Was ist die Latenz einer LED?

Es ist bekannt, dass LEDs eine sehr geringe, nicht wahrnehmbare Latenz aufweisen, aber wie schnell sind sie gemessen? (Nanosekunden?)

Mit anderen Worten, wie lange dauert es, bis eine LED, die vollständig ausgeschaltet ist, ihre optimale Helligkeit erreicht hat, und wie lange dauert es, bis sie von der vollen Helligkeit in den ausgeschalteten Zustand übergeht? Ich gehe davon aus, dass der angelegte Strom einen Unterschied macht.

Ich frage dies, da moderne Monitore mit LED-Hintergrundbeleuchtung PWM verwenden, um unterschiedliche Helligkeitsstufen zu erreichen, und selbst bei Hintergrundbeleuchtung, die bei Tausenden von Hertz flackert , scheinen LEDs fast sofort zu reagieren (im Gegensatz zu CFLs, die beim Aus- und Einschalten ziemlich langsam sind).

Um die Frage zu beantworten, muss zunächst zwischen Phosphor-LEDs ^{(Nr. 1)} (z. B. weiße LEDs, möglicherweise einige grüne LEDs) und LEDs mit direkter Emission (z. B. die meisten sichtbaren Farb-LEDs, IR- und UV-LEDs) unterschieden werden.

Direkte Emission LEDs haben typischerweise eine dreh- auf Zeit in einem einstelligen Nanosekunden , länger für größere LEDs. Die Ausschaltzeiten dafür liegen im Bereich von zehn Nanosekunden und sind etwas langsamer als beim Einschalten. IR-LEDs zeigen aus den oben genannten Gründen normalerweise die schnellsten Übergangszeiten.

Es sind Spezial-LEDs erhältlich, deren Anschluss- und Bonddrahtgeometrien speziell für Impulse von 800 Pikosekunden bis 2 Nanosekunden ausgelegt sind . Für noch kürzere Impulse arbeiten spezielle Laserdioden, die in vielerlei Hinsicht den LEDs ähnlich sind, bis zu Impulsen von 50 Pikosekunden .

Wie von @ConnorWolf in Kommentaren ausgeführt, gibt es auch eine Familie von LED-Produkten mit spezieller optischer Strahlformung , die Pulsbreiten von 500 bis 1000 Pikosekunden aufweisen .

LEDs vom Phosphortyp haben Ein- und Ausschaltzeiten im Bereich von zehn bis hundert Nanosekunden , die erheblich langsamer sind als LEDs mit direkter Emission.

Die dominierenden Faktoren für ein schnelles LED-Schalten sind nicht nur die inhärenten Emissionsübergangszeiten der LED:

• Die Induktivität der Spuren führt zu längeren Anstiegs- und Abfallzeiten. Längere Spuren = langsamere Übergänge.
• Die Übergangskapazität der LED selbst ist ein Faktor ^{(Nr. 2)} . Zum Beispiel haben diese 5-mm-Durchgangsloch-LEDs eine Sperrschichtkapazität von nominal 50 pF. Kleinere Übergänge, z. B. 0602 SMD-LEDs, haben eine entsprechend geringere Übergangskapazität und werden in jedem Fall eher für die Hintergrundbeleuchtung von Bildschirmen verwendet.
• Die parasitäre Kapazität (Leiterbahnen und Unterstützungsschaltungen) spielt eine wichtige Rolle bei der Erhöhung der RC-Zeitkonstante und damit der Verlangsamung von Übergängen.
• Typische LED-Ansteuertopologien, z. B. Low-Side-MOSFET-Schaltung, ziehen die Spannung an der LED beim Ausschalten nicht aktiv nach unten , daher sind die Ausschaltzeiten in der Regel langsamer als beim Einschalten.
• Infolge der obigen induktiven und kapazitiven Faktoren sind die Anstiegs- und Abfallzeiten umso länger , je höher die Durchlassspannung der LED ist, da die Stromquelle den Strom schwerer treiben muss, um diese Faktoren zu überwinden. Somit gehen IR-LEDs mit typischerweise den niedrigsten Durchlassspannungen am schnellsten über.

In der Praxis können die Grenzzeitkonstanten für ein implementiertes Design also Hunderte von Nanosekunden betragen . Dies ist größtenteils auf externe Faktoren, dh die Treiberschaltung, zurückzuführen. Vergleichen Sie dies mit den viel kürzeren Übergangszeiten des LED-Übergangs.

Um einen Hinweis auf die Dominanz des Treiberschaltungsdesigns im Gegensatz zu den LEDs selbst zu erhalten, informieren Sie sich in diesem kürzlich von der US-Regierung eingereichten RFI (April 2013) über Schaltungsdesigns, die eine LED-Schaltzeit im Bereich von 20 Nanosekunden garantieren können .

Anmerkungen :

# 1: Eine Leuchtstoff-LED hat einen darunterliegenden Lichtemissionsübergang, typischerweise im fernen Blau- oder Ultraviolettbereich, der dann eine Leuchtstoffbeschichtung anregt. Das Ergebnis ist eine Kombination von mehreren emittierten Wellenlängen, daher ein breiteres Spektrum von Wellenlängen als bei einer direkt emittierenden LED, die als ungefähr weiß wahrgenommen wird (bei weißen LEDs).

Diese sekundäre Leuchtstoffemission schaltet viel langsamer ein oder aus als der Übergang. Außerdem haben die meisten Leuchtstoffe beim Ausschalten einen langen Schwanz, der die Ausschaltzeit weiter verkürzt.

# 2: Die Übergangsgeometrie beeinflusst die Übergangskapazität erheblich. Daher werden ähnliche Schritte zur Herstellung von LEDs unternommen, die speziell für die Hochgeschwindigkeitssignalisierung im MHz-Bereich ausgelegt sind, wie sie für den Entwurf von Hochfrequenz-Schaltdioden verwendet werden. Die Kapazität wird durch die Dicke der Verarmungsschicht sowie die Verbindungsfläche beeinflusst. Die Materialauswahl (GaAsP gegenüber GaP usw.) wirkt sich auch auf die Ladungsträgerbeweglichkeit an der Verbindungsstelle aus, wodurch sich die "Schaltzeit" ändert.

Was Sie wahrscheinlich suchen, ist die strahlende Rekombinationszeit: Die Zeit, die ein Loch und ein Elektron normalerweise benötigen, um sich zu rekombinieren, indem sie ein Photon emittieren, was ein stochastischer Prozess ist und daher eine beliebige Zeitspanne in Anspruch nehmen kann. Aus der Sicht eines Ingenieurs müssen Sie die Zeit, die zum Erzeugen von Löchern und Elektronen mit der von Ihnen gewünschten Geschwindigkeit benötigt wird, erhöhen, nachdem Sie die elektrischen Effekte wie Widerstand, Induktivität und Kapazität, einschließlich der LED, überwunden haben Verpackung und Ihre Treiberschaltung.

Mit nur dieser Information können Sie immer noch darüber hinwegsehen, dass die Rekombinationszeiten im Allgemeinen und die Rekombinationszeiten der Strahlung im Besonderen bei Halbleitern sehr unterschiedlich sind, vor allem bei solchen mit indirekter Bandlücke (die normalerweise nur sehr ineffiziente LEDs wie Silizium erzeugen) ) und solche mit direkter Bandlücke (die typischerweise für LEDs verwendet werden). Beachten Sie auch die Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Ich habe zwar keine Zahlen parat, aber die Größenordnung für die Optoelektronik sollte Nanosekunden betragen. Bei der Optimierung für die Verwendung als Laser, bei dem es sich im Wesentlichen um einen für optische Rückkopplung optimierten LED-Innenspiegel handelt, beträgt die Rekombinationszeit oder die Lebensdauer des oberen Zustands gemäß RP Photonics Encyclopedia in der Regel einige Nanosekunden . Ich vermute, dass normale LEDs diesen Wert nicht überschreiten, aber auch, wenn nicht speziell optimiert, nicht viel schneller sein werden.