다이오드의 순방향 드롭 대 LED의 순방향 드롭

다이오드의 순방향 전압 강하는 약 0.7V라고 항상 말합니다. LED도 다이오드인데 왜 약 3V의 순방향 전압 강하가 더 큰가?

이 높은 전압 강하를 설명하는 LED 모델은 무엇입니까?

다른 반도체 접합은 다른 순방향 전압 (및 역 누설 전류 및 역 항복 전압 등)을 갖습니다. 일반적인 소 신호 실리콘 다이오드의 순방향 드롭은 약 0.7V입니다. 같은 게르마늄, 약 0.3V. 1N4004와 같은 PIN (p- 타입, 진성, n- 타입) 전력 다이오드의 순방향 드롭은 볼트 이상입니다. 일반적인 1A 전력 쇼트 키의 순방향 감소는 저 전류에서 0.3V와 비슷하며 설계 작동 전류보다 높습니다.

밴드 갭은 이와 관련이 있습니다. 게르마늄은 실리콘보다 밴드 갭이 낮으며, 이는 GaAs 또는 기타 LED 재료보다 밴드 갭이 낮습니다. 실리콘 카바이드는 더 높은 밴드 갭을 가지고 있으며, 실리콘 카바이드 쇼트 키 다이오드는 2V와 같은 포워드 드롭을 가지고 있습니다 (내 번호를 확인하십시오).

밴드 갭 외에도 접합의 도핑 프로파일은 이와 관련이 있습니다. 쇼트 키 다이오드는 극단적 인 예이지만 PIN 다이오드는 일반적으로 PN보다 더 높은 순방향 드롭 (및 역 항복 전압)을 갖습니다. 접합. LED 순방향 드롭은 적색 LED의 경우 약 1.5V에서 파란색의 경우 3까지입니다. LED 메커니즘은 기본적으로 전자 당 하나의 광자를 생성하므로 전압의 순방향 드롭은 에너지의 1 이상이어야합니다. 전자 볼트로 방출 된 광자.

기초

화학 표의 모든 재료와 다른 조합의 분자에는 고유 한 전기적 특성이 있습니다. 그러나 3 가지 기본 전기 범주 만 있습니다. 도체 , 절연체 (= 유전체) 및 반도체 . 전자의 궤도 반경은 에너지의 척도이지만, 밴드로 형성된 많은 전자 궤도 각각은 다음과 같습니다.

• 멀리 퍼짐 = 절연체
• 겹치거나 간격 없음 = 도체
• 작은 간격 = 반도체 .

이것은 정의되는 밴드 갭 에너지 의 전자 볼트 에버스 .

물리 법칙

서로 다른 재료 조합의 eV 레벨은 빛의 파장과 순방향 전압 강하에 직접적인 영향을줍니다. 따라서 빛의 파장은 플랑크의 법칙에 의해 정의 된이 차이와 흑체 에너지와 직접 관련됩니다.

따라서 더 낮은 eV 유사 도체는 더 긴 파장 (열 = 적외선과 같은)과 낮은 순방향 전압 "임계 값"또는 무릎 전압 (Vt)과 같은 낮은 에너지의 빛을 갖습니다. *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)

도펀트의 상이한 합금은 상이한 밴드 갭 및 파장 및 Vf를 만든다.

오래된 LED 기술

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

여기에는 VI 곡선이있는 Ge에서 Sch, Si에서 저 메드 전류 다이오드의 범위가 있으며, 여기서 선형 기울기는 Rs = ΔVf / ΔIf입니다.

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

• 따라서 0.2mm² 칩 및 k = 1 인 65mW 5mm LED 는 공차가 +25 % /-10 % 인 Rs = 1 / 65mW = 16Ω이지만, 오래된 칩 또는 불량품은 + 50 %이며 칩이 약간 큰 칩 ~ 10Ω이지만 열 상승을 위해 5mm 에폭시 케이스의 단열재로 여전히 제한됩니다.
• 그런 다음 ak = 0.25 ~ 1 인 1W SMD LED 는 S / P x Ω에 의해 팩터링 된 Series / Parallel에 의해 저항을 스케일링하고 Series의 수에 의해 전압을 스케일링하는 어레이와 함께 Rs = 0.25 ~ 1Ω을 가질 수 있습니다 .

k는 칩의 열 저항 및 효율과 디자이너의 보드 열 저항의 열전도 도와 관련된 공급 업체 품질 관련 상수입니다.

그러나 k typ. 모든 다이오드에 대해 1.5 (나쁨)에서 0.22 (최고)까지만 변합니다. 보드 및 구형 Si 케이스 장착 전력 다이오드에서 열을 발산하고 새로운 SiC 전력 다이오드에서도 개선 될 수있는 새로운 SMD LED에서 더 우수합니다. 따라서 SiC는 고전압 고전력 스위치에 유용한 Si보다 높은 eV를 가지므로 저 전류에서 Vt가 높지만 Si보다 훨씬 높은 역 전압 파괴가 있습니다.

결론

$V_f=V_t+I_f*R_s$

온도가 Tj = 85'C로 상승한 패키지 전력 정격을 포함 시키면 도 추정 할 수 있습니다$V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}$

심판

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• 그래프 http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• 기존 LED http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• 기본 원칙 http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://ko.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• 결론 : 45 년 동안의 LED 연구 결과

*1

데이터 시트의 Vf가 밴드 갭 및 전도 손실을 포함하는 권장 전류 정격이므로 Vf를 Vt로 변경했지만 Vt에는 정격 전도 손실 Rs @ If가 포함되어 있지 않습니다.

MOSFET Vgs (th) = Vt = Id = x00uA 일 때 여전히 매우 높은 Rds이지만 여전히 전도를 시작하는 임계 값 전압과 마찬가지로 RdsOn을 얻으려면 일반적으로 Vgs = 2 ~ 2.5 x Vt가 필요합니다.

예외

전력 다이오드 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 및 Tj = 175'C

따라서 1.7kV PIV 정격으로 인해 Vt = 1V, Rs ¼Ω, Vr = 1700V, k = ¼Ω * 50W = 12.5가 높습니다.

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

  

여기서 Vf는 포지티브 템코를 가지며, PTC는 여전히 NTC 인 밴드 갭 감지 Vt를 지배하는 Rs로 인해 대부분의 다이오드와 달리 PTC입니다. 따라서 열 폭주없이 병렬로 쉽게 쌓을 수 있습니다.

순방향 바이어스 접합의 전압 강하는 재료 선택에 따라 다릅니다. 일반적인 PN 실리콘 다이오드는 약 0.7V의 순방향 전압을 갖지만 LED는 서로 다른 재료로 만들어져 서로 다른 순방향 전압 강하를 갖습니다.