Caída hacia adelante del diodo vs caída hacia adelante del LED

Siempre se dice que la caída de voltaje directo en el diodo es de alrededor de 0.7 voltios. El LED también es un diodo, ¿por qué tiene una mayor caída de voltaje directo de alrededor de 3 voltios?

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

Las diferentes uniones de semiconductores tienen diferentes voltajes directos (y corrientes de fuga inversa, y voltajes de ruptura inversa, etc.) La caída directa de un diodo de silicio de señal pequeña típico es de alrededor de 0,7 voltios. Lo mismo solo germanio, alrededor de 0.3V. La caída directa de un diodo de potencia PIN (tipo p, intrínseco, tipo n) como un 1N4004 es más como un voltio o más. La caída hacia adelante de un típico Schottky de potencia de 1A es algo así como 0.3V a bajas corrientes, mayor por sus corrientes de trabajo de diseño.

La brecha de banda tiene mucho que ver con esto: el germanio tiene una brecha de banda más baja que el silicio, que tiene una brecha de banda más baja que GaAs u otros materiales LED. El carburo de silicio todavía tiene un intervalo de banda más alto, y los diodos Schottky de carburo de silicio tienen caídas hacia adelante de algo así como 2V (verifique mi número al respecto).

Además del intervalo de banda, el perfil de dopaje de la unión también tiene mucho que ver con esto: un diodo Schottky es un ejemplo extremo, pero un diodo PIN generalmente tendrá una caída hacia adelante (y un voltaje de ruptura inversa) más alto que un PN unión. Las caídas directas del LED varían de aproximadamente 1.5V para los LED rojos a 3 para el azul; esto tiene sentido porque el mecanismo del LED es básicamente generar un fotón por electrón, por lo que la caída directa en voltios debe ser igual o mayor que la energía de Los fotones emitidos en electronvoltios.

Fundamentos

Todos los materiales en la tabla química y las moléculas de diferentes combinaciones tienen propiedades eléctricas únicas. Pero solo 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:

• extendido lejos = aisladores
• solapamiento o ausencia de espacio = conductores
• Brecha pequeña = Semiconductores .

Esto se define como la energía Band Gap en electronvoltios o eV .

Leyes de la física

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

Por lo tanto, los conductores de eV más bajos tienen luz de baja energía con una longitud de onda más larga (como calor = infrarrojo) y un "umbral" de voltaje directo bajo o voltaje de rodilla, Vt como; * 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)

Las diferentes aleaciones de los dopantes crean diferentes intervalos de banda y longitudes de onda y Vf.

Antigua tecnología 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

Aquí hay un rango de diodos de corriente media baja de Ge a Sch a Si con su curva VI, donde la pendiente lineal se debe a Rs = ΔVf / ΔIf.

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

• Por lo tanto, un LED de 5 mm y 65 mW con un chip de 0.2 mm² y k = 1 tiene Rs = 1 / 65mW = 16 Ω con una tolerancia ~ +25% / - 10%, pero los más antiguos o rechazados eran + 50% y los mejores con chips ligeramente más grandes ~ 10Ω todavía limitado por el aislamiento térmico de la carcasa de epoxy de 5 mm para el aumento de calor.
• entonces un LED SMD de 1W con ak = 0.25 a 1 puede tener Rs = 0.25 a 1 Ω con matrices que escalan la resistencia por Serie / Paralelo factorizada por S / P x Ω y el voltaje por número en Serie.

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

Sin embargo, k típ. solo varía de 1.5 (pobre) a 0.22 (mejor) para todos los diodos. Más bajo, mejor, se encuentra en los LED SMD más nuevos que pueden disipar el calor en la placa y en los viejos diodos de potencia montados en la carcasa de Si y también mejorados en los nuevos diodos de potencia de SiC. Por lo tanto, el SiC tiene un eV más alto, por lo tanto, un Vt más alto a baja corriente pero una ruptura de voltaje inverso mucho mayor que el Si, lo cual es útil para interruptores de alta tensión de alto voltaje.

Conclusión

$V_f=V_t+I_f*R_s$

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

Árbitro

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• gráfico http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• LED antiguos 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: la mía de 45 años de investigación LED

* 1

Cambié Vf a Vt ya que Vf en las hojas de datos es la clasificación actual recomendada, que incluye banda prohibida y pérdida de conducción, pero Vt no incluye la pérdida de conducción nominal Rs @ If.

Al igual que MOSFETs Vgs (th) = Vt = el voltaje umbral cuando Id = x00uA, que todavía es muy alto, Rds aún comienza a conducirse y generalmente necesita Vgs = 2 a 2.5 x Vt para obtener RdsOn.

excepciones

Power Diode MFG: Cree carburo de silicio (SiC) 1700V PIV, @ 10A 2V @ 25'C 3.4 @ 175'C @ 0.5A 1V @ 25'C Pd max = 50W @ Tc = 110C y Tj = 175'C

Entonces Vt = 1V, Rs ¼ Ω, Vr = 1700V, k = ¼Ω * 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 Ω, k = Rs * Pmax

  

Aquí el Vf tiene un tempco positivo, PTC a diferencia de la mayoría de los diodos debido a que los R dominan el Vt sensible de banda prohibida que todavía es NTC. Esto hace que sea fácil de apilar en paralelo sin fugas térmicas.

La caída de voltaje en una unión sesgada hacia adelante depende de la elección de los materiales. Un diodo de silicio PN común tiene un voltaje directo de aproximadamente 0.7 V, pero los LED están hechos de diferentes materiales y, por lo tanto, tienen diferentes caídas de voltaje directo.