Vorwärtsabfall der Diode vs. Vorwärtsabfall der LED

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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?

VKJ
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Dies ist eine jener Fragen, bei denen die Antwort darin besteht, ein Festkörperphysikbuch zu lesen.
Matt Young
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Wissen Sie, ich glaube nicht, dass ich diese Frage hier schon einmal gestellt bekommen habe, aber es scheint für Anfänger ein ziemlich leichtes Missverständnis zu sein, was bedeutet, dass es nützlich ist, diese Frage hier zu beantworten. Gute Frage!
Herd
Einige anständige Lektüre: ledsmagazine.com/articles/2004/01/what-is-an-led.html
Peter Smith
Sie können feststellen, dass die Durchlassspannung einer LED bei Raumtemperatur 1,2 V für eine IR-LED, 1,8 V für eine rote LED oder 3 V für eine weiße (wirklich blaue) LED betragen kann. Ich habe hier ein Datenblatt für eine 245nm (UV) LED, die eine typische Vf von 10V hat.
Spehro Pefhany
Beachten Sie, dass normale Siliziumdioden die Durchlassspannung bei jeder 10: 1-Änderung des Stroms um etwa 0,058 Volt ändern. Wenn Vforward 0,6 Volt bei 1 mA beträgt, erwarten Sie 0,542 Volt bei 100 uA und so weiter.
analogsystemsrf

Antworten:

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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.

TimWescott
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kleines Signal ist eher wie 0,6 V <1 mA Ich stimme zu. Sie haben noch nicht erwähnt, dass es 2 wichtige Beiträge von Rs + bandgap eV zu Vf gibt. Dies ist der Grund, warum Grün höher sein kann als Blau, aber niedriger eV
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Überprüfte digikey, um zu sehen, was ich auf SiC-Schottky-Dioden finden konnte, und der niedrigste Vf, den ich finden konnte, ist dieser veraltete (in einem ziemlich ausgefallenen Paket) mit einem Vf von 1,3 V. Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob es sich um einen oder mehrere Anschlüsse handelt, da Leistungsdioden in der Regel mehrere Anschlüsse in Reihe verwenden.
Herd
Haben Sie auch eine Quelle auf dem 1N4004, die eine PIN-Diode und keine einfache PN-Diode ist? Ich hatte immer gedacht, es sei nur PN.
Herd
@Hearth Es gibt viele Cree SiC-Leistungsdioden. Da eV höher ist, ist Vt = 1 V und dennoch PIV = 2 kV mit Vf = 2 V bei 10 A oder Rs = 0,1 Ω in einem Gehäuse, das für 50 W ausgelegt ist, also k = 0,2, was ausgezeichnet ist
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,
@ SunnyskyguyEE75 Es tut mir leid, ich kann anscheinend nicht folgen, was Sie dort sagen. Dies scheint nicht wirklich eine Antwort auf das zu sein, was ich gesagt habe, aber ich könnte heute einfach nicht mehr dabei sein ...
Hearth
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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.

Bildbeschreibung hier eingeben

Rs=kPmeinx

  • 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

Vf=Vt+ichfRs

Wenn wir die Nennleistung des Gehäuses mit einem Temperaturanstieg auf Tj = 85 ° C einbeziehen, können wir auch schätzenVf=Vt+kichfPmeinx 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

* 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

    Bildbeschreibung hier eingeben

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.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Ein Link zu den Quellenmaterialien wäre hilfreich.
Jack Creasey
Du hast es, Jack. TY für die Frage
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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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.

Elliot Alderson
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Materialwahl und Dotierungskonzentration. Material ist jedoch ein bedeutenderer Effekt.
Herd