Queda direta do diodo vs queda direta do LED

Diz-se sempre que a queda de tensão direta no diodo é de cerca de 0,7 volts. Sendo o LED também um diodo, por que ele tem uma queda de tensão direta maior em torno de 3 Volts?

Qual é o modelo de LED que explica essa queda de tensão mais alta?

Junções de semicondutores diferentes têm tensões diretas diferentes (e correntes de vazamento reversas e tensões de quebra reversas, etc.) A queda direta de um diodo de silício típico de pequeno sinal é de cerca de 0,7 volts. A mesma coisa apenas germânio, em torno de 0,3V. A queda direta de um diodo de potência PIN (tipo p, intrínseco, tipo n) como um 1N4004 é mais parecido com um volt ou mais. A queda direta de uma Schottky de potência 1A típica é algo como 0,3V em correntes baixas, maior para as correntes de trabalho de design.

O gap tem muito a ver com isso - o germânio tem um gap menor que o silício, que tem um gap menor que o GaAs ou outros materiais de LED. O carboneto de silício tem uma diferença de banda maior ainda, e o carboneto de silício Schottky diodos apresentam quedas à frente de algo como 2V (verifique meu número nisso).

Além do gap de banda, o perfil de dopagem da junção também tem muito a ver com isso - um diodo Schottky é um exemplo extremo, mas um diodo PIN geralmente tem uma queda direta mais alta (e tensão de ruptura reversa) do que um PN junção. As quedas para frente do LED variam de cerca de 1,5V para LEDs vermelhos a 3 para azul - isso faz sentido porque o mecanismo do LED é basicamente gerar um fóton por elétron, portanto a queda direta em volts deve ser igual ou superior à energia de os fótons emitidos em elétron-volts.

Fundamentos

Todos os materiais na tabela química e moléculas de diferentes combinações têm propriedades elétricas únicas. Mas existem apenas três categorias elétricas básicas; condutor , isolador (= dielétrico) e semicondutor . O raio orbital de um elétron é uma medida de sua energia, mas cada uma das muitas órbitas eletrônicas formadas em bandas pode ser:

• afastados = isoladores
• sobreposição ou ausência de folga = condutores
• pequeno espaço = semicondutores .

Isso é definido como a energia Band Gap em elétron-volts ou eV .

Leis da Física

O nível eV de diferentes combinações de materiais afeta diretamente o comprimento de onda da luz e a queda de tensão direta. Portanto, o comprimento de onda da luz está diretamente relacionado a essa lacuna e à energia do corpo negro definida pela Lei de Planck

Portanto, os condutores do tipo eV mais baixos têm luz de baixa energia com um comprimento de onda mais longo (como calor = infravermelho) e uma baixa tensão direta "Threshold" ou tensão do joelho, 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)

Diferentes ligas dos dopantes produzem diferentes intervalos de banda e comprimentos de onda e Vf.

Tecnologia LED antiga

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

Aqui está uma faixa de diodos de corrente baixa média de Ge a Sch a Si com sua curva VI, em que a inclinação linear é devida a Rs = ΔVf / ΔIf.

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

• Assim, um LED de 65mW e 5mm com um chip de 0,2mm² ek = 1 tem Rs = 1 / 65mW = 16 Ω com uma tolerância ~ +25% / - 10%, mas os mais antigos ou rejeitados eram + 50% e melhores com chips um pouco maiores ~ 10Ω ainda limitado pelo isolamento térmico da caixa epóxi de 5 mm para aumento de calor.
• então, um LED SMD de 1W com ak = 0,25 a 1 pode ter Rs = 0,25 a 1 Ω com matrizes escalando a resistência por Série / Paralelo fatorada por S / P x Ω e a tensão por número em Série.

k é a constante relacionada à qualidade do meu fornecedor, relacionada à condutividade térmica da resistência e eficácia térmicas do chip, bem como à resistência térmica da placa do designer.

No entanto, k typ. varia apenas de 1,5 (ruim) a 0,22 (melhor) para todos os diodos. Quanto menor, melhor é encontrado nos LEDs SMD mais novos que podem dissipar o calor nos diodos de potência montados na placa e na caixa antiga de Si e também aprimorados nos novos diodos de potência SiC. Portanto, o SiC tem um eV mais alto, portanto, um Vt mais baixo em baixa corrente, mas uma quebra de tensão reversa muito mais alta do que o Si, o que é útil para interruptores de alta tensão e alta potência.

Conclusão

$V_f=V_t+I_f*R_s$ é uma boa aproximação da curva linear em Tjcn = 25'C.

$V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}$ No entanto, você nunca encontra k publicado em nenhuma planilha de dados, como muitas outras, é um critério de seleção do designer (ou variável de controle de qualidade do cliente) ou Figura de mérito (FOM) como gm * nF * Ω = T [ns] para MOSFETs RdsOn.

Ref.

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• graph http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• LEDs antigos http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• princípios básicos http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• conclusões: minha própria de 45 anos de pesquisa LED

* 1

Alterei Vf para Vt, pois Vf nas planilhas de dados é a classificação atual recomendada, que inclui intervalo de banda e perda de condução, mas Vt não inclui perda de condução classificada Rs @ If.

Assim como os MOSFETs Vgs (th) = Vt = a tensão limite quando Id = x00uA, que ainda é muito alto, o Rds ainda está começando a ser conduzido e você geralmente precisa de Vgs = 2 a 2,5 x Vt para obter o RdsOn.

exceções

Diodo de potência MFG: Cree Carboneto de silício (SiC) 1700V PIV, @ 10A 2V @ 25'C 3,4 @ 175'C @ 0,5A 1V @ 25'C Pd máx = 50W @ Tc = 110C e Tj = 175'C

Portanto, Vt = 1V, Rs Ω Ω, Vr = 1700V, k = ¼Ω * 50W = 12,5 é alto devido à classificação PIV de 1,7kV.

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

  

Aqui o Vf tem um tempco positivo, PTC diferente da maioria dos diodos devido aos Rs dominando o Vt sensível à bandgap que ainda é NTC. Isso facilita a empilhamento em paralelo sem fuga térmica.

A queda de tensão através de uma junção polarizada para frente depende da escolha dos materiais. Um diodo de silício PN comum tem uma voltagem direta de cerca de 0,7V, mas os LEDs são feitos de materiais diferentes e, portanto, têm diferentes quedas de voltagem direta.