Goccia in avanti del diodo contro goccia in avanti del LED

Si dice sempre che la caduta di tensione diretta nel diodo sia di circa 0,7 volt. Essendo anche un diodo LED, perché ha una caduta di tensione diretta maggiore di circa 3 Volt?

Qual è il modello di LED che spiega questa caduta di tensione più elevata?

Giunzioni di semiconduttori diverse hanno tensioni in avanti diverse (e correnti di dispersione inverse e tensioni di rottura inverse, ecc.) La caduta in avanti di un tipico diodo al silicio a piccolo segnale è di circa 0,7 volt. Stessa cosa solo germanio, circa 0,3 V. La caduta in avanti di un diodo di alimentazione PIN (tipo p, intrinseco, tipo n) come un 1N4004 è più simile a un volt o più. La caduta in avanti di una tipica potenza 1A Schottky è qualcosa come 0,3 V a basse correnti, maggiore per le correnti di lavoro progettuali.

Il gap di banda ha molto a che fare con esso: il germanio ha un gap di banda inferiore rispetto al silicio, che ha un gap di banda inferiore rispetto a GaAs o altri materiali LED. Il carburo di silicio ha ancora un gap di banda più elevato e i diodi Schottky in carburo di silicio hanno una caduta in avanti di qualcosa come 2V (controlla il mio numero su quello).

A parte il gap di banda, anche il profilo antidoping della giunzione ha molto a che fare con esso: un diodo Schottky è un esempio estremo, ma un diodo PIN avrà generalmente una caduta in avanti più alta (e tensione di rottura inversa) rispetto a una PN giunzione. Le cadute in avanti del LED vanno da circa 1,5 V per i LED rossi a 3 per il blu - questo ha senso perché il meccanismo a LED è sostanzialmente quello di generare un fotone per elettrone, quindi la caduta in avanti in volt deve essere uguale o superiore all'energia di i fotoni emessi in elettronvolt.

fondamenti

Tutti i materiali nella tabella chimica e le molecole di diverse combinazioni hanno proprietà elettriche uniche. Ma ci sono solo 3 categorie elettriche di base; conduttore , isolante (= dielettrico) e semiconduttore . Il raggio orbitale di un elettrone è una misura della sua energia, ma ognuna delle molte orbite elettroniche formate in bande può essere:

• sparsi lontano = isolanti
• sovrapposizione o nessuna distanza = conduttori
• gap ridotto = Semiconduttori .

Questo è definito come l' energia del gap di banda in elettronvolt o eV .

Leggi della fisica

Il livello eV delle diverse combinazioni di materiali influenza direttamente la lunghezza d'onda della luce e la caduta di tensione diretta. Quindi la lunghezza d'onda della luce è direttamente correlata a questa lacuna e all'energia del corpo nero definita dalla Legge di Planck

Quindi i conduttori simili a eV più bassi hanno una luce a bassa energia con una lunghezza d'onda più lunga (come calore = infrarossi) e una bassa tensione diretta "Soglia" o tensione del ginocchio, Vt come; * 1

Germanium           Ge  = 0.67eV,   Vt= 0.15V  @1mA  λp=tbd
Silicon             Si  = 1.14eV,   Vt= 0.63V  @1mA  λp=1200nm (SIR) 
Gallium Phosphide   GaP = 2.26 eV,  Vt= 1.8V   @1mA  λp=555nm (Grn)

Le diverse leghe dei droganti creano lacune e lunghezze d'onda e Vf differenti.

Vecchia tecnologia LED

SiC         2.64 eV Blue
GaP         2.19 eV Green
GaP.85As.15 2.11 eV Yellow
GaP.65As.35 2.03 eV Orange
GaP.4As.6   1.91 eV Red

Ecco un intervallo che va da Ge a Sch a diodi a bassa corrente media Si con la loro curva VI, dove la pendenza lineare è dovuta a Rs = ΔVf / ΔIf.

$R_s = \dfrac{k}{P_{max}}$

• Quindi un LED da 5m da 65mW con un chip da 0,2mm² e k = 1 ha Rs = 1 / 65mW = 16 Ω con una tolleranza ~ +25% / - 10% ma quelli più vecchi o gli scarti erano + 50% e quelli migliori con chip leggermente più grandi ~ 10Ω ancora limitato dall'isolamento termico della custodia epossidica da 5 mm per aumento di calore.
• quindi un LED SMD da 1 W con ak = da 0,25 a 1 può avere Rs = da 0,25 a 1 Ω con array che ridimensionano la resistenza per Serie / Parallelo fattorizzata da S / P x Ω e la tensione per numero in Serie.

k è la costante relativa alla qualità del mio fornitore correlata alla conducibilità termica della resistenza termica ed efficacia del chip nonché alla resistenza termica della scheda del progettista.

Eppure k tip. varia solo da 1,5 (scarso) a 0,22 (migliore) per tutti i diodi. Più basso è il migliore si trova nei nuovi LED SMD che possono dissipare il calore nella scheda e nei vecchi diodi di potenza montati su case Si e anche migliorati nei nuovi diodi di potenza SiC. Quindi SiC ha un eV più alto, quindi un Vt più elevato a bassa corrente ma una rottura della tensione inversa molto più alta di Si, che è utile per gli interruttori ad alta tensione ad alta tensione.

Conclusione

$V_f=V_t+I_f*R_s$

$V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}$

arbitro

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• grafico http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• vecchi LED http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• principi di base http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• conclusioni: la mia da 45 anni di ricerca sui LED

* 1

Ho cambiato Vf in Vt poiché Vf nei fogli dati è la corrente nominale raccomandata, che include il gap di banda e la perdita di conduzione, ma Vt non include la perdita di conduzione nominale Rs @ If.

Proprio come MOSFET Vgs (th) = Vt = la tensione di soglia quando Id = x00uA che è ancora molto elevato Rds ma inizia a condurre e di solito hai bisogno di Vgs = 2 a 2,5 x Vt per ottenere RdsOn.

eccezioni

Diodi di potenza MFG: carburo di silicio Cree (SiC) 1700V PIV, @ 10A 2V @ 25'C 3.4 @ 175'C @ 0.5A 1V @ 25'C Pd max = 50W @ Tc = 110C e Tj = 175'C

Quindi Vt = 1V, Rs ¼ Ω, Vr = 1700V, k = ¼Ω * 50W = 12.5 è alto a causa del rating PIV di 1,7 kV.

• @ Tj = 175'C = (3.4-1.0) V / (10-0.5) A = ¼ Ω, k = Rs * Pmax

  

Qui il Vf ha un tempco positivo, il PTC a differenza della maggior parte dei diodi a causa degli R che dominano la banda sensibile Vt che è ancora NTC. Questo rende facile impilare in parallelo senza fuga termica.

La caduta di tensione attraverso una giunzione polarizzata in avanti dipende dalla scelta dei materiali. Un comune diodo al silicio PN ha una tensione diretta di circa 0,7 V, ma i LED sono realizzati con materiali diversi e quindi hanno diverse cadute di tensione diretta.