Вперед падіння діода проти падіння світлодіода вперед

Завжди кажуть, що перепад напруги в діоді вперед становить близько 0,7 вольт. Світлодіод також є діодом, чому він має більший перепад напруги вперед в межах 3 Вольт?

Яка модель світлодіодів пояснює цей більший перепад напруги?

Різні напівпровідникові з'єднання мають різну напругу вперед (і зворотні струми витоку, і напруги зворотного пробою тощо). Падіння вперед типового малосигнального кремнієвого діода становить близько 0,7 вольт. Те саме, що тільки германій, близько 0,3 В. Пряме падіння силового діода PIN-коду (типу p, внутрішній, n-тип), як 1N4004, більше схоже на вольт або більше. Падіння вперед типового 1А потужності Шоткі - це щось на зразок 0,3 В при низьких струмах, вищих для їх проектних робочих струмів.

Зазор смуги має багато спільного з цим - германій має менший зазор смуги, ніж кремній, який має менший зазор смуги, ніж GaAs або інші світлодіодні матеріали. Карбід кремнію досі має більш високий зазор, а діоди Шоткі з карбіду кремнію мають краплі вперед приблизно на кшталт 2В (перевірити моє число на цьому).

Окрім розриву смуги, допінговий профіль з'єднання також має багато спільного з цим - діод Шотткі є надзвичайним прикладом, але діод ПІН, як правило, має більш високе падіння вперед (і зворотне напруга пробою), ніж PN стик. Передні світлодіодні краплі в діапазоні приблизно від 1,5 В для червоних світлодіодів до 3 для синіх - це має сенс, оскільки світлодіодний механізм, в основному, генерує один фотон на електрон, тому падіння вольт вперед повинно бути рівним або більше енергії випромінювані фотони в електрон-вольтах.

Основи

Всі матеріали хімічної таблиці та молекули різних комбінацій мають унікальні електричні властивості. Але є лише 3 основні електричні категорії; провідник , ізолятор (= діелектрик) і напівпровідник . Орбітальний радіус електрона є мірою його енергії, але кожна з багатьох орбіт електронів, сформованих у смугах, може бути:

• поширення далеко один від одного = ізолятори
• перекриття або відсутність зазору = провідники
• невеликий зазор = напівпровідники .

Це визначається як енергія смуги частот в електронних вольтах або eV .

Закони фізики

Рівень eV різних комбінацій матеріалів безпосередньо впливає на довжину хвилі світла та падіння напруги вперед. Отже довжина хвилі світла безпосередньо пов'язана з цим розривом і енергією чорного тіла, визначеною Законом Планка

Таким чином, провідники нижчого рівня eV мають світло з низькою енергією з більшою довжиною хвилі (наприклад, тепло = інфрачервоне) та низьким напругою "Поріг" або напруга в коліні вперед, наприклад Vt; * 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)

Різні сплави від лепешок створюють різні проміжки смуг і довжину хвилі та Vf.

Стара технологія світлодіодів

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

Ось діапазон від Ge до Sch до Si струмів низького середнього струму з їх VI кривою, де лінійний нахил обумовлений Rs = ΔVf / ΔIf.

Більш нові створені сплави можуть мати подібні кольори при різних радіусах, але подібні кольори мають однаковий зазор смуги, але можуть мати більший Vf, але все ще пропорційний енергії eV, оберненій довжині хвилі. Вони вибираються з причин покращеного рівня потужності та нижчого опору провідників нижнього ряду, Rs, що завжди обернено пов'язане .$R_s = \dfrac{k}{P_{max}}$

• Таким чином, світлодіод 65 мВт 5 мм з мікросхемою 0,2 мм² і k = 1 має Rs = 1 / 65mW = 16 Ω з допуском ~ +25% / - 10%, але старіші або відхилення були + 50%, а кращі з трохи більшими чіпами ~ 10 Ом все ще обмежений теплоізоляцією епоксидного корпусу 5 мм для підвищення тепла.
• то світлодіод SMD 1W з ak = 0,25 до 1 може мати Rs = 0,25 до 1 Ω з масивами, що масштабують опір послідовно / паралельно, враховуючи S / P x Ω та напругу за числом у серії.

k - константа, пов'язана з якістю мого постачальника, пов'язана з теплопровідністю теплового опору мікросхеми та його ефективністю, а також тепловим опором плати дизайнера.

І все-таки k type. лише коливається від 1,5 (погано) до 0,22 (найкраще) для всіх діодів. Чим краще, тим краще виявляються новіші світлодіодні SMD, які можуть розсіювати тепло в платі та старих силових діодах, встановлених на корпусі Si, а також покращуються в нових силових діодах SiC. Таким чином, SiC має більш високий eV, таким чином, вищий Vt при малому струмі, але набагато вищий пробій зворотного напруги, ніж Si, що корисно для комутаторів високої напруги високої напруги.

Висновок

Vf будь-якого діода є результатом енергії зазору діапазону для порогової напруги, Vt на коліні кривої (перетин осі X) та втрати провідності , Rs такі, що є хорошим наближенням лінійної кривої при Tjcn = 25'C.$V_f=V_t+I_f*R_s$

Якщо ми включимо номінальну потужність пакета з деяким підйомом темпу до Tj = 85'C, ми можемо також оцінити Однак ви ніколи не знайдете k, опублікований у будь-яких таблицях даних, як і багато інших, це є критеріями вибору дизайнера (або змінною контролем якості замовника) або показником заслуг (FOM), наприклад, gm * nF * Ω = T [ns] для MOSFET RdsOn.$V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}$

Реф

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• графік http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• старі світлодіоди http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• основні принципи http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• висновки: моє власне з 45 років дослідження LED

* 1

Я змінив Vf на Vt, оскільки Vf у таблицях даних є рекомендованим поточним рейтингом, який включає пропускну здатність і втрати провідності, але Vt не включає номінальну втрату провідності Rs @ If.

Так само, як MOSFETs Vgs (th) = Vt = порогова напруга, коли Id = x00uA, який ще дуже високий Rds, але починає проводитись, і вам зазвичай потрібно Vgs = 2 до 2,5 x Vt, щоб отримати RdsOn.

винятки

Діод потужності MFG: карбід кремнію Cree (SiC) 1700V PIV, @ 10A 2V @ 25'C 3.4 @ 175'C @ 0.5A 1V @ 25'C Pd max = 50W @ Tc = 110C і Tj = 175'C

Тож Vt = 1V, Rs ¼ Ω, Vr = 1700V, k = ¼Ω * 50W = 12,5 є високим через показник PIV 1,7 кВ.

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

  

Тут Vf має позитивний темпко, PTC на відміну від більшості діодів завдяки Rs, що домінує в сенсорі VT, який досі є NTC. Це дозволяє легко укладати паралельно без термічного втечі.

Падіння напруги через передній зміщений вузол залежить від вибору матеріалів. Звичайний діод PN кремнію має напругу вперед близько 0,7 В, але світлодіоди виготовляються з різних матеріалів і тому мають різний перепад напруги вперед.