Прямое падение диода против прямого падения светодиода

Всегда говорят, что прямое падение напряжения на диоде составляет около 0,7 вольт. Светодиод также является диодом, почему он имеет большее падение прямого напряжения около 3 Вольт?

Какая модель светодиода объясняет это более высокое падение напряжения?

Различные полупроводниковые переходы имеют разные прямые напряжения (и обратные токи утечки, и обратные пробивные напряжения и т. Д.). Прямое падение напряжения обычного кремниевого диода с малым сигналом составляет около 0,7 вольт. То же самое, только германий, около 0,3 В. Падение прямого хода силового диода с PIN-кодом (p-типа, встроенного, n-типа), например, 1N4004, больше похоже на вольт или больше. Падение в прямом направлении типичного Шоттки мощностью 1 А составляет около 0,3 В при малых токах, что выше их расчетных рабочих токов.

Ширина запрещенной зоны во многом связана с этим - германий имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем кремний, который имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем GaAs или другие светодиодные материалы. Карбид кремния имеет еще большую ширину запрещенной зоны, а диоды Шоттки из карбида кремния имеют прямые капли примерно 2 В (см. Мой номер на этом).

Помимо ширины запрещенной зоны, профиль легирования соединения также имеет к этому отношение - диод Шоттки является крайним примером, но ПИН-диод, как правило, будет иметь более высокое прямое падение (и обратное напряжение пробоя), чем PN узел. Диапазон падений светодиодов в диапазоне от 1,5 В для красных светодиодов до 3 для синих - это имеет смысл, поскольку механизм светодиодов в основном генерирует один фотон на электрон, поэтому прямое падение напряжения должно быть равно или больше энергии испущенные фотоны в электрон-вольтах.

основы

Все материалы в химической таблице и молекулы разных комбинаций обладают уникальными электрическими свойствами. Но есть только 3 основных электрических категории; проводник , изолятор (= диэлектрик) и полупроводник . Радиус орбиты электрона является мерой его энергии, но каждая из множества электронных орбит, образованных в полосах, может быть:

• разнесены далеко = изоляторы
• перекрытие или отсутствие зазора = проводники
• маленький зазор = полупроводники .

Это определяется как энергия запрещенной зоны в электрон-вольтах или эВ .

Законы Физики

Уровень эВ различных комбинаций материалов напрямую влияет на длину волны света и прямое падение напряжения. Таким образом, длина волны света напрямую связана с этим зазором и энергией черного тела, определенной законом Планка

Таким образом, проводники с более низким эВ имеют свет с низкой энергией с большей длиной волны (например, тепло = инфракрасный) и низкое прямое напряжение «Порог» или напряжение колена, например, 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)

Разные сплавы из легирующих примесей образуют разные запрещенные зоны и длины волн и Vf.

Старая светодиодная технология

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

Здесь приведен диапазон от Ge до Sch до Si слаботочных диодов с их кривой VI, где линейный наклон обусловлен Rs = ΔVf / ΔIf.

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

• Таким образом, 5-миллиметровый светодиод 65 мВт с чипом 0,2 мм² и k = 1 имеет Rs = 1/65 мВт = 16 Ом с допуском ~ + 25% / - 10%, но более старые или отклоненные составляли + 50%, а лучшие с чуть более крупными чипами ~ 10Ом, но все еще ограничивается теплоизоляцией 5 мм эпоксидного корпуса для повышения температуры.
• тогда SMD-светодиод мощностью 1 Вт с ak = от 0,25 до 1 может иметь Rs = от 0,25 до 1 Ω с массивами, масштабирующими сопротивление по последовательному / параллельному типу с учетом S / P x Ω и напряжением по числу в последовательном.

k - константа качества моего поставщика, связанная с теплопроводностью, тепловым сопротивлением и эффективностью микросхемы, а также с тепловым сопротивлением платы разработчика.

Еще к тип. изменяется только от 1,5 (плохо) до 0,22 (лучше) для всех диодов. Чем ниже, тем лучше у новых SMD-светодиодов, которые могут рассеивать тепло на плате и старых силовых диодах, установленных на корпусе Si, а также улучшаются в новых SiC-диодах. Таким образом, SiC имеет более высокое значение eV и, следовательно, более высокое значение Vt при низком токе, но гораздо более высокое обратное падение напряжения, чем Si, что полезно для высоковольтных переключателей большой мощности.

Вывод

$V_f=V_t+I_f*R_s$

$V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}$

ссылка

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• график http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• старые светодиоды http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• основные принципы http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• выводы: мой собственный от 45 лет исследований в области светодиодов

* 1

Я изменил Vf на Vt, так как Vf в таблицах данных является рекомендуемым номинальным током, который включает запрещенную зону и потери проводимости, но Vt не включает номинальные потери проводимости Rs @ If.

Так же, как для полевых МОП-транзисторов Vgs (th) = Vt = пороговое напряжение, когда Id = x00uA, которое все еще очень высоко, Rds все еще начинает проводить, и вам обычно нужно Vgs = от 2 до 2,5 x Vt, чтобы получить RdsOn.

исключения

Диод MFG: карбид кремния Cree (SiC) 1700 В PIV, @ 10 А, 2 В, 25 ° С, 3,4 @ 175 ° С, 0,5 А, 1 В, 25 ° С, Pd макс. = 50 Вт, Tc = 110 ° С и Tj = 175 ° С.

Таким образом, Vt = 1 В, Rs ¼ Ω, Vr = 1700 В, k = ¼Ω * 50 Вт = 12,5 является высоким из-за рейтинга PIV 1,7 кВ.

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

  

Здесь Vf имеет положительный темп, PTC в отличие от большинства диодов из-за Rs, доминирующих в чувствительном к запрещенной зоне Vt, который все еще является NTC. Это позволяет легко укладывать параллельно без теплового разгона.

Падение напряжения на прямом смещенном контакте зависит от выбора материалов. Обычный PN-кремниевый диод имеет прямое напряжение около 0,7 В, но светодиоды изготовлены из разных материалов и поэтому имеют разные падения прямого напряжения.