Maju setetes dioda vs setetes maju LED

Selalu dikatakan bahwa penurunan tegangan maju pada dioda adalah sekitar 0,7 volt. LED juga menjadi dioda, mengapa ia memiliki drop tegangan maju yang lebih besar sekitar 3 Volts?

Apa model LED yang menjelaskan penurunan tegangan yang lebih tinggi ini?

Persimpangan semikonduktor yang berbeda memiliki voltase ke depan yang berbeda (dan membalikkan kebocoran arus, dan membalik tegangan breakdown, dll.) Penurunan ke depan dari dioda silikon sinyal kecil yang khas adalah sekitar 0,7 volt. Hal yang sama hanya germanium, sekitar 0.3V. Setetes maju dioda daya PIN (tipe-p, intrinsik, tipe-n) seperti 1N4004 lebih seperti volt atau lebih. Penurunan ke depan dari daya 1A tipikal Schottky adalah sesuatu seperti 0.3V pada arus rendah, lebih tinggi untuk arus kerja desain mereka.

Celah pita banyak hubungannya dengan itu - germanium memiliki celah pita lebih rendah dari silikon, yang memiliki celah pita lebih rendah dari GaA atau bahan LED lainnya. Silikon karbida memiliki celah pita yang lebih tinggi, dan dioda silikon karbida Schottky memiliki beberapa tetes maju seperti 2V (periksa nomor saya tentang itu).

Selain celah pita, profil doping persimpangan juga banyak hubungannya dengan itu - dioda Schottky adalah contoh ekstrem, tetapi dioda PIN umumnya akan memiliki penurunan maju yang lebih tinggi (dan tegangan kerusakan balik) daripada PN. persimpangan jalan. LED maju turun berkisar dari sekitar 1.5V untuk LED merah hingga 3 untuk biru - ini masuk akal karena mekanisme LED pada dasarnya adalah untuk menghasilkan satu foton per elektron, sehingga penurunan maju dalam volt harus sama dengan atau lebih dari energi dari foton yang dipancarkan dalam elektron-volt.

Fundamental

Semua bahan dalam tabel kimia dan molekul kombinasi berbeda memiliki sifat listrik yang unik. Tetapi hanya ada 3 kategori listrik dasar; konduktor , isolator (= dielektrik) dan semikonduktor . Jari-jari orbital elektron adalah ukuran energinya, tetapi masing-masing dari banyak orbit elektron yang terbentuk dalam pita dapat:

• tersebar berjauhan = isolator
• tumpang tindih atau tanpa celah = konduktor
• celah kecil = Semikonduktor .

Ini didefinisikan sebagai energi Celah Pita dalam elektron volt atau eV .

Hukum Fisika

Level eV dari kombinasi material yang berbeda secara langsung mempengaruhi panjang gelombang cahaya dan penurunan tegangan maju. Jadi panjang gelombang cahaya berhubungan langsung dengan celah ini dan energi benda hitam yang ditentukan oleh Hukum Planck

Jadi konduktor seperti eV yang lebih rendah memiliki cahaya energi rendah dengan panjang gelombang lebih panjang (seperti panas = Infra merah) dan tegangan maju "Ambang" atau tegangan lutut, Vt seperti; * 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)

Paduan berbeda dari dopan membuat celah pita, panjang gelombang, dan Vf yang berbeda.

Teknologi LED Tua

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

Berikut adalah rentang dari Ge ke Sch ke Si dioda arus rendah-med dengan kurva VI mereka, di mana kemiringan linier disebabkan oleh Rs = ΔVf / ΔJika.

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

• Jadi 65mW 5mm LED dengan chip 0.2mm² dan k = 1 memiliki Rs = 1 / 65mW = 16 Ω dengan toleransi ~ +25% / - 10% tetapi yang lebih tua atau yang ditolak adalah + 50% dan yang lebih baik dengan chip yang sedikit lebih besar ~ 10Ω namun masih dibatasi oleh isolasi termal dari kasus epoksi 5mm untuk peningkatan panas.
• kemudian 1W SMD LED dengan ak = 0,25 ke 1 mungkin memiliki Rs = 0,25 ke 1 Ω dengan array penskalaan perlawanan dengan Seri / Paralel difaktorkan oleh S / P x Ω dan tegangan dengan nomor dalam Seri.

k adalah konstanta terkait kualitas vendor saya yang terkait dengan konduktivitas termal dari ketahanan termal dan kemanjuran chip serta ketahanan termal papan perancang.

Namun k typ. hanya bervariasi dari 1,5 (buruk) hingga 0,22 (terbaik) untuk semua dioda. Semakin rendah semakin baik ditemukan pada LED SMD yang lebih baru yang dapat menghilangkan panas pada board dan dioda daya yang terpasang pada case lama dan juga ditingkatkan pada dioda daya SiC baru. Jadi SiC memiliki eV lebih tinggi sehingga Vt lebih tinggi pada arus rendah tetapi kerusakan tegangan balik jauh lebih tinggi daripada Si yang berguna untuk saklar daya tinggi tegangan tinggi.

Kesimpulan

Vf dari setiap dioda adalah hasil dari energi celah pita untuk tegangan ambang, Vt pada lutut kurva (persimpangan sumbu-X) dan kehilangan konduksi , Rs sedemikian rupa sehingga$V_f=V_t+I_f*R_s$ adalah perkiraan yang baik dari kurva linier di Tjcn = 25'C.

Jika kami menyertakan peringkat daya paket dengan kenaikan temporer ke Tj = 85'C, kami juga dapat memperkirakan $V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}$ Namun Anda tidak pernah menemukan k diterbitkan dalam lembar data apa pun, seperti banyak lembar lainnya, ini adalah kriteria pemilihan perancang (atau variabel kontrol Kualitas pelanggan) atau Figure of Merit (FOM) seperti gm * nF * Ω = T [ns] untuk MOSFETs RdsOn.

Ref

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• grafik http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• LED tua http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• prinsip dasar http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• kesimpulan: saya sendiri dari 45 tahun penelitian LED

* 1

Saya mengubah Vf ke Vt karena Vf dalam lembar data adalah peringkat saat ini yang direkomendasikan, yang mencakup bandgap dan kerugian konduksi tetapi Vt tidak termasuk kehilangan konduksi terukur Rs @ If.

Sama seperti MOSFET Vgs (th) = Vt = ambang tegangan ketika Id = x00uA yang masih sangat tinggi Rds belum mulai melakukan dan Anda biasanya membutuhkan Vgs = 2 hingga 2.5 x Vt untuk mendapatkan RdsOn.

pengecualian

Power Diode MFG: Cree Silicon Carbide (SiC) 1700V PIV, @ 10A 2V @ 25'C 3.4 @ 175'C @ 0.5A 1V @ 25'C Pd max = 50W @ Tc = 110C dan Tj = 175'C

Jadi Vt = 1V, Rs ¼ Ω, Vr = 1700V, k = ¼Ω * 50W = 12.5 tinggi karena peringkat PIV 1.7kV.

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

  

Di sini Vf memiliki tempco positif, PTC tidak seperti kebanyakan dioda karena Rs mendominasi VG senstive celah pita yang masih NTC. Ini membuat mudah untuk menumpuk secara paralel tanpa pelarian termal.

Penurunan tegangan melintasi persimpangan bias maju bergantung pada pilihan material. Dioda silikon PN umum memiliki tegangan maju sekitar 0,7 V, tetapi LED dibuat dari bahan yang berbeda dan memiliki penurunan tegangan maju yang berbeda.