Door Rienk Visser

Leds zijn opgebouwd uit de volgende onderdelen:

• de halfgeleiderchip
• de elektrodes met verbindingsdraden
• de reflecterende ondersteuning voor de chip
• het koellichaam (‘heat sink’)
• de primaire optiek
• de fosforen voor witlichtleds

De halfgeleiderchip

De p-n-halfgeleidersandwich is het hart van de led en wordt, behalve met het woord chip, ook wel met het Engelse woord ‘die’ aangeduid. Voor de verschillende kleuren licht worden verschillende samenstellingen van verschillende soorten kristallijn halfgeleidermateriaal gebruikt. Voor de kleuren rood, oranje en amber zijn dit de elementen:

• aluminium, Al
• indium, In
• gallium, Ga
• phosphide, P

Voor de kleuren groen, cyaan en blauw:

• indium, In
• gallium, Ga
• nitride, N

Met deze kleuren kan bijna het hele zichtbare gedeelte van het spectrum geproduceerd worden.

Extractiepercentage

De vorm van de ledchip bepaalt voor een belangrijk gedeelte het extractiepercentage van het binnen in het vaste materiaal opgewekte licht. De ledchip houdt namelijk het opgewekte licht makkelijk vast door reflecties aan de overgang van het vaste materiaal en de lucht. Na meerdere reflecties wordt dit licht uiteindelijk geabsorbeerd en warmt het materiaal op.

Lichtontsnappingskegels

De afbeelding hiernaast toont de  lichtontsnappingskegels aan het grensvlak van het vaste materiaal en lucht, getekend vanuit het punt van lichtopwekking. De hoek θ is ongeveer 20 °. Licht dat binnen de kegels uitgestraald wordt, kan ontsnappen (getrokken lijnen), licht buiten de kegels wordt binnen de vaste stof gereflecteerd (gestippelde lijn).

Elektroden met verbindingsdraden

Om het spanningsverschil tussen het p- en n-materiaal te kunnen aanbrengen zijn metalen contacten nodig die elektrodes worden genoemd. Deze zijn met minuscule verbindingsdraden, vaak van goud, verbonden met de elektroden verbindingen waarop de spanning wordt aangesloten. Om het onderscheppen van licht door de elektroden en de verbindingsdraden te minimaliseren, en dus de energie-efficiëntie van een led te maximaliseren, is de materiaalkeuze en dimensionering daarvan van groot belang. Dit geldt in het bijzonder voor de elektrode aan de lichtuittreezijde.

Reflecterende ondersteuning voor de chip

Vaak is de chip op een cupje geplaatst van hoog reflecterend materiaal en met een vorm die helpt het licht naar een kant te reflecteren.

Koellichaam

Alhoewel leds voor verlichtingsdoeleinden geen infraroodstraling produceren en de lichtbundel dus ‘koud’ is, wordt het ledmateriaal zelf wel warm. De niet-succesvolle recombinaties en het licht dat intern gereflecteerd en uiteindelijk geabsorbeerd wordt warmen de led op. Hoe warmer de chip wordt hoe lager de lichtstroom en vooral ook, hoe korter de levensduur zal zijn. Alle high power leds hebben daarom aan hun achterzijde een koellichaam, geproduceerd van goed warmtegeleidend materiaal, om de warmte af te voeren via het armatuurhuis. Ook ledarmaturen moeten zo ontworpen zijn dat ze de warmte makkelijk naar de omgeving afvoeren. Bij de hogere wattages worden daarom vaak armaturen met koelvinnen toegepast.

Primaire optiek

De lens boven op de chip is niet alleen bedoeld om de chip te beschermen maar is essentieel om het lichtextractiepercentage te verhogen. De lens is gemaakt van siliconenmateriaal dat een lichtbrekingsindex heeft die tussen die van lucht en die van het chipmateriaal zelf ligt. Door dit materiaal met die brekingsindex tussen het chipoppervlak en de lucht te plaatsen vergroot de uittredingshoek (vergelijk afbeelding 10: hoek θ wordt groter). De primaire lens zelf zorgt niet voor bundelwerking. Secundaire optieken direct aan de ledbehuizing bevestigd kunnen de bundelvorming wel sterk bepalen.

Fosforen voor witlichtleds

Verschillende samenstellingen van verschillende fosforen worden gebruikt om het licht van blauwlicht(soms ook violet licht)-leds om te zetten in wit licht. Aangezien de basis van deze omzetting het licht van de blauwe led is zal de uiteindelijke efficiëntie van het witte licht hoger zijn als dat een grote component blauw blijft bevatten. Witte fosforleds met hoge kleurtemperatuur (en lagere kleurweergave) hebben daarom een iets hogere efficiëntie dan leds met een lagere kleurtemperatuur en hoge kleurweergave.

Fosforen direct aangebracht op de chip

De fosforen kunnen direct op of om de chip worden aangebracht. Om variaties van kleurtemperatuur in de lichtbundel te voorkomen is het belangrijk dat een methode gebruikt wordt die een fosforlaag aanbrengt van nauwkeurig dezelfde dikte. Bij toepassing van meerdere witlichtleds in een armatuur kan het gunstig zijn om de fosforen op afstand (‘remote’) van de blauwe leds aan te brengen. De leds worden dan in een mengkamer geplaatst van hoog reflecterend materiaal (zie de afbeelding hiernaast).

Veel van het blauwe licht van de verschillende leds mengt zich via meerdere reflecties alvorens de op afstand aangebrachte fosforlaag te bereiken. Dankzij de goede menging hebben kleine onderlinge verschillen tussen de leds, in lichtstroom en kleur, geen effect op de uiteindelijke kwaliteit van het licht. Bijkomend voordeel is dat het zichtbare lichtgevend oppervlak niet langer gevormd wordt door de kleine heldere ledpuntjes maar door de grotere fosforlaag. Dit vermindert de kans op hinderlijke verblinding. Sommige retrofit-ledlampen, voor de vervanging van gloeilampen, maken ook gebruik van het principe van remote fosforen.