Chute de diode vers l'avant vs baisse de LED

On dit toujours que la chute de tension directe dans la diode est d'environ 0,7 volt. La LED étant également une diode, pourquoi a-t-elle une plus grande chute de tension directe d'environ 3 Volts?

Quel est le modèle de LED qui explique cette chute de tension plus élevée?

Différentes jonctions semi-conductrices ont des tensions directes différentes (et des courants de fuite inverses, et des tensions de claquage inversées, etc.) La chute directe d'une diode au silicium à petit signal typique est d'environ 0,7 volts. Même chose que le germanium, environ 0,3V. La chute directe d'une diode d'alimentation PIN (type p, intrinsèque, type n) comme un 1N4004 ressemble plus à un volt ou plus. La chute directe d'une puissance typique de 1A Schottky est quelque chose comme 0,3 V à faibles courants, plus élevé pour leurs courants de travail de conception.

La bande interdite a beaucoup à voir avec cela - le germanium a une bande interdite inférieure à celle du silicium, qui a une bande interdite inférieure à celle du GaAs ou d'autres matériaux LED. Le carbure de silicium a encore une bande interdite plus élevée, et les diodes Schottky en carbure de silicium ont des chutes vers l'avant de quelque chose comme 2V (vérifiez mon numéro à ce sujet).

Mis à part la bande interdite, le profil de dopage de la jonction a également beaucoup à voir avec cela - une diode Schottky est un exemple extrême, mais une diode PIN aura généralement une chute avant (et une tension de claquage inverse) plus élevée qu'une PN jonction. Les gouttes vers l'avant des LED vont d'environ 1,5 V pour les LED rouges à 3 pour les bleues - cela a du sens parce que le mécanisme des LED consiste essentiellement à générer un photon par électron, de sorte que la chute de tension en volts doit être égale ou supérieure à l'énergie de les photons émis en électron-volts.

Fondamentaux

Tous les matériaux de la table chimique et les molécules de différentes combinaisons ont des propriétés électriques uniques. Mais il n'y a que 3 catégories électriques de base; conducteur , isolant (= diélectrique) et semi - conducteur . Le rayon orbital d'un électron est une mesure de son énergie, mais chacune des nombreuses orbites d'électrons formées en bandes peut être:

• écartés = isolateurs
• chevauchement ou pas d'espace = conducteurs
• petit espace = semi-conducteurs .

Elle est définie comme l' énergie de l'intervalle de bande en électrons volts ou eV .

Lois de la physique

Le niveau eV de différentes combinaisons de matériaux affecte directement la longueur d'onde de la lumière et la chute de tension directe. La longueur d'onde de la lumière est donc directement liée à cet écart et à l'énergie du corps noir définie par la loi de Planck

Ainsi, les conducteurs de type eV inférieurs ont une lumière de faible énergie avec une longueur d'onde plus longue (comme la chaleur = infrarouge) et une tension directe "seuil" ou tension de genou, Vt telles que; *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)

Différents alliages de dopants créent des bandes interdites et des longueurs d'onde et Vf différents.

Ancienne technologie LED

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

Voici une gamme de Ge à Sch à Si diodes à faible courant moyen avec leur courbe VI, où la pente linéaire est due à Rs = ΔVf / ΔIf.

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

• Ainsi, une LED de 65 mW 5 mm avec une puce de 0,2 mm² et k = 1 a Rs = 1/65 mW = 16 Ω avec une tolérance ~ +25% / - 10% mais les plus anciennes ou les rejets étaient + 50% et les meilleures avec des puces légèrement plus grosses ~ 10Ω encore limité par l'isolation thermique du boîtier époxy de 5 mm pour la montée en température.
• alors une LED SMD 1W avec ak = 0,25 à 1 peut avoir Rs = 0,25 à 1 Ω avec des matrices qui échelonnent la résistance par série / parallèle factorisée par S / P x Ω et la tension par nombre en série.

k est la constante liée à la qualité de mon fournisseur liée à la conductivité thermique de la résistance thermique et à l'efficacité de la puce ainsi qu'à la résistance thermique de la carte du concepteur.

Pourtant, k typ. ne varie que de 1,5 (faible) à 0,22 (meilleur) pour toutes les diodes. Plus bas, mieux c'est dans les nouvelles LED SMD qui peuvent dissiper la chaleur dans la carte et les anciennes diodes de puissance montées sur boîtier Si et également améliorées dans les nouvelles diodes de puissance SiC. Donc, SiC a un eV plus élevé, donc un Vt plus élevé à faible courant mais une rupture de tension inverse beaucoup plus élevée que Si, ce qui est utile pour les commutateurs haute tension haute tension.

Conclusion

$V_f=V_t+I_f*R_s$

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

Réf.

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• graphique http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• anciennes LED http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• principes de base http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• conclusions: la mienne à partir de 45 ans de recherche LED

*1

J'ai changé Vf en Vt car Vf dans les fiches techniques est le courant nominal recommandé, qui comprend la bande interdite et la perte de conduction, mais Vt ne comprend pas la perte de conduction nominale Rs @ If.

Tout comme les MOSFET Vgs (th) = Vt = la tension de seuil lorsque Id = x00uA, qui est encore très élevé Rds mais commence à conduire et vous avez généralement besoin de Vgs = 2 à 2,5 x Vt pour obtenir RdsOn.

des exceptions

Diode d'alimentation MFG: carbure de silicium Cree (SiC) 1700V PIV, @ 10A 2V @ 25'C 3,4 @ 175'C @ 0,5A 1V @ 25'C Pd max = 50W @ Tc = 110C et Tj = 175'C

Donc Vt = 1V, Rs ¼ Ω, Vr = 1700V, k = ¼Ω * 50W = 12,5 est élevé en raison de la valeur nominale PIV de 1,7 kV.

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

  

Ici, le Vf a un tempco positif, PTC contrairement à la plupart des diodes en raison du Rs dominant le Vst senstive à bande interdite qui est toujours NTC. Cela rend facile à empiler en parallèle sans emballement thermique.

La chute de tension aux bornes d'une jonction polarisée en direct dépend du choix des matériaux. Une diode au silicium PN commune a une tension directe d'environ 0,7 V, mais les LED sont fabriquées à partir de différents matériaux et ont donc différentes chutes de tension directe.