ダイオードの順方向降下とLEDの順方向降下

ダイオードの順方向電圧降下は約0.7ボルトであると常に言われています。LEDはダイオードでもあるのに、なぜ約3ボルトの大きな順方向電圧降下があるのですか？

このより高い電圧降下を説明するLEDのモデルは何ですか？

異なる半導体接合には、異なる順方向電圧（および逆方向漏れ電流、逆方向降伏電圧など）があります。典型的な小信号シリコンダイオードの順方向降下は、約0.7ボルトです。同じことはゲルマニウムのみで、0.3V前後です。1N4004のようなPIN（p型、真性、n型）パワーダイオードの順方向降下は、ボルト以上に似ています。典型的な1A電力ショットキーの順方向降下は、低電流での0.3Vのようなもので、設計動作電流では高くなります。

バンドギャップはそれと多くの関係があります。ゲルマニウムはシリコンよりもバンドギャップが低く、シリコンはGaAsや他のLED材料よりもバンドギャップが低くなっています。炭化ケイ素のバンドギャップはまだ高く、炭化ケイ素ショットキーダイオードには2Vのような前方降下があります（その数値を確認してください）。

バンドギャップとは別に、接合部のドーピングプロファイルも関係があります。ショットキーダイオードは極端な例ですが、PINダイオードは一般にPNよりも高い順方向降下（および逆方向降伏電圧）を持ちますジャンクション。LEDの前方降下の範囲は、赤色LEDの約1.5Vから青色の3までです-LEDメカニズムは基本的に電子ごとに1光子を生成するため、これは理にかなっています。したがって、ボルトの前方降下は、のエネルギー以上である必要があります電子ボルトで放出された光子。

基礎

化学表のすべての材料と異なる組み合わせの分子には、独自の電気特性があります。ただし、基本的な電気カテゴリは3つしかありません。導体、絶縁体（=誘電体）および半導体。電子の軌道半径はエネルギーの尺度ですが、バンドで形成される多くの電子軌道のそれぞれは次のようになります。

• 離れて広がる=絶縁体
• オーバーラップまたはギャップなし=導体
• 小さなギャップ=半導体。

これは、電子ボルトまたはeV単位のバンドギャップエネルギーとして定義されます。

物理法則

さまざまな材料の組み合わせのeVレベルは、光の波長と順方向電圧降下に直接影響します。したがって、光の波長はこのギャップとプランクの法則で定義された黒体エネルギーに直接関係しています

そのため、導体のような低eVには、長波長（熱=赤外線など）の低エネルギー光と、低い順方向電圧「しきい値」または膝電圧Vtなどがあります。* 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)

ドーパントと合金が異なると、バンドギャップや波長、Vfが異なります。

古いLED技術

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

以下は、GeからSch、Siの低電流電流ダイオードとそのVI曲線の範囲です。線形勾配はRs =ΔVf/ΔIfによるものです。

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

• したがって、0.2mm²チップとk = 1を備えた65mW 5mm LEDは、 の許容誤差 Rs = 1 / 65mW = 16Ω〜 +25％/-10％ですが、古いまたは不良品は+ 50％で、チップがわずかに大きい約10Ωでありながら、熱上昇のための5mmエポキシケースの断熱によってまだ制限されています。
• 次に、k = 0.25から1の1W SMD LEDは、Rs = 0.25から1Ωを持ちます。 持ち、アレイはS / P xΩで係数を直列に、抵抗を直列の電圧でスケーリングします。

kは、チップの熱抵抗と効率、および設計者のボードの熱抵抗の熱伝導率に関連するベンダーの品質関連定数です。

まだk typ。すべてのダイオードで1.5（不良）から0.22（最良）までしか変化しません。ボードと古いSiケースに取り付けられたパワーダイオードで熱を放散する可能性のある新しいSMD LEDには、低い方が優れています。また、新しいSiCパワーダイオードも改善されています。そのため、SiCはeVが高いため、低電流でのVtは高くなりますが、逆電圧破壊はSiよりも高く、高電圧高出力スイッチに役立ちます。

結論

$V_f=V_t+I_f*R_s$が適切な近似ですTjcn = 25'Cでの線形曲線の。

Tj = 85'Cまでの温度上昇を伴うパッケージ電力定格を含めると、推定することもできます$V_f=V_t+\dfrac{kI_f}{P_{max}}$

参照

• https://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• グラフhttp://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• 古いLED http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• 基本原則http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Planck 's_law
• 結論：45年間のLED研究からの私自身

* 1

データシートのVfはバンドギャップと伝導損失を含む推奨電流定格ですが、Vtには定格伝導損失Rs @ Ifは含まれていないため、VfをVtに変更しました。

MOSFET Vgs（th）= Vt = Id = x00uAのときのしきい値電圧と同様に、まだ非常に高いRdsであり、導通を開始しており、RdsOnを取得するには通常Vgs = 2から2.5 x Vtが必要です。

例外

パワーダイオード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 and Tj = 175'C

Vt = 1V、Rs¼Ω、Vr = 1700V、k =¼Ω* 50W = 12.5はPIV定格1.7kVのために高い値です。

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

  

ここで、Vfは正の温度係数、PTCを持ち、ほとんどのダイオードとは異なり、RはNTCであるバンドギャップ敏感Vtを支配します。これにより、熱暴走なしに簡単に並列にスタックできます。

順方向バイアスされた接合部での電圧降下は、材料の選択に依存します。一般的なPNシリコンダイオードの順方向電圧は約0.7Vですが、LEDは異なる材料で作られているため、順方向電圧降下が異なります。