Qual è la latenza di un LED?

È noto che i LED hanno una latenza di ciclo di accensione molto bassa e impercettibile, ma quanto sono veloci quando vengono misurati? (nanosecondi)?

In altre parole, quanto tempo impiega un LED che è completamente spento per raggiungere la sua luminosità ottimale, e quanto tempo ci vuole per passare da piena luminosità a spento? Presumo che la corrente applicata faccia la differenza?

Lo chiedo dal momento che i moderni monitor retroilluminati a LED utilizzano PWM per raggiungere livelli di luminosità diversi e anche in controluce che sfarfallano a migliaia di Hertz , i LED sembrano rispondere quasi all'istante (a differenza dei CFL, che sono piuttosto lenti nel ciclo di alimentazione).

Per rispondere alla domanda, occorre innanzitutto fare una distinzione tra LED al fosforo ^{(n. 1)} (ad es. LED bianchi, possibilmente alcuni LED verdi) e LED ad emissione diretta (ad es. LED a colori più visibili, LED IR e UV).

LED diretti delle emissioni in genere hanno un turn- on tempo in nanosecondi a una cifra , più per i LED più grandi. I tempi di spegnimento per questi sono in decine di nanosecondi , un po 'più lenti dell'accensione . I LED IR mostrano in genere i tempi di transizione più veloci, per i motivi indicati in precedenza.

Sono disponibili LED speciali, le cui geometrie di giunzione e filo di collegamento sono progettate specificamente per consentire impulsi da 800 picosecondi a 2 nanosecondi . Per impulsi anche più brevi, i diodi laser per scopi speciali, in molti modi simili ai LED, funzionano fino a 50 impulsi di picosecondi .

Come sottolineato da @ConnorWolf nei commenti, esiste anche una famiglia di prodotti a LED con forma del fascio ottico specializzata , che vanta una larghezza di impulso compresa tra 500 e 1000 picosecondi .

I LED di tipo fosforo hanno tempi di accensione e spegnimento da decine a centinaia di nanosecondi , notevolmente più lenti dei LED ad emissione diretta.

I fattori dominanti per una rapida commutazione del LED non sono solo i tempi di transizione dell'emissione intrinseca del LED:

• L'induttanza delle tracce provoca tempi di salita e discesa più lunghi. Tracce più lunghe = transizioni più lente.
• La capacità di giunzione del LED stesso è un fattore ^{(n. 2)} . Ad esempio, questi LED a foro passante da 5 mm hanno una capacità di giunzione nominale di 50 pF. Giunzioni più piccole, ad es. I LED SMD 0602 hanno una capacità di giunzione corrispondentemente inferiore e sono comunque più probabili da utilizzare per la retroilluminazione dello schermo.
• La capacità parassitaria (tracce e circuiti di supporto) svolge un ruolo importante nell'aumentare la costante di tempo RC e nel rallentare le transizioni.
• Le topologie tipiche di guida dei LED, ad esempio la commutazione MOSFET low-side, non abbassano attivamente la tensione attraverso il LED quando si spengono , quindi i tempi di spegnimento sono generalmente più lenti dell'accensione .
• A causa dei fattori induttivi e capacitivi di cui sopra, maggiore è la tensione diretta del LED , maggiori sono i tempi di salita e discesa, a causa della fonte di alimentazione che deve guidare la corrente più difficile per superare questi fattori. Pertanto i LED IR, con le tensioni dirette più basse in genere, passano più velocemente.

Pertanto, in pratica le costanti di tempo limitanti per un progetto implementato possono essere in centinaia di nanosecondi . Ciò è in gran parte dovuto a fattori esterni, ad esempio il circuito di pilotaggio. In contrasto con i tempi di transizione molto più brevi della giunzione LED.

Per ottenere un'indicazione del predominio del design del circuito di pilotaggio rispetto ai LED stessi, vedere questo recente RFI del governo degli Stati Uniti (aprile 2013), alla ricerca di progetti di circuiti in grado di garantire un tempo di commutazione dei LED nella gamma di 20 nanosecondi .

Note :

# 1: un LED di tipo fosforo ha una giunzione di emissione di luce sottostante, tipicamente nella gamma blu o ultravioletta lontana, che eccita quindi un rivestimento di fosforo. Il risultato è una combinazione di più lunghezze d'onda emesse, quindi uno spettro più ampio di lunghezze d'onda rispetto a un LED ad emissione diretta, essendo percepito come approssimativamente bianco (per LED bianchi).

Questa emissione secondaria di fosforo si accende o si spegne molto più lentamente della transizione di giunzione. Inoltre, allo spegnimento, la maggior parte dei fosfori ha una lunga coda che inclina ulteriormente il tempo di spegnimento.

# 2: la geometria della giunzione influisce in modo significativo sulla capacità della giunzione. Pertanto, vengono adottati passaggi simili per la produzione di LED appositamente progettati per la segnalazione ad alta velocità nella gamma MHz, così come vengono utilizzati per la progettazione di diodi a commutazione ad alta frequenza. La capacità è influenzata dallo spessore dello strato di esaurimento e dall'area di giunzione. Le scelte materiali (GaAsP v / s GaP ecc.) Influiscono anche sulla mobilità del trasportatore alla giunzione, modificando così il "tempo di commutazione".

Quello che probabilmente stai cercando è il tempo di ricombinazione radiativa: il tempo che normalmente impiega un buco e un elettrone a ricombinarsi quando lo fa emettendo un fotone, che è un processo stocastico e quindi può richiedere qualsiasi quantità di tempo. Dal punto di vista di un ingegnere, dovrai aggiungere a questo tutto il tempo necessario per creare buchi ed elettroni alla velocità desiderata in primo luogo, dopo aver superato effetti elettrici come resistenza, induttanza e capacità, compresi quelli del LED, il suo imballaggio e il tuo circuito di guida.

Con solo queste informazioni, potresti comunque inciampare sul fatto che i tempi di ricombinazione complessivi in ​​generale e i tempi di ricombinazione radiativa in particolare variano notevolmente nei semiconduttori, in modo molto significativo tra quelli con un gap di banda indiretto (quelli che in genere producono solo LED molto inefficienti, come il silicio ) e quelli con un gap di banda diretto (che sono generalmente utilizzati per i LED). Sii anche consapevole di una dipendenza dalla lunghezza d'onda.

Mentre non ho numeri pronti, l'ordine di grandezza per l'optoelettronica dovrebbe essere di nanosecondi. Se ottimizzato per l'uso come laser, che è fondamentalmente un LED all'interno degli specchi ottimizzato per il feedback ottico, il tempo di ricombinazione o la durata dello stato superiore è in genere di alcuni nanosecondi secondo l'enciclopedia RP Photonics . La mia ipotesi è che i LED normali non supereranno quel valore ma anche, forse a meno che non siano ottimizzati appositamente, non saranno neanche molto più veloci.