A mí me parece que los LEDs que emiten luz con menos energía (por ejemplo, IR y rojo) tienen menos caída de tensión hacia delante que los que tienen más energía asociada a su longitud de onda (como el azul o el UV).
Eso sería fascinante.
¿Es una correlación real o depende únicamente de la tecnología disponible?
La gama de longitudes de onda de los LED disponibles en el mercado con una potencia de salida de un solo elemento de al menos 5 mW es de 360 a 950 nm. Cada gama de longitudes de onda está hecha de una familia específica de materiales semiconductores, independientemente del fabricante. Fuente: Fotónica - Diodos emisores de luz: Una introducción .
Merece la pena leer el artículo.
Figura 1. La guía de colores del LED de Lumex ofrece una buena visión general de los distintos tipos de LED, la química y las longitudes de onda. Si desea alguna explicación, consulte LEDs y color (mío).
Como todos los diodos (la D del LED), se necesita una determinada tensión para que los electrones atraviesen la región de agotamiento. El electrón libera su energía en forma de fotón. Tu corazonada es correcta y el bandgap del material da la longitud de onda característica. Los intervalos de banda más altos dan longitudes de onda más cortas.
Figura 2. Las caídas de tensión hacia delante varían con la corriente. ¿Qué es un LED? .
Los datos para este gráfico se tomaron de varias hojas de datos y se trazaron cuidadosamente. Sin embargo, los LEDs son de diferentes fabricantes y hay algunas variaciones en los voltajes de avance.
Los LEDs blancos, por ejemplo, son LEDs azul profundo de 450nm cubiertos con fósforos que convierten la longitud de onda. Cuando un fotón azul intenso es absorbido por el fósforo, se reemite a una longitud de onda más larga (por ejemplo, azul-ciano-verde-rojo). Por lo tanto, la curva del blanco IV será la misma que la del azul intenso dentro de la misma línea de productos. Todavía estoy trabajando en esto.
Aunque el texto siguiente es cierto, la energía en la banda prohibida no está representada en la tensión directa. Vf es el resultado de la resistividad de los n,p y los dopantes. ESTO ES CIERTO, PERO...: Tu corazonada es correcta y el bandgap del material da la longitud de onda característica. Los bandgaps más altos dan longitudes de onda más cortas.
El nivel de energía de los fotones no es la razón por la que V f aumenta con el nivel de energía de los fotones.
¿Por qué? Porque eso no siempre ocurre.
Aquí se muestra el nivel de energía de 100 µmol para cuatro longitudes de onda de los LEDs de InGaN y su V f .
Obsérvese cómo a medida que el V f aumenta, la energía disminuye.
Fuente V f : Ficha técnica de la Lumiled Rebel Color
Fuente de energía: ¿Cómo se convierte la irradiancia en flujo de fotones?
y Conversiones fotométricas, radiométricas y cuánticas
Un fotón no se puede medir con un voltímetro.
El fotón y la energía que lleva han sido emitidos por el LED.
Entonces, ¿cómo podría incluirse la energía de un fotón en el V f cuando está apagado viajando a la velocidad de la luz lejos del LED?
La energía de los fotones no contribuye directamente a la V f .
La resistividad instantánea de los materiales utilizados es lo que determina la V f
Más energía = menos fotones
Esta pregunta se basa en el hecho de que un fotón de mayor longitud de onda transporta menos energía que un fotón de menor longitud de onda.
Un fotón rojo intenso de 660 nm transporta un 66% más de energía que un fotón azul intenso.
Pero eso es sólo una parte de la ecuación.
3,76 µmoles de fotones azules profundos de 450 nm transportarán 1 vatio de energía.
5,52 µmoles de fotones de rojo intenso de 660 nm transportarán 1 vatio de energía.
Eso supone un 56% más de fotones rojos que azules por vatio.
Se necesita un electrón para crear 1 fotón.
1 µmol = 602.214.076.000.000.000
Así que es una especie de lavado.
Aunque el azul transporta más energía, se generan menos fotones azules por vatio.
Aunque el rojo transporta menos energía, se generan más fotones rojos por vatio.
Fuente: Conversiones fotométricas, radiométricas y cuánticas
En cuanto a la reclamación
se requiere un determinado voltaje para que los electrones atraviesen la región de agotamiento. El electrón libera su energía en forma de fotón.
...el bandgap del material da la longitud de onda característica. Los intervalos de banda más altos dan longitudes de onda más cortas.
Mientras que la energía en el bandgap se aproxima a la energía óptica liberada,
la energía del bandgap no está representada en V f
La energía del bandgap se aproxima a la energía óptica liberada sólo si no se tienen en cuenta las características térmicas del LED.
Fuente: Diodos emisores de luz por E. Fred Schubert
Si fueras a Digikey y ordenaras (de forma ascendente) los LEDs blancos por V f
En la columna adyacente, la eficacia (lm/W), encontrará los LEDs con una eficacia muy alta. Entonces, si ordenas por eficacia (ascendente), encontrarás los de mayor V f .
Con más electrones convertidos en fotones (mayor eficacia) hay menos electrones que atraviesan el bandgap hasta la banda de conducción. Los electrones en la banda de conducción se sumarán a la V f mientras que los convertidos en fotones no se incluyen en el V f .
Está enlazado, con algunos detalles que hacen que no se pueda trazar una línea recta a través de todos los puntos.
La energía necesaria para crear un fotón de una determinada longitud de onda establece el mínimo absoluto de Vf que requiere un diodo cuando está en funcionamiento. Además, hay otras pequeñas caídas de tensión que dependen de la tecnología concreta, de los materiales concretos con los que se fabrica un determinado semiconductor de banda prohibida.
Según creo, el amarillo y el verde requieren un voltaje muy similar, que probablemente depende de la tecnología. Pero en general, el rojo y el IR requieren menos, y el azul y el UV más, debido a la necesidad de energía de los fotones.
¿Puede añadir algún detalle sobre lo que podría incluir la dependencia tecnológica? Como mencioné en mi respuesta, estoy teniendo problemas para obtener buenos datos para mis curvas LED IV. Hay diferencias en los LED de los distintos fabricantes y, como resultado, mi curva amarilla parece tener una tensión más alta que la verde, mientras que cabría esperar que se situara entre la naranja y la verde.
@Transistor el hecho de que un diodo es de 3 uniones, dos con metal a semi, y sólo uno con semi a semi, significa que las uniones de metal a semi van a tener una influencia en la tensión total hacia adelante. Yo estaba disparando desde la cadera allí, tratando de recordar los resultados de hace mucho tiempo, pero a partir de sus resultados parece que estaba en el clavo con la cosa amarilla / verde. Me preguntaba si debía mencionar el argón/potasio, ya que la tabla periódica suele seguir los pesos atómicos, excepto en algunos lugares donde no lo hace, pero no es demasiado útil.
@Transistor La energía de los fotones tiene poco que ver con la Vf. La unión de los cables no tiene nada que ver con Vf. La tensión de avance está más relacionada con los electrones que con los fotones. Con una mayor eficacia (fotones por vatio) hay menos electrones en el bandgap ya que más electrones se han convertido en electrones. Una vez que un electrón se convierte en fotón, su energía eléctrica ya no se puede medir. Menos electrones significa menor tensión, menor tensión significa menor potencia térmica generada (eléctrica convertida) y por tanto mayor eficacia. El resto es la anchura de la banda prohibida y la energía necesaria para cruzarla.
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Sí, es una correlación real. Nota: algunos LED pueden emplear fósforos. Si es así, pueden ser, por ejemplo, LEDs UV con fósforos en la lente. El color que ve el observador estará determinado por los fósforos. Pero por lo demás, sí, la energía de los fotones y la tensión directa están estrechamente relacionadas.
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No sólo es correcto, ¡puedes usarlo para calcular la constante de Planck! Consigue un montón de LEDs de longitudes de onda conocidas. Calcula sus frecuencias utilizando c=f . Mide sus tensiones de avance. Calcula la energía multiplicando por la carga elemental: E=Vq . Ahora traza E frente a f y la pendiente será la constante de Planck, h .
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@mkeith si lo que dices es cierto, ¿por qué cuando la longitud de onda de un LED InGaN se acorta del azul intenso al azul al cian y al verde la energía que transportan los fotones disminuye y la Vf aumenta?
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@DrSheldon Tendrías que medir la energía de la banda prohibida, compensar las características térmicas, entonces tendrías la cantidad total de energía. También necesitas la distribución espectral, y el número de fotones arte cada longitud de onda. Mira este enlace y trata de calcular hacia atrás a partir de conocer sólo la energía total. berthold-bio.com/servicio-soporte/soporte-base-de-conocimiento/ -- He utilizado las fórmulas de ese enlace para crear esta página y he hecho pruebas con un espectrómetro: growlightresearch.com/ppfd/convert.html
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@Misunderstood: Si trabajas para el NIST y quieres el valor más preciso, sí. Si estás dando a los estudiantes de pregrado un experimento de laboratorio, entonces suelen obtener dentro del 5-10% del valor real.
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@DrSheldon No, lo que digo es que aunque dada la energía del fotón liberado no se podría llegar a la constante de Planck o al número de Avogadro. Lo que has dicho no es cierto por dos razones. 1) Vf no te da la energía del fotón. 2) no tienes la distribución espectral de los fotones ni sabes el número de fotones que se emiten. Haz la prueba. Haz los números con Vf, o mejor con la energía de los fotones, y verás que lo que has dicho no es posible sin la distribución espectral y el número de fotones.
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@Misunderstood: Creo que estás dividiendo E por f que no funcionará. En su lugar, se hace un gráfico (cada LED es un punto en el gráfico). Acaba siendo lineal, y la pendiente es la constante de Planck. Los efectos que mencionas cada afectan a la intersección y del gráfico pero eso se ignora. Mis estudiantes han tenido buenos resultados durante más de una década.
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@DrSheldon ¿qué? No estoy dividiendo nada por nada. ¡¡¡¡¡¡¡Estoy diciendo que lo que has dicho es INCORRECTO!!!!!!! Vamos a mantenerlo simple responde a esto? ¿Por qué cuando la longitud de onda de un LED InGaN se acorta del azul intenso al azul, al cian y al verde, la energía transportada por los fotones disminuye y sin embargo la Vf aumenta? ¿Qué longitudes de onda utilizaron tus alumnos?
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@Misunderstood, me llevará mucho tiempo digerir todo lo que has escrito en tu respuesta. Pero si miro tu gráfico extraído del libro de texto, seguro que parece que la energía del bandgap y el voltaje de avance están bastante bien correlacionados, incluso si algunos de los puntos de AlGaInN están por encima de la línea de tendencia.
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@mkeith eso es algo engañoso. Fíjate en que la mayoría de los materiales empiezan por AlGa, casi todo aluminio galio. Fíjate en que el verde y el azul están muy alejados de la pendiente.La mayoría de los amarillos a los rojos son AlInGaP. Fíjese que no hay InGaN, que es lo que ahora se usa comúnmente para los 450 nm a los 530 nm (azul a verde). El gráfico se hizo con datos de dos estudios Krames 2000 y Emerson 2002. Mi prueba es en InGaN donde el azul profundo=>azul=>ciano=>verde los Vf respectivos son: 2.90V=>2.95V=>3.17V=>2.21V. La energía de los fotones disminuye del azul al verde. También he añadido lo del número de fotones generados por vatio
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Una correlación engañosa, supongo. No sería la primera vez.
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Así que, en teoría, en el futuro podríamos encontrar mejores dopantes que nos den menos Vf para las longitudes de onda más cortas?
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Eso sería el santo grial si se encontrara un LED con materiales más eficientes en el espectro UVA a UV cercano. Estas son las longitudes de onda en las que se pueden fabricar LEDs bombeados con fósforo blanco. Aquí es donde está el dinero. La Vf del LED blanco (azul profundo) sigue disminuyendo. Una forma de aumentar la eficacia (lúmenes/vatio) es reducir la Vf. Se está investigando mucho ($) para reducir la Vf de los LEDs blancos.