二极管的正向压降与LED的正向压降

一直以来，二极管中的正向压降约为0.7伏。LED也是二极管，为什么它的正向压降更大，约为3伏？

解释这种较高电压降的LED型号是什么？

不同的半导体结具有不同的正向电压（以及反向泄漏电流，反向击穿电压等）。典型的小信号硅二极管的正向压降约为0.7伏。同样的东西只有锗，约为0.3V。像1N4004这样的PIN（p型，本征，n型）功率二极管的正向压降更像伏特或更高。在低电流下，典型的1A电源肖特基的正向压降约为0.3V，其设计工作电流更高。

带隙与它有很大关系-锗的带隙比硅低，而硅的带隙比GaAs或其他LED材料低。碳化硅具有更高的带隙，而碳化硅肖特基二极管的正向压降约为2V（请检查我的数字）。

除了带隙以外，结的掺杂分布也与它有很大关系-肖特基二极管是一个极端的例子，但是PIN二极管通常会比PN具有更高的正向压降（和反向击穿电压）交界处。LED正向压降的范围从红色LED的约1.5V到蓝色的3-这是有道理的，因为LED机制基本上是每个电子产生一个光子，因此伏特的正向压降必须等于或大于10V的能量。发射的光子以电子伏特为单位。

基本原理

化学表中的所有材料和不同组合的分子均具有独特的电性能。但是只有3种基本的电气类别；导体，绝缘体（=电介质）和半导体。电子的轨道半径是其能量的量度，但是在能带中形成的许多电子轨道中的每一个可以是：

• 分开=绝缘体
• 重叠或无间隙=导体
• 小差距=半导体。

这被定义为以电子伏特或eV为单位的带隙能量。

物理定律

不同材料组合的eV水平直接影响光的波长和正向压降。因此，光的波长与该间隙和普朗克定律定义的黑体能量直接相关

因此，较低的eV像导体会发出具有较长波长的低能量光（例如热量=红外线），并且具有较低的正向电压“阈值”或拐点电压Vt，例如；* 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)

来自掺杂剂的不同合金产生不同的带隙和波长以及Vf。

旧的LED技术

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

这是一个从Ge到Sch到Si中等电流二极管的VI曲线，其线性斜率归因于Rs =ΔVf/ΔIf。

生成的新型合金可能在不同的半径处具有相似的颜色，但相似的颜色共享相同的带隙，但可能具有较大的Vf，但仍与与波长成反比的eV能量成比例。 选择这些电阻是出于改善功率水平和降低串联导体电阻Rs的考虑，而Rs始终与成反比 $R_s = \dfrac{k}{P_{max}}$

• 因此，一个具有0.2mm²芯片且k = 1的65mW 5mm LED具有Rs = 1 / 65mW = 16Ω ，容差〜+25％/-10％，但较旧的或不合格的则为+ 50％，而使用稍大些的芯片的更好〜10Ω仍受5mm环氧表壳的热绝缘限制，以提高热量。
• 则ak = 0.25到1 的1W SMD LED的Rs = 0.25到1Ω，其阵列按串联/并联电阻（由S / P xΩ分解）缩放电压，并按串联数字对电压进行缩放。

k是我的供应商质量相关常数，与芯片的热导率，热阻和功效以及设计人员的电路板的热阻有关。

然而，k典型。所有二极管的变化范围仅从1.5（差）到0.22（最佳）不等。越低越好，这种新型SMD LED可能会消散电路板和安装在Si盒中的旧功率二极管的热量，而在新的SiC功率二极管中也会有所改善。因此，SiC具有较高的eV，因此在低电流下具有较高的Vt，但反向击穿电压比Si高得多，可用于高压大功率开关。

结论

$V_f=V_t+I_f*R_s$

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

参考

• https://zh.wikipedia.org/wiki/Band_gap#List_of_band_gaps
• 图http://www.oldradioworld.de/gollum/fig04.jpg
• 旧的LED http://matse1.matse.illinois.edu/sc/f.html
• 基本原则http://matse1.matse.illinois.edu/sc/prin.html
• https://zh.wikipedia.org/wiki/普朗克的法律
• 结论：我自己来自45年的LED研究

* 1

我将Vf更改为Vt，因为数据表中的Vf是推荐的额定电流，其中包括带隙和传导损耗，但Vt不包括If的额定传导损耗Rs。

就像MOSFET Vgs（th）= Vt =当Id = x00uA时阈值电压仍然很高时，Rds仍未导通，您通常需要Vgs = 2至2.5 x Vt才能获得RdsOn。

例外情况

功率二极管MFG：Cree碳化硅（SiC）1700V PIV，@ 10A 2V @ 25'C 3.4 @ 175'C @ 0.5A 1V @ 25'C Pd最大= 50W @ Tc = 110C和Tj = 175'C

因此，由于1.7kV PIV额定值，Vt = 1V，Rs¼Ω，Vr = 1700V，k =¼Ω* 50W = 12.5高。

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

  

在这里，Vf具有正的温度系数PTC，这与大多数二极管不同，这是因为Rs仍是带隙敏感型Vt，后者仍然是NTC。这使得易于并行堆叠而不会产生热失控。

正向偏置结两端的压降取决于材料的选择。普通的PN硅二极管的正向电压约为0.7V，但是LED由不同的材料制成，因此具有不同的正向压降。