Vorwärtsabfall der Diode vs. Vorwärtsabfall der LED

Es wird immer gesagt, dass der Durchlassspannungsabfall in der Diode etwa 0,7 Volt beträgt. LED ist auch eine Diode. Warum hat sie einen größeren Spannungsabfall in Durchlassrichtung von ca. 3 Volt?

Welches LED-Modell erklärt diesen höheren Spannungsabfall?

Unterschiedliche Halbleiterübergänge haben unterschiedliche Vorwärtsspannungen (und Rückwärtsleckströme und Rückwärtsdurchbruchspannungen usw.). Der Vorwärtsabfall einer typischen Kleinsignaldiode aus Silizium beträgt etwa 0,7 Volt. Selbe Sache nur Germanium, um 0.3V. Der Vorwärtsabfall einer PIN-Leistungsdiode (p-Typ, intrinsisch, n-Typ) wie einer 1N4004 entspricht eher einem Volt oder mehr. Der Vorwärtsabfall eines typischen 1A-Leistungs-Schottkys beträgt etwa 0,3 V bei niedrigen Strömen, was für die vorgesehenen Arbeitsströme höher ist.

Die Bandlücke hat viel damit zu tun - Germanium hat eine geringere Bandlücke als Silizium, das eine geringere Bandlücke als GaAs oder andere LED-Materialien hat. Siliziumkarbid weist noch eine höhere Bandlücke auf, und Siliziumkarbid- Schottky- Dioden weisen Durchlassabfälle von etwa 2 V auf (siehe meine Nummer).

Abgesehen von der Bandlücke hat das Dotierungsprofil des Übergangs auch viel damit zu tun - eine Schottky-Diode ist ein extremes Beispiel, aber eine PIN-Diode hat im Allgemeinen einen höheren Durchlassabfall (und eine höhere Durchbruchspannung in Sperrrichtung) als ein PN Kreuzung. LED-Vorwärtsabfälle reichen von ca. 1,5 V für rote LEDs bis zu 3 für blaue LEDs - dies ist sinnvoll, da der LED-Mechanismus im Grunde genommen ein Photon pro Elektron erzeugen soll, sodass der Vorwärtsabfall in Volt mindestens der Energie von entsprechen muss die emittierten Photonen in Elektronenvolt.

Grundlagen

Alle Materialien in der Chemikalientabelle und Moleküle in verschiedenen Kombinationen haben einzigartige elektrische Eigenschaften. Es gibt jedoch nur drei grundlegende elektrische Kategorien. Leiter , Isolator (= Dielektrikum) und Halbleiter . Der Bahnradius eines Elektrons ist ein Maß für seine Energie, aber jede der vielen in Bändern gebildeten Elektronenbahnen kann sein:

• weit auseinander = Isolatoren
• Überlappung oder keine Lücke = Leiter
• kleine Lücke = Halbleiter .

Dies ist definiert als die Bandlückenenergie in Elektronenvolt oder eV .

Gesetze der Physik

Das eV-Niveau verschiedener Materialkombinationen wirkt sich direkt auf die Wellenlänge des Lichts und den Durchlassspannungsabfall aus. Die Wellenlänge des Lichts steht also in direktem Zusammenhang mit dieser Lücke und der nach dem Planckschen Gesetz definierten Schwarzkörpernergie

So haben niedere eV-ähnliche Leiter energiearmes Licht mit einer längeren Wellenlänge (wie Wärme = Infrarot) und einer niedrigen Durchlassspannung "Threshold" oder Kniespannung, Vt wie; * 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)

Unterschiedliche Legierungen aus Dotierstoffen ergeben unterschiedliche Bandlücken und Wellenlängen und Vf.

Alte LED-Technologie

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

Hier ist ein Bereich von Ge über Sch bis zu Si-Dioden mit niedrigem mittleren Strom mit ihrer VI-Kurve angegeben, wobei die lineare Steigung auf Rs = ΔVf / ΔIf zurückzuführen ist.

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

• Somit hat eine 65mW 5mm LED mit einem 0,2mm² Chip und k = 1 Rs = 1 / 65mW = 16 Ω mit einer Toleranz von ~ +25% / - 10%, ältere oder Ausschuss- LEDs waren +50% und bessere mit etwas größeren Chips ~ 10Ω, aber immer noch begrenzt durch die Wärmeisolierung des 5-mm-Epoxidgehäuses für den Wärmeanstieg.
• dann kann eine 1W SMD-LED mit ak = 0,25 zu 1 Rs = 0,25 zu 1 Ω aufweisen, wobei Arrays den Widerstand nach Serien / Parallel skalieren, wobei S / P x Ω und die Spannung nach Seriennummer berücksichtigt werden.

k ist meine herstellerqualitätsbezogene Konstante, bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit des Chips, den Wärmewiderstand und die Wirksamkeit sowie den Wärmewiderstand der Entwicklungsplatine.

Doch k typ. variiert nur von 1,5 (schlecht) bis 0,22 (am besten) für alle Dioden. Je niedriger der Wert, desto besser sind die neueren SMD-LEDs, die möglicherweise die Wärme auf der Platine und den alten, in einem Si-Gehäuse montierten Leistungsdioden ableiten, und die neuen SiC-Leistungsdioden. So hat SiC einen höheren eV und damit eine höhere Vt bei niedrigem Strom, aber einen viel höheren Durchschlag der Sperrspannung als Si, was für Hochspannungs-Hochleistungsschalter nützlich ist.

Fazit

$V_f=V_t+I_f*R_s$

Wenn wir die Nennleistung des Gehäuses mit einem Temperaturanstieg auf Tj = 85 ° C einbeziehen, können wir auch schätzen$V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}$ Allerdings wird k, wie viele andere, nie in Datenblättern veröffentlicht. Dies ist das Auswahlkriterium (oder die Qualitätskontrollvariable des Kunden) oder die Gütezahl (FOM) eines Designers wie gm * nF * Ω = T [ns] für MOSFETs RdsOn.

Ref

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• Grafik http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• alte LEDs http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• Grundprinzipien http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• Schlussfolgerungen: Meine eigenen aus 45 Jahren LED-Forschung

* 1

Ich habe Vf in Vt geändert, da Vf in Datenblättern die empfohlene Stromstärke ist, die die Bandlücke und den Leitungsverlust enthält, Vt jedoch nicht den Nennleitungsverlust Rs @ If.

Genau wie bei den MOSFETs ist Vgs (th) = Vt = die Schwellenspannung, wenn Id = x00uA, was immer noch sehr hoch ist, Rds jedoch zu leiten beginnt, und Sie benötigen normalerweise Vgs = 2 bis 2,5 x Vt, um RdsOn zu erhalten.

Ausnahmen

Leistungsdioden-MFG: Cree- Siliziumkarbid (SiC) 1700 V PIV, bei 10 A 2 V bei 25 ° C 3,4 bei 175 ° C bei 0,5 A 1 V bei 25 ° C Pd max = 50 W bei Tc = 110 ° C und Tj = 175 ° C

Daher ist Vt = 1 V, Rs ¼ Ω, Vr = 1700 V, k = ¼ Ω * 50 W = 12,5 aufgrund der PIV-Bewertung von 1,7 kV hoch.

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

  

Hier hat der Vf ein positives Tempo, PTC im Gegensatz zu den meisten Dioden aufgrund der Rs, die den Bandlückensensor Vt dominieren, der immer noch NTC ist. Dies macht es einfach, ohne thermisches Durchgehen parallel zu stapeln.

Der Spannungsabfall an einem in Durchlassrichtung vorgespannten Übergang hängt von der Materialauswahl ab. Eine gewöhnliche PN-Siliziumdiode hat eine Durchlassspannung von etwa 0,7 V, aber LEDs bestehen aus unterschiedlichen Materialien und weisen daher unterschiedliche Durchlassspannungsabfälle auf.