Caída hacia delante del diodo frente a la caída hacia delante del LED

Question

Siempre se dice que la caída de tensión hacia delante en el diodo es de unos 0,7 voltios. Siendo el LED también un diodo, ¿por qué tiene una mayor caída de tensión hacia adelante de alrededor de 3 voltios?

¿Cuál es el modelo de LED que explica esta mayor caída de tensión?

Answer 1

Diferentes uniones de semiconductores tienen diferentes voltajes directos (y corrientes de fuga inversas, y voltajes de ruptura inversos, etc.) La caída directa de un típico diodo de silicio de pequeña señal es de unos 0,7 voltios. Lo mismo ocurre con el germanio, alrededor de 0,3 V. La caída hacia delante de un diodo de potencia PIN (tipo p, intrínseco, tipo n) como un 1N4004 es más de un voltio o más. La caída hacia delante de un Schottky de potencia típico de 1A es algo así como 0,3V a bajas corrientes, más alta para sus corrientes de trabajo de diseño.

La brecha de banda tiene mucho que ver: el germanio tiene una brecha de banda más baja que el silicio, que a su vez tiene una brecha de banda más baja que el GaAs u otros materiales para LED. El carburo de silicio tiene una brecha de banda más alta aún, y el carburo de silicio Schottky Los diodos tienen caídas hacia adelante de algo así como 2V (comprueba mi número en eso).

Aparte de la brecha de banda, el perfil de dopaje de la unión también tiene mucho que ver: un diodo Schottky es un ejemplo extremo, pero un diodo PIN generalmente tendrá una mayor caída hacia delante (y tensión de ruptura inversa) que una unión PN. Las caídas hacia delante de los LEDs oscilan entre 1,5 V en el caso de los LEDs rojos y 3 en el de los azules. Esto tiene sentido porque el mecanismo de los LEDs consiste básicamente en generar un fotón por electrón, por lo que la caída hacia delante en voltios tiene que ser igual o mayor que la energía de los fotones emitidos en electronvoltios.

Answer 2

Fundamentos

Todos los materiales de la tabla química y las moléculas de diferentes combinaciones tienen propiedades eléctricas únicas. Pero sólo hay 3 categorías eléctricas básicas; conductor , aislante ( = dieléctrico) y semiconductor . El radio orbital de un electrón es una medida de su energía, pero cada una de las muchas órbitas de electrones formadas en bandas puede ser:

• separados = aislantes
• solapamiento o ausencia de hueco = conductores
• brecha pequeña = Semiconductores .

Se define como el Energía de la brecha de banda en electrones voltios o eV .

Leyes de la física

El nivel de eV de las diferentes combinaciones de materiales afecta directamente a la longitud de onda de la luz y a la caída de tensión directa. Por lo tanto, la longitud de onda de la luz está directamente relacionada con esta brecha y la energía del cuerpo negro definida por Ley de Planck

Por lo tanto, los conductores de bajo eV tienen una luz de baja energía con una longitud de onda más larga (como el calor = Infrarrojo) y un bajo voltaje de avance "Umbral" o voltaje de rodilla, Vt como; *1

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

Diferentes aleaciones de dopantes hacen diferentes brechas de banda y longitudes de onda y Vf.

Tecnología LED antigua

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

Aquí hay una gama de diodos de baja corriente de Ge a Sch a Si con su curva VI, donde la pendiente lineal se debe a Rs = Vf/If.

Las aleaciones más nuevas creadas pueden tener colores similares en radios diferentes pero los colores similares comparten la misma brecha de banda pero pueden tener un Vf más grande aunque proporcional a la energía eV que es inversa a la longitud de onda. Se seleccionan por razones de mejora de los niveles de potencia y menor resistencia del conductor en serie, Rs, que siempre está inversamente relacionada \$R_s = \dfrac{k}{P_{max}}\$ .

• Así, un LED de 65mW y 5mm con un chip de 0,2mm² y k=1 tiene Rs=1/65mW=16 con una tolerancia ~ +25%/-10% pero los más antiguos o los rechazados eran de +50% y los mejores con chips un poco más grandes ~ 10 pero todavía limitados por el aislamiento térmico de la caja de epoxi de 5mm para el aumento de calor.
• entonces un LED SMD DE 1W con un k=0,25 a 1 puede tener Rs=0,25 a 1 con matrices que escalan la resistencia por Serie/Paralelo factorizada por S/P x y la tensión por número en Serie.

k es mi constante relacionada con la calidad del proveedor, relacionada con la conductividad térmica de la resistencia térmica del chip y la eficacia, así como la resistencia térmica de la placa del diseñador.

Sin embargo, el tipo k sólo varía entre 1,5 (pobre) y 0,22 (mejor) para todos los diodos. Cuanto más bajo, mejor se encuentra en los nuevos LEDs SMD que pueden disipar el calor en la placa y en los antiguos diodos de potencia montados en caja de Si y también ha mejorado en los nuevos diodos de potencia de SiC. Así pues, el SiC tiene un eV más alto y, por tanto, un Vt más alto a baja corriente, pero una ruptura de tensión inversa mucho mayor que la del Si, lo cual es útil para los interruptores de alta tensión y alta potencia.

Conclusión

La Vf de cualquier diodo es el resultado de Energía de la brecha de banda para la tensión de umbral, Vt en el punto de inflexión de la curva (intersección del eje X) y la pérdida de conducción , Rs tal que \$V_f=V_t+I_f*R_s\$ es una buena aproximación a la curva lineal a Tjcn=25'C.

Si incluimos la potencia nominal del paquete con un cierto aumento de la temperatura hasta Tj=85'C también podemos estimar \$V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}\$ Sin embargo, nunca encontrará k publicado en ninguna hoja de datos, como muchos otros, es un criterio de selección del diseñador (o variable de control de calidad del cliente) o figura de mérito (FOM) como gm * nF * =T[ns] para MOSFETs RdsOn.

Ref

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• gráfico http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• viejos LEDs http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• principios básicos http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• conclusiones: propias de 45 años de investigación sobre los LEDs

*1

He cambiado Vf por Vt ya que Vf en las hojas de datos es el valor nominal de corriente recomendado, que incluye el bandgap y la pérdida de conducción pero Vt no incluye la pérdida de conducción nominal Rs @ If.

Al igual que los MOSFETs Vgs(th)=Vt= el voltaje de umbral cuando Id= x00uA que es todavía muy alta Rds aún comenzando a conducir y por lo general se necesita Vgs= 2 a 2,5 x Vt para obtener RdsOn.

excepciones

Diodo de potencia MFG: Cree Carburo de silicio (SiC) 1700V PIV, @ 10A 2V @ 25'C 3,4@ 175'C @ 0,5A 1V @ 25'C Pd máx = 50W @ Tc=110C y Tj=175'C

Así que Vt=1V, Rs ¼ , Vr=1700V, k= ¼ * 50W = 12,5 es alto debido a la clasificación PIV de 1,7kV.

• @ Tj=175'C = (3,4-1,0)V/(10-0,5)A = ¼ , k= Rs*Pmax

  

Aquí el Vf tiene un tempco positivo, PTC a diferencia de la mayoría de los diodos debido a que el Rs domina el Vt sensible a la banda que sigue siendo NTC. Esto hace que sea fácil de apilar en paralelo sin desbordamiento térmico.

Answer 3

La caída de tensión a través de una unión polarizada hacia delante depende de la elección de los materiales. Un material común Silicio PN El diodo tiene una tensión directa de aproximadamente 0,7 V, pero los LEDs están hechos de diferentes materiales y por lo tanto tienen diferentes caídas de tensión directa.