¿La diferencia de voltaje de caída de LED entre los colores está relacionada con la energía de diferente longitud de onda?

A mí me parece que los LED que emiten luz con menos energía (por ejemplo, IR y rojo) tienen menos caída de tensión directa que los que tienen más energía asociada a su longitud de onda (como azul o UV).

Eso sería fascinante.

¿Es esta una verdadera correlación o depende únicamente de la tecnología disponible?

Sí. Es una verdadera correlación. Nota: algunos LED pueden emplear fósforos. Si es así, pueden ser, por ejemplo, LED UV con fósforo en la lente. El color visto por el observador estará determinado por los fósforos. Pero por lo demás, sí, la energía del fotón y el voltaje directo están estrechamente relacionados.
No solo es correcto, ¡puedes usarlo para calcular la constante de Planck! Obtenga un montón de LED de longitudes de onda conocidas. Calcula sus frecuencias usando c=fλ . Mida sus voltajes directos. Calcula la energía multiplicando por la carga elemental: E=Vq . Ahora represente E versus f y la pendiente será la constante de Planck, h .
@mkeith si lo que dice es cierto, ¿por qué cuando la longitud de onda de un LED InGaN se acorta de azul profundo a azul a cian a verde, la energía transportada por los fotones disminuye y Vf aumenta?
@DrSheldon Tendría que medir la energía de banda prohibida, compensar las características térmicas, luego tendría la cantidad total de energía. También necesita la distribución espectral y la cantidad de fotones en cada longitud de onda. Vea este enlace e intente calcular hacia atrás sabiendo solo la energía total. berthold-bio.com/service-support/support-portal/knowledge-base/… -- Usé las fórmulas de ese enlace para crear esta página y probé con un espectrómetro: growlightresearch.com/ppfd/convert.html
@Misunderstood: si trabaja para NIST y quiere el valor más preciso, sí. Si les está dando a los estudiantes de pregrado un experimento de laboratorio, por lo general obtendrán entre el 5 y el 10 % del valor real.
@DrSheldon No, estoy diciendo que incluso si dada la energía del fotón liberado, no podría llegar a la constante de Planck o al número de Avogadro. Lo que dices no es cierto por dos razones. 1) Vf no te da energía fotónica. 2) no tiene la distribución espectral de los fotones ni sabe la cantidad de fotones que se emiten. Intentalo. Ejecute los números con Vf, o mejor energía de fotones, y vea que lo que dijo no es posible sin distribución espectral y conteo de fotones.
@Misunderstood: creo que estás dividiendo E por f , lo que no funcionará. En su lugar, hace un gráfico (cada LED es un punto en el gráfico). Termina siendo lineal y la pendiente es la constante de Planck. Los efectos que menciona cada uno afectan la intersección y del gráfico , pero eso se ignora. Mis alumnos han tenido buenos resultados durante más de una década.
@DrSheldon qué??? No estoy dividiendo nada por nada. ¡Estoy diciendo que lo que dijiste está INCORRECTO! Mantengámoslo simple, ¿responder a esto? ¿Por qué cuando la longitud de onda de un LED InGaN se acorta de azul profundo a azul a cian a verde, la energía transportada por los fotones disminuye y, sin embargo, Vf aumenta? ¿Qué longitudes de onda usaron sus estudiantes?
@Misunderstood, me llevará mucho tiempo digerir todo lo que escribiste en tu respuesta. Pero si miro su gráfico extraído del libro de texto, parece que la energía de banda prohibida y el voltaje directo están bastante bien correlacionados, incluso si algunos de los puntos de AlGaInN están por encima de la línea de tendencia.
@mkeith eso es un poco engañoso. Observe que la mayoría de los materiales comienzan con AlGa, casi todos aluminio galio. Observe cómo el verde y el azul están muy lejos de la pendiente. La mayoría del amarillo al rojo son AlInGaP. Tenga en cuenta que no hay InGaN, que es lo que ahora se usa comúnmente para 450 nm a 530 nm (azul a verde). El gráfico se realizó con datos de dos estudios Krames 2000 y Emerson 2002. Mi prueba está en InGaN donde azul profundo => azul => cian => verde Vf respectivos son: 2,90 V => 2,95 V => 3,17 V => 2,21 V . Disminución de la energía fotónica de azul a verde. También agregué lo de la cantidad de fotones generados por vatio.
Una correlación engañosa, supongo. No seria la primera vez.
Entonces, en teoría, en el futuro podríamos encontrar mejores dopantes que nos den menos Vf para las longitudes de onda más cortas.
Ese sería el santo grial si se encontrara un LED con materiales más eficientes en el espectro UVA a UV cercano. Estas son las longitudes de onda que pueden producir LED bombeados con fósforo blanco. Aquí es donde está el dinero. El Vf del LED blanco (azul profundo) sigue disminuyendo. Una forma de aumentar la eficacia (lúmenes/vatio) es reducir Vf. Se está investigando mucho ($$) para reducir el Vf o los LED blancos.

Respuestas (3)

El nivel de energía de los fotones no es la razón por la que Vf aumenta con el nivel de energía de los fotones.

¿Por qué? Porque eso no siempre sucede.

Este es el nivel de energía de 100 µmol para cuatro longitudes de onda de los LED de InGaN y su Vf .

Observe cómo a medida que aumenta Vf , la energía disminuye.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Fuente Vf : Hoja de datos de color de Lumiled Rebel
Fuente de energía: ¿Cómo convierto la irradiancia en flujo de fotones?
y conversiones fotométricas, radiométricas y cuánticas


Un fotón no se puede medir con un voltímetro.
El fotón y la energía que transporta han sido emitidos por el LED.
Entonces, ¿cómo es posible que la energía de un fotón se incluya en el V f cuando viaja a la velocidad de la luz alejándose del LED?


La energía fotónica no contribuye directamente a V f .
La resistividad instantánea de los materiales utilizados es lo que determina V f


Más energía = menos fotones

Esta pregunta se basa en el hecho de que un fotón de longitud de onda más larga transporta menos energía que un fotón de longitud de onda más corta.
Un fotón rojo intenso de 660 nm transporta el 66 % de la energía que un fotón azul intenso.

Pero eso es sólo una parte de la ecuación.

3,76 µmols de fotones azul profundo de 450 nm transportarán 1 vatio de energía.
5,52 µmols de fotones de color rojo intenso de 660 nm transportarán 1 vatio de energía.

Eso es un 56% más de fotones rojos que azules por vatio.

Se necesita un electrón para crear 1 fotón.
1 µmol = 602,214,076,000,000,000

Así que es una especie de lavado.
Mientras que el azul transporta más energía, se generan menos fotones azules por vatio.
Mientras que el rojo transporta menos energía, se generan más fotones rojos por vatio.
Fuente: Conversiones fotométricas, radiométricas y cuánticas

En cuanto a la demanda

se requiere un cierto voltaje para que los electrones los lleven a través de la región de agotamiento. El electrón libera su energía en forma de fotón.
...la banda prohibida del material da la longitud de onda característica. Los intervalos de banda más altos dan longitudes de onda más cortas.

Mientras que la energía en la banda prohibida se aproxima a la energía óptica liberada, la energía de
la banda prohibida no se representa en V f

La energía de banda prohibida se aproxima a la energía óptica liberada solo si se pasan por alto las características térmicas del LED.
Fuente: Diodos emisores de luz por E. Fred Schubert

Si tuviera que ir a Digikey y ordenar (ascendentemente) los LED blancos por V f
, encontrará en la columna adyacente, la eficacia (lm/W), los LED con una eficacia muy alta. Luego, si ordena por eficacia (ascendente), encontrará un V f más alto .

Con más electrones convertidos en fotones (mayor eficacia), hay menos electrones que atraviesan la banda prohibida hacia la banda de conducción. Los electrones en la banda de conducción se sumarán a la Vf mientras que los convertidos en fotones no se incluirán en la Vf .

El rango de longitud de onda de los LED disponibles comercialmente con una potencia de salida de un solo elemento de al menos 5 mW es de 360 ​​a 950 nm. Cada rango de longitud de onda está hecho de una familia de materiales semiconductores específica, independientemente del fabricante. Fuente: Photonics - Light-Emitting Diodes: A Primer .

Vale la pena leer el artículo.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Figura 1. La guía de colores de LED de Lumex brinda una buena descripción general de los diversos tipos de LED, química y longitudes de onda. Para obtener alguna explicación, si es necesario, consulte LED y color (el mío).

Como todos los diodos (la D del LED), se requiere un cierto voltaje para que los electrones los lleven a través de la región de agotamiento. El electrón libera su energía en forma de fotón. Su corazonada es correcta y la banda prohibida del material da la longitud de onda característica. Los intervalos de banda más altos dan longitudes de onda más cortas.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Figura 2. Las caídas de tensión directa varían con la corriente. ¿Qué es un LED? .

Estos datos para este gráfico se tomaron de varias hojas de datos y se trazaron cuidadosamente. Los LED, sin embargo, eran de diferentes fabricantes y hay alguna variación en los voltajes directos.

Los LED blancos, por ejemplo, son LED de color azul profundo de 450 nm cubiertos con fósforos de conversión de longitud de onda. Cuando el fósforo absorbe un fotón azul profundo, se vuelve a emitir a una longitud de onda más larga (por ejemplo, azul-cian-verde-rojo). Entonces, la curva IV blanca será la misma que la curva azul profundo dentro de la misma línea de productos. Todavía estoy trabajando en esto.

Si bien el siguiente texto es cierto, la energía en la banda prohibida no está representada en el voltaje directo. Vf es el resultado de la resistividad de los n,p y los dopantes. ESTO ES CIERTO, PERO...: Su corazonada es correcta y la banda prohibida del material da la longitud de onda característica. Los intervalos de banda más altos dan longitudes de onda más cortas.

Está vinculado, con algunos detalles que significan que no se puede trazar una línea recta a través de todos los puntos.

La energía necesaria para crear un fotón de cualquier longitud de onda en particular establece el Vf mínimo absoluto que requiere un diodo cuando está funcionando. Además de eso, hay otras pequeñas caídas de voltaje que dependen de la tecnología particular, los materiales particulares que se usan para hacer un semiconductor de banda prohibida particular.

IIRC, amarillo y verde requieren un voltaje muy similar, que probablemente dependa de la tecnología. Pero en general, el rojo y el IR requieren menos, y el azul y el UV más, debido al requerimiento de energía fotónica.

¿Puede agregar algún detalle sobre lo que podría incluirse en la dependencia tecnológica? Como mencioné en mi respuesta, tengo problemas para obtener buenos datos para mis curvas LED IV. Hay diferencias en los LED de diferentes fabricantes y, como resultado, mi curva amarilla parece tener un voltaje más alto que el verde, mientras que uno podría esperar que esté entre naranja y verde.
@Transistor el hecho de que un diodo tenga 3 uniones, dos con metal a semi, y solo una con semi a semi, significa que las uniones de metal a semi tendrán una influencia en el voltaje directo total. Estaba disparando desde la cadera allí, tratando de recordar los resultados de hace mucho tiempo, pero a partir de sus resultados, parece que acerté con la cosa amarilla/verde. Me pregunté si mencionar el argón/potasio, ya que la tabla periódica generalmente sigue los pesos atómicos, excepto en algunos lugares donde no lo hace, pero no es muy útil.
@Transistor La energía del fotón tiene poco que ver con Vf. La unión de cables no tiene nada que ver con Vf. El voltaje directo está más relacionado con los electrones que con los fotones. Con mayor eficacia (fotones por vatio) hay menos electrones en la banda prohibida ya que más electrones se han convertido en electrones. Una vez que un electrón se convierte en fotón, su energía eléctrica ya no se puede medir. Menos electrones significa menor voltaje, menor voltaje significa menor energía térmica generada (conversión eléctrica) y por lo tanto mayor eficacia. El resto es el ancho de la banda prohibida y la energía requerida para cruzarla.
@Neil: No había considerado las uniones de metal a semi. No creo que se mencionara en mis estudios, hace muchas décadas, ni en mis lecturas de las revistas de electrónica de aficionados. Haré un seguimiento de eso. Gracias.
@Transistor seguro que la unión y el cable tendrán resistencia, pero es mínima (mOhms) y es la misma cantidad de resistencia en todos los colores dentro de la misma línea de productos. Así como la resistencia de las heteroestructuras y la resistencia a granel de los materiales se suma a las resistencias internas en serie y en paralelo, pero no está relacionada con la energía de longitud de onda. Pero las heteroestructuras y la resistencia a granel están muy relacionadas con Vf.
@mis: gracias. Voy a investigar un poco. La "misma línea de productos" era el problema que tenía al generar el gráfico. No puedo encontrar ningún fabricante que ofrezca una línea de productos que cubra una gran parte del espectro, no importa todo. Eso hizo que comparar lo similar con lo similar fuera imposible. He estado reuniendo mis pensamientos para publicar una pregunta sobre el tema.
@Transistor Lumiled (Rebel Color, Color C), Cree (XPE) y OSRAM (Oslon SSL) tienen colores desde 450 nm azul profundo hasta 660 nm rojo profundo. Lumiled y Cree también tienen rojo lejano de 740 nm. Diseño iluminación LED para la investigación fotoquímica de la horticultura, por lo que tengo que estar familiarizado con todos los colores.
Su respuesta parece correcta cuando mira AlInGaP en los LED de longitudes de onda rojas IR. Su respuesta se desmorona si tuviera que mirar los LED InGaN (UV-verde). A medida que las longitudes de onda de InGaN se hacen más largas (menos energía transportada por los fotones), Vf aumenta.
@Misunderstood Si bien me inclino ante su experiencia superior, creo que la idea general de la respuesta, es cierto (más o menos), es tan útil en términos de ideas por párrafo como la suya. Una energía fotónica más alta requiere una brecha de banda más grande, requiere un voltaje más alto, en general. Intento responder al nivel aparente de la pregunta del OP. Estoy interesado en el LXML-rojo y rojo/naranja. ¿Cuál es el mecanismo para su voltaje relativamente más alto?
La diferencia es que los LXML son el lanzamiento anticipado de la línea Rebel. A medida que Lumiled hiciera avances en tecnología, agregarían 1,2,3,4,5 a LXML. --- He estado trabajando en mi respuesta durante las últimas 5 a 6 horas debido a la verificación de datos. Acabo de agregar más sobre la energía de banda prohibida y el efecto en Vf frente a la resistividad de los materiales. Y aún no hecho. Luego está la eficiencia del material que explicará por qué lo que supones no es cierto.
¿La diferencia de voltaje de caída de LED entre los colores está relacionada con la energía de diferente longitud de onda?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v