der Stromkreis ist also unterbrochen, es fließt keine Ladung und es kann auch kein Licht abgegeben werden.
Schaltung in Durchlassrichtung
Dreht man die Batterie um (legt also den Minuspol an die n-dotierte Seite der LED an), so können die freien Elektronen aus der n-dotierten Hälfte (und hinter ihnen die Elektronen, die aus der Batterie kommen) nach und nach die Lücken auf der p-dotierten Seite füllen und sich so ihren Weg bis zum hohen Potential des Pluspols der Batterie bahnen.
Es entsteht ein kontinuierlicher Stromfluss, Elektronen wandern über die Grenze zwischen n- und p-Halbleiter hinweg und setzen dabei Energie frei – die LED leuchtet!
Was bedeuten „Anode“ und „Kathode“?
Allgemein bezeichnen Anode und Kathode die zwei Elektroden, also gewissermaßen die „Enden“ eines elektrischen oder elektronischen Bauteils, im Falle einer Diode also den n- und den p-dotierten Halbleiter. Um Verwirrungen bezüglich der Zuordnung zu vermeiden, merkt man sich am besten diese Definition:
Die Anode kann negative Ladungen aufnehmen. Bei der Diode ist also der p-dotierte Halbleiter die Anode.
Die Kathode kann negative Ladungen abgeben. Bei uns ist also der n-dotierte Halbleiter mit den überschüssigen Elektronen die Kathode.
Um eine LED zum Leuchten zu bringen gilt also: Die Anode zum Pluspol, die Kathode zum Minuspol.
Und was ist was?
Bei einzelnen LEDs kann man meistens durch eine einfache Kennzeichnung zwischen Anode und Kathode unterscheiden: Die „Beine“, also die Drähte, die aus der Leuchte herausstehen sind unterschiedlich lang. Dabei gilt, einfach zu merken: Kurzes Bein = Kathode.
Außerdem ist das Gehäuse um die eigentliche Diode herum auf der Seite der Kathode häufig abgeflacht.
Mein Name ist Anatoli Bauer und ich wohne im Norden an der Nordseeküste in Husum. Ich beschäftige mich leidenschaftlich gerne mit den Naturwissenschaften und interessiere mich vor allem für Physik und alles, was mit dem Weltraum und entfernten Planten zu tun hat.
