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Am Beginn der Entwicklung von Halbleitern, stand eine wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle.
 Der erste Transistor, Die Leitfähigkeit eines reinen Halbleiterkristalls beruht auf der Bildung von frei beweglichen Ladungsträgern: Elektronen und Elektronenlöcher. Die Elektronenlöcher verhalten sich wie positive Ladungen. Die Leitfähigkeit nimmt mit wachsender Temperatur zu. |
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Auch die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts ist eindeutig durch den Aufschwung der Halbleiterindustrie geprägt. Elektonische Schaltkreise sowie Computer revolutionierten die Arbeitswelt und Freizeit.
| Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, LWL bis 1000 nm Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb Galliumphosphid (GaP) – grün Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau und grün Kupferplumbid (CuPb) - Emitter im nahen Infrarot (NIR) Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer Phosphorschicht, die als Lumineszenz-Konverter wirkt. Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau, Galliumphosphid (GaP) – grün, Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot,Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP), orange. |
Bauen wir nun in Gedanken eine LED zusammen.
Wir nehmen je ein Stück n- leitendes und p- leitendes Material. Solange sich die beiden Halbleiter nicht berühren, sind sie elektrisch neutral. Im n-Leiter befinden sich viele frei bewegliche Elektronen und im p-Leiter befinden sich viele frei bewegliche Elektronenlöcher.
Nun verbinden wir den n und p-Leiter mit einem Hauch dünnen Gold oder Aluminiumdraht und legen eine Durchlasspannung an. An der Kontaktfläche kommt nun einiges in Schwung. Elektronen aus dem n-Bereich und Elektronenlöcher aus dem p-Bereich wandern durch den pn-Übergang und
Ein neues Verfahren kündigt eine kostengünstigere Erzeugung bei weißen LEDs an:
Bei dem gängigsten Herstellungsverfahren um weiße LEDs herzustellen, wird Galliumnitrid auf eine Grundschicht aus Saphir gedampft dann wieder abgelöst und erneut bedampft. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristall. In einem neuen Verfahren des Birck Nanotechnology Center an der Universität Purdue wurde jetzt die teure Saphirschicht durch Silizium ersetzt. Eine Beschichtung aus Zirkonnitrid verhindert, dass die Siliziumschicht Licht absorbiert. Die Verwendung von Zirkonnitrid wurde erst ermöglicht indem man das Silizium zuvor mit einer Zwischenschicht aus Aluminiumnitrid überzog, um die Reaktion des Siliziums mit dem Zirkonnitrid zu verhindern. Als letzte Schicht wird das Galliumnitrid aufgedampft. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED Herstellung verwendet werden.
| Forschern von OSRAM Opto Semiconductors ist es gelungen, leistungsfähige Prototypen blauer und weißer LED herzustellen, bei der die lichtemittierenden Gallium-Nitrid-Schichten (GaN) auf Silizium-Scheiben mit 150 Millimeter Durchmesser gewachsen wurden. Das Silizium ersetzt dabei ohne Qualitätsverlust bisher übliche Saphir-Substrate. Die neuen LED-Chips befinden sich bereits im Pilotstatus und werden unter realen Bedingungen getestet. Erste LED auf Silizium von OSRAM Opto Semiconductors könnten damit schon in den nächsten zwei Jahren auf den Markt kommen.
Vorteile von Silizium: |
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Wasserpflanzen, oder auch Hydrophyten genannt, sind eigentlich Landpflanzen, die sich wieder an das Leben im Wasser angepasst haben.
Einer der Hauptunterschiede zwischen Land und Wasserplanzen liegt in der Aufbaustruktur des Stützgewebes. Bei Wasserpflanzen ist es nicht so stark ausgeprägt und wird von Luftkanälen durchzogen, die als Sauerstoffspeicher für die Nacht dienen.
Ein anderer Hauptunterschied liegt in der Verarbeitung des Lichtes. Wie in unsererLED Wachstumslampen Seite aufgezeigt, benötigen Landpflanzen die Wellenlängen 410 bis 453nm, also violett-blaues Licht und rotes Licht von 642 - 662nm damit die Photosynthese ihr bestes Ergebnis erzielen kann.
Da aber rotes Licht sehr schnell vom Wasser herausgefiltert wird, haben sich viele Wasserpflanzen darauf angepasst besonders gut im kurzwelligen violet-blauen Spektralbereich zu absorbieren.
Dies wird durch den großen Anteil des Farbstoffes Carotinoid bewerkstelligt, der der Wasserpflanze eine leicht gelbliche bis rötliche Tönung verleiht.
Wer also sein Aquarium mit LED Aquariumlampen beleuchtet und das violett-blaue Spektrum um die 410-460nm liegt, hat dreifach gewonnen. Seine Wasserplanzen bekommen genau die Wellenlänge, um sich gut zu entwickeln und sich "wohlzufühlen" und durch die hohe Lumen/Watt Ausbeute und lange Lebensdauer werden Strom und Materialkosten gespart.
Sind Wasserpflanzen notwendig?
Wasserpflanzen erzeugen den für Fische lebenswichtigen Sauerstoff und wirken Verunreinigungen entgegen. Weiters tragen sie erheblich zum Wohlbefinden der Fische bei.
Aber auch Korallen, die sich mit Hilfe von Symbiosealgen ernähren, dürfen sich "freuen". Symbiosealgen verarbeiten Licht, welches in einem Bereich von ca. 430nm - 500nm liegt. Also blaues bis grünes Licht.
Wer keine hohen Farbtemperaturen mit den Bandbreiten 410-460nm verwendet, könnte ein paar Power LEDs dazuschalten, um auf das optimale Photosynthespektrum zu kommen. Wird das Aquarium nur mit warm weissen Farbtemperaturen beleuchtet, dh. hoher Gelb und Rotanteil im Spektrum, muss mit einem exzesiven Längenwachstum seiner Wasserpflanzen rechnen.
Um einen so gut es geht "natürlichen" Lebensrythmus für Wassertiere und Pflanzen zu schaffen, sollte die Beleuchtungsdauer nicht mehr als 10 -12 Stunden betragen. Ein guter Rythmus wäre z.B.: Von 8:00 bis 13:00 Uhr AN, dann keine oder gedimmte Beleuchtung bis 16:00 Uhr und dann wieder Licht bis 21:00 Uhr. Mondlichtbeleuchtung ausgenommen.
Wer die Beleuchtungsdauer noch genauer bestimmen will, braucht sich nur zu informieren, von welchem Breitengrad seine Mitbewohner stammen, um so die Tageslichtdauer zu bestimmen. Tropenfische benötigen meist 12 Stunden. Mit einer Zeitschaltung, kann man dies dann recht einfach bewerkstelligen.
Moderne LED Aquariumbeleuchtungen besitzen jedoch meistens schon einen integrierten Controller, der die gewünschten Situationen erzeugt.
Wer über 13 Stunden lang beleuchtet wird, muss mit vermehrtem Algenwuchs rechnen.
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PUR:
Die photosynthetisch nutzbare Strahlung (Photosynthetically Useable Radiation) oder auch PUR genannt. Diese Einheit drückt den Zusammenhang zwischen der potentiell photosynthetisch nutzbaren Strahlung (PAR) und der individuellen Strahlungsnutzung für die Photosynthese aus. Ein PUR-Sensor wichtet die einfallende Strahlung in der Art, wie es der mittleren spektralen Empfindlichkeit der Photo-synthese grüner Pflanzen entspricht. Die PUR-Strahlung wird in Energiestromdichte (W/m²) angegeben. Es hat den Anschein, dass PUR die beste Einheit für Wachstumslampen darstellt. Diese Einheit ist jedoch nicht leicht zu verstehen und alle Physiker die wir zu diesem Thema befragten, konnten uns nicht wirklich weiterhelfen.
Also versuchten wir selber diesen PUR/W/m² auf die Spur zu kommen.
Ein Chlorophyllmolekül absorbiert ca. 45 Photonen per Sekunde. Das heißt, die Photosyntheserate kann durch Bestrahlung von höheren Lichtintensitäten nicht unbegrenzt gesteigert werden. Wenn die Lichtsättigung einmal erreicht ist, könnte man noch dutzende von Wachstumslampen dazuschalten, aber das Ergebnis, bis auf eine hohe Stromrechnung, bliebe dasselbe.
Der Energiegehalt eines Lichtquants läßt sich aus der Planckschen Formel berechnen. D.h. die Energie eines Lichtquants ist eine Funktion der Frequenz, oder Wellenlänge des Lichts:
Energie eines Photons = hv = h x (c/Wellenlänge)
Dabei ist h die berühmte Planck-Konstante (6,624 x 10 hoch minus 27Erg x Sekunde) und c die Lichtgeschwindigkeit ca. (3 x 10 hoch 10 Zentimeter pro Secunde).
Für ROTES Licht mit einer Wellenlänge von z.B. 700nm beträgt die Energie 6,77 x 10 hoch minus 20 Kalorien pro Quant oder 41 Kilokalorien pro Einstein (1 Einstein entspricht 6,02 x 10 hoch 23 Quanten). Wenn ein Lichtquant jeweils ein Elektron durch jedes Photosystem bewegt, werden 164 Kilokalorien benötigt. Das wären ca. 190W/m², falls wir uns nicht verrechnet haben... :o)
Diese Zahl stützt sich jedoch auch so ca. auf die Solarkonstante. Wenn 1400W/m² Energie auf die Erde treffen und nur 15% davon aus rotem (622-770nm) Licht bestehen, wären das 210W/m²; dies aber auf einen Ort oberhalb der Erdatmosphäre bezogen!
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