¿Son los LED mejores de lo que pensamos?

La sabiduría convencional sobre los LED dice que su voltaje inverso máximo V R ( metro a X ) es bastante limitado, generalmente en el rango de 5V-8V.

Por lo tanto, con fines de experimentación, quería llevar un LED a una falla controlada, utilizando mi fuente de alimentación de corriente limitada.

Por supuesto, esperaba que el voltaje de ruptura real fuera algo más alto que el garantizado informado. V R ( metro a X ) , pero nunca podría haber esperado el resultado que encontré. Probé con diferentes tipos de indicadores LED chinos sin marca "el cheapo" (3 mm y 5 mm, rojo, verde, azul, amarillo y blanco) y no pude llevarlos a la región de ruptura, incluso a 32 V (donde mi energía el suministro alcanzó su máximo)!

Por lo tanto, quería verificar dos veces mis suposiciones y busqué sistemáticamente muchas hojas de datos (alrededor de 40) de dispositivos actuales (LED estándar de 3 mm y 5 mm, para aplicaciones de iluminación e indicadores) de diferentes fabricantes (por ejemplo, Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree) . Casi todos reportaron un V R ( metro a X ) = 5 V , con algunos dispositivos Vishay clasificados en 6V.

Estaba extremadamente desconcertado. Está bien, los fabricantes tienden a ser conservadores, pero un margen de >25 V parecía demasiado alto. Después de todo, garantizar un V R ( metro a X ) = 25 V (o algo así) podría hacer que los LED sean buenos candidatos para algunas aplicaciones útiles o permitir simplificaciones de circuitos (por ejemplo, no es necesario proteger los LED de picos inversos de bajo voltaje). De todos modos, ¡esa sería otra bala en la lista de la que la gente de marketing podría presumir!

Por supuesto, mi prueba se limitó a una docena de LED de un fabricante desconocido, pero supongo que no pueden ser mejores que los de fuentes acreditadas. ¿O experimenté una especie de ley de Murphy invertida, donde encontré la única caja de LED en el planeta con tal característica?

Pregunta(s): ¿Mi hallazgo es algo conocido en la industria? ¿Por qué siguen especificando LED con un nivel tan bajo? V R ( metro a X ) cuando los dispositivos reales parecen ser mucho mejores? ¿Echo de menos algo?

EDITAR

(para aclarar algunos puntos que posiblemente provocaron comentarios/respuestas que en realidad no me dieron las explicaciones que me gustaría obtener)

cosas que ya se

  • Las tensiones más allá de las clasificaciones máximas absolutas informadas en la hoja de datos pueden dañar el dispositivo y, por lo general , lo dañarán si las tensiones superan esos límites.

  • Cuando supera esas calificaciones máximas, no puede exigir nada al fabricante. Estás solo en territorio desconocido. No puedes demandarlo ni quejarte.

  • Ningún diseñador en su sano juicio usaría una parte en su diseño fuera de las especificaciones dadas en la hoja de datos. Los buenos diseñadores se asegurarán de que la pieza se mantenga muy por debajo de las clasificaciones máximas establecidas. Como dije al principio, estaba experimentando , entrando deliberadamente en terrenos desconocidos para verificar mis expectativas y mi conocimiento sobre la ruptura inversa.

Mis suposiciones (posiblemente incorrectas; y si están equivocadas, me gustaría saber por qué )

  • El principal factor limitante para la clasificación de voltaje inverso máximo de cualquier diodo es su voltaje de ruptura. En otras palabras, puede invertir la polarización de un diodo con tanta fuerza como desee hasta que se produzca una avería (ya sea Zener o avalancha).

  • La ruptura no es destructiva en sí misma. El aumento repentino de la corriente inversa provoca un enorme aumento de la potencia disipada, especialmente a voltajes inversos altos, por lo que la unión PN se destruirá, a menos que limite la corriente de alguna manera.

  • El mecanismo de ruptura de los LED no es diferente al de otros diodos de unión PN, como los rectificadores de silicio regulares o Zeners.

  • Dado que los LED no están diseñados (a diferencia de los Zeners) para funcionar en averías, el voltaje BD no es un parámetro bien especificado, por lo que el margen de fabricación podría ser bastante grande. Por lo tanto, los fabricantes eligen un margen de seguridad adecuado y lo declaran como el voltaje inverso máximo.

  • Aunque se necesita cierto margen de seguridad, no puede ser enorme. El voltaje IIRC, BD depende de los niveles de dopaje y la geometría de la unión metalúrgica y esos parámetros también influyen en las características del diodo cuando se polariza directamente. Si las "especificaciones útiles" del LED tienen que ser razonablemente consistentes, entonces el dopaje y la geometría deben serlo; por lo tanto, los valores de voltaje de BD tampoco pueden estar demasiado dispersos.

Lo que me desconcertó y me hizo pensar que hay más problemas además de proteger un LED para que no se averíe

  • Una diferencia tan grande entre el voltaje inverso máximo nominal y el voltaje BD real (al menos + 400%) debería significar algo y debería tener una razón detrás. Dadas las suposiciones anteriores, no puedo creer que el mismo modelo de LED pueda tener una distribución de voltaje BD tan grande, es decir, no puedo creer que el mismo proceso (incluso en diferentes lotes) pueda producir una parte que se rompa en, digamos, 10V y otro que le entra a 30V (quedo pendiente de que me corrijan).
¿estás seguro de que eso no afecta la vida o la eficacia de salida?
@dandavis No puedo decir nada al respecto, por supuesto. Pero siempre me enseñaron que el voltaje inverso máximo de los LED era bajo porque se romperían fácilmente y, por lo tanto, se destruirían.
puedes sobrevivir a que te disparen, a veces. las especificaciones reflejan un funcionamiento fiable a largo plazo.
@dandavis OK, ¿entonces me está diciendo que la estructura de los LED está dañada cuando se polariza inversamente, incluso si la unión no entra en avería? Puedo entender esto. Pero luego tengo este mal presentimiento de por qué siempre pensé que los LED podrían fallar fácilmente. Estoy seguro de que me han enseñado esto en la universidad y sé que lo he leído muchas veces antes. ¿Podría ser el mío un concepto erróneo común sobre los LED?
@dandavis Para justificar mi concepto erróneo, incluso Wikipedia parece reforzarlo aquí : si el voltaje inverso crece lo suficiente como para exceder el voltaje de ruptura, fluye una gran corriente y el LED puede dañarse. Si la corriente inversa está suficientemente limitada para evitar daños, el LED de conducción inversa es un diodo de ruido útil.
¿Sobre qué rango de temperatura repitió sus mediciones de voltaje inverso? Además, no sacaría ninguna conclusión probando dispositivos de un solo fabricante.
@LorenzoDonati. Si puede evitar Vr con un diodo en serie y mantener la salida tan baja como el 10% de la potencia máxima, entonces pueden durar varios cientos de años. Al 50% pueden durar de 50 a 100 años. Suponiendo que la temperatura ambiente es de 25 C.
@AlmostDone Sí, sé que mi experimento no es científico en absoluto y no traté de convencer a nadie de lo contrario. Por favor, vuelve a leer mi publicación. Estaba desconcertado porque descubrí que el voltaje de ruptura no está tan cerca del Vr máximo especificado en la hoja de datos. Supuse que esas clasificaciones máximas de ~ 5 V significaban que la ruptura podría desencadenarse a un nivel de voltaje comparable, digamos ~ 10 V. ¡Nunca escuché que un LED pudiera sobrevivir a un voltaje inverso de 32V!
Los voltajes inversos más altos están documentados. Aquí hay una referencia: lednique.com/technology-basics/failure-modes-leds que podría brindar más información.
@AlmostDone Eso es interesante y responde parte de mi pregunta. Gracias.
Yo agregaría que en cualquier caso, en un sistema de producción nunca se deben operar componentes fuera de sus especificaciones. Si un fabricante especifica un voltaje inverso máximo (que la mayoría (¿todos?) Lo hacen), no debe superar eso, porque el fabricante no garantiza las características más allá de ese punto. Cualquier cosa que mida en ese punto podría cambiar drásticamente entre lotes.
Ahora puede ver la investigación vinculada en mi respuesta editada que respalda por qué los LED tienen una clasificación de -5V, pero algunos pueden "aparentar" sobrevivir a -32V
@TonyStewartEEsince1975 ¡Gracias! ¡Realmente el tipo de información que necesitaba para aclarar mi mente sobre el tema!
Espero que otro factor de complicación sea que el comportamiento de descomposición puede ser sensible a la temperatura.
Los semiconductores están realmente llenos de misterios ocultos. Recuerdo cuando los radioaficionados activaban los rectificadores de silicio ordinarios, destinados a ser utilizados en las fuentes de alimentación, y entraban en un modo de impacto que generaba microondas útiles. Por supuesto, la hoja de especificaciones del fabricante no decía nada al respecto.
Aunque sus diodos pueden exceder la especificación de voltaje de ruptura inversa, no sabe qué sucede a diferentes temperaturas o en presencia de iluminación.

Respuestas (5)

Sí, esto es ampliamente conocido. Cualquiera que lo haya probado lo sabe. Los fabricantes de troqueles ciertamente lo saben.

No especifican LED para más de 5 V de voltaje inverso porque no aumentaría considerablemente las ventas (es decir, muy pocos necesitan esa capacidad ) y requeriría que consideraran realmente cada tipo de LED y qué voltaje podría soportar (tal vez 12 V para algunos, tal vez 80V para otros). También puede haber problemas de confiabilidad a largo plazo que requieran cuantificación o posiblemente un cambio en el diseño del LED para mitigarlos.

La clasificación de 5 V proviene del voltaje inverso experimentado por un LED alimentado en una matriz de un suministro de 5 V con controladores push-pull, que es una de las pocas veces en las que deliberadamente se polariza inversamente un LED (LED espalda con espalda en optoacopladores de entrada de CA). el voltaje directo del otro LED en el peor de los casos, o aproximadamente -1.2V).

Hay muchos parámetros que no están especificados (datos típicos o ningún dato en absoluto) o solo se especifican vagamente porque la mayor parte del mercado no los exige. Por ejemplo, beta inversa, desglose de Vbe en BJT, coeficiente de temperatura de Vf en indicadores LED.

En cuanto a la capacidad real de los LED ordinarios, existe evidencia de voltaje de polarización inversa que causa daño gradual al LED debido a los portadores calientes. Por ejemplo, DOI 10.1109/LED.2009.2029129 indica daños en los LED verdes con -40 V aplicados, por lo que no sería prudente diseñar a ciegas algo que dependiera de la ruptura de alto voltaje inverso.

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¡Gracias! ¡Esa es una información muy relevante! ¡Empiezo a ver algo de luz en el asunto! (juego de palabras intencionado :-). Esto también confirma que la alta Vr degrada los LED de otros tipos que no sean Blue GaN, como parecía leer los artículos vinculados por DmitryGrigoryev y TonyStewart.

Si te paras debajo de un árbol en una tormenta eléctrica y sobreviviste, ¿eso significa algo significativo? Esto es algo así como la polarización inversa de un LED> -5V.

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El gráfico, cortesía de Esto muestra la sensibilidad de los LED en polarización inversa y directa expuestos a ESD. Tenga en cuenta a continuación que es mucho más sensible a la izquierda cuando Vr cae por debajo de -5V

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(Podría escribir un libro sobre el tema de la descarga parcial (PD) y el voltaje de ruptura (BDV), pero mantendré esta edición más corta;)

Cuando una unión PN tiene polarización inversa, una nube de carga (como una nube cumulonimbus) crea una alta densidad de carga de campo E donde los defectos son cargas móviles (partículas contaminantes) que se aceleran para formar un camino que detonará las partículas (por PD) y "herir" el dispositivo (incluso el aislamiento del transformador MVA) o crear una ruta de transmisión antes del evento catastrófico BDV. (por ejemplo, como un rayo pero en silencio)

Excepto en un LED con polarización inversa, supongo que el campo E es del orden de magnitud de 5 V/um (como 5 kV/mm para casi una chispa en el aire. Luego, las impurezas moleculares con una constante Er ligeramente más baja tendrán una mayor E- campo y carga a través de él que su vecino La carga se acumula por el flujo de corriente> |-10uA| donde los LED blancos se especifican a -5V en chips pequeños.

Anecdótico

Un transformador de distribución de 5 MVA dañado que investigué en una fábrica de transformadores en Scarborough tenía un problema de responsabilidad de $m, pero tenía una prueba de campo de rendimiento de estudio de energía perfecta, PERO tenía gas de hidrógeno disuelto probado por análisis frecuentes de gas disuelto (DGA). Este H2 fue generado por cada evento de DP en el aceite, al igual que un oscilador de relajación DIAC, y luego alcanzó el umbral bien conocido (para aquellos en esa industria) de niveles explosivos (4% es el umbral explosivo inferior, por lo que se tomó rápidamente fuera de servicio, después de lo cual realicé pruebas exhaustivas para encontrar la causa raíz y solucionar el problema de contaminación de los potenciales normales de 23 kV esperados en este dieléctrico, pero causó campos E anormales en partículas> 16 V/um que causaron la descarga y detonación de moléculas de aceite a su alrededor, rompiendo así el hidrocarburo CxHy largocadenas que liberan H2.

Un contaminante similar pero diferente (mezclado con una distribución normal de nitruro, fosfuro de galio y arsénico) es acelerado por campos E anormales en una unión PN con polarización inversa y afecta negativamente la esperanza de vida del LED.

Esta carga muestra la relación con los defectos y la corriente de fuga, pero una unión herida es densa a diferencia de los contaminantes homogéneos, por lo que el BDV es impredecible pero se sabe dónde comienza el nivel de estrés para muchas uniones PN (Vbe y LED, aunque diferentes en construcción exhiben este mecanismo de falla común con diferentes grados de sensibilidad acelerada.

Entonces, para resumir , si una unión PN tiene una mayor tolerancia al sesgo inverso de las pruebas, no significa que todavía no esté herida, solo que tiene una menor densidad de partículas contaminantes en partes por millón. La aceleración de la carga no es lineal con la densidad del contaminante sino más bien logarítmica. Es la energía cinética del impacto la que detona el daño de tamaño micro o nano.

edición final

Cuando se polariza inversamente, la corriente se clasifica normalmente en 1 µA para colores RY y 10 µA para colores BGW.

Imagine que la polarización inversa es una micropotencia extrema y mídala, y si no hay una abrazadera ESD, algo del orden de 100 µW tiene más potencia por micrómetro cuadrado que la corriente polarizada directa de 100 mW por mm cuadrado porque la ruta es MUY DIFERENTE.

No es como un diodo Zener limitado por potencia en cualquier dirección. Los intervalos de banda pueden fallar abruptamente o suavemente.

Entonces, el estrés es invisible y daña las uniones de manera diferente. El resultado se puede ver con una capacitancia de unión más alta o descolorida o de menor intensidad o herida para reducir significativamente el MTBF.

Si puede soportarlo brevemente o por un tiempo o no, es irrelevante. Los expertos entienden que el nivel de estrés reduce la confiabilidad o el rendimiento.

Si no entiendes por qué existe el rating máximo absoluto, no lo ignores ni lo dudes o cuando menos te lo esperes... hmm, no está funcionando.

Una guía de ingeniería que hice para el cliente en 2005 antes de visitar el sitio para resolver ESD y problemas de soldadura que causaron 1% de fallas de campo corregidas más tarde por mis recomendaciones de mejora de procesos.ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

artículo de investigación sobre estrés de voltaje inverso en diodos

prueba de trivia

¿Por qué es una mala idea?

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Gracias por los consejos. No dudo de las calificaciones máximas, pero me gustaría entender por qué son como son. Como le escribí a @dandavis en un comentario a mi pregunta, pensé que la principal limitación para esa clasificación de voltaje inverso era la destrucción de la unión al entrar en ruptura. Por lo que dices, parece que tuve una idea equivocada. Pero estoy seguro de que he escuchado esa lógica sobre la baja Vr máxima muchas veces antes. Tal vez sea un error común.
Por lo que recuerdo, la ruptura de las uniones bipolares de base-emisor degradaría la figura de ruido.
@analogsystemsrf sí, y también la versión beta, IIRC. Pero mi punto no era que esperaba que un LED sobreviviera ileso o degradado, sino que esperaba que el LED entrara en avería a voltajes mucho más bajos.
Habiendo enviado alrededor de 1,000,005 mm de LED en los 10 años anteriores sin defectos de fábrica, el único problema que he visto son fallas en el diseño y el proceso. Por ejemplo, si se suelda dentro de los 5 mm de la base cuando la velocidad del calor es de 1 mm por segundo, llega a la unión en cinco segundos. El epoxi se ablanda y la unión de hilos de filamentos de oro puede romperse bajo la vibración o la tensión del plomo. Inicialmente, mi cliente estaba usando LED sin protección ESD y su proceso con plástico moldeado inyectado estaba causando todo tipo de fallas de EST. Entonces, después de volar al otro lado del mundo hasta su fábrica, arreglé los problemas
@ TonyStewartEEsince1975 ¿Eran esos ledes r / y / g tipo r / y / g de gaas / algaas de la vieja escuela, o gan más modernos o tipos similares?
Todo lo último y de la mejor calidad InGaP, InGaAs y AlInGaAs de 5 mm 16 Cd o más 30 grados personalizados x,y contenedor único
Esa es una cantidad bastante precisa, un millón y cinco LED :-) ¿Sus aplicaciones los polarizan en reversa o están siempre hacia adelante/apagados?
jaja, solo por fallas anteriores de ESD que funcionaron en muchos casos, pero el color blanquecino en la dirección y no el cambio azul y el aumento de la capacitancia en las pruebas de estilo Huntron de espacios más pequeños.
¿Le importaría agregar enlaces a alguna fuente que explique mejor qué daños (aparte de ESD) podría sufrir una unión LED si el voltaje inverso es demasiado alto, pero no lo suficientemente alto como para que se rompa?
Tendría que cazar de nuevo, pero obtuve el mío de fundiciones epitaxiales privadas utilizadas por uno de mis proveedores que no puedo compartir. Las fotos de las heridas por ESD parecían soldaduras realmente irregulares hechas por un novato en canales muy estrechos.
¡Gracias! Interesante y relevante lectura de ese artículo de investigación.
"detonar las partículas", ¿eh?
@hobbs sí, más de 10,000 K, y detectable por sonido, cámara visible IR, UV, UHF> 1 GHz y con los sensores correctos unos pocos órdenes de magnitud más altos. ya que el pulso ps cubre angstroms hasta micras con un tiempo de subida de 1 ns. El calor de la partícula entonces provoca cambios químicos en las moléculas dieléctricas circundantes a mucho más en grupos de partículas con mayor xxx nC de descarga. Piense en ello como un detonador de partículas de microimpulso de partículas conductoras en un dieléctrico mejor que el promedio. En epoxi, el detetonador son vacíos de gas en un dieléctrico sólido, que es una mini explosión más grande.
En los transformadores de aceite, cuanto mayor es la energía PD, se convierte en un pirotécnico más caliente y libera acetileno con cualquier otro gas explosivo entre H2 y acetileno. Si el streamer es lo suficientemente largo como para causar BDV, entonces se convierte en una explosión de gigavatios y cae en cascada a más
¿Alguien probó la prueba Trivia con un interruptor MOS de 10 ns y un cable de 1 uH / m para encontrar el umbral de daño?
@hobbs piénsalo. este podría ser el escurridizo ruido de disparo "portadores calientes" que nadie ha descubierto o probado aún después de 60 años de investigación y desarrollo sobre el tema, excepto que el ruido rosa 1/f de la capacitancia del diodo da como resultado -10dB/década
¿Quiso decir " cadenas de hidrocarburo " en la sección "Anecdótica"?
oh.. yo no escribi eso? Vaya, debo haber estado usando SIRI y se transcribió mal en mi iPod o fue mi tipeo atroz.

Exceder los máximos absolutos de las hojas de datos no significa necesariamente una falla catastrófica inmediata. Significa que ha ido a una región en la que el fabricante ya no considera adecuado garantizar que el dispositivo vuelva a funcionar según las especificaciones, durante el resto de la vida útil del dispositivo.

¿Significa esto que no funcionará según las especificaciones? No, significa que el fabricante ya no garantiza que funcionará según las especificaciones.

Además, dado que sus pruebas se realizaron en LED de "fabricación desconocida", no tiene idea de cómo se clasifican.

Derecha. Los programadores llaman a esto el reino de los demonios nasales .
Gracias por señalar esto. Sé que no puedo esperar nada preciso de una parte fuera de sus especificaciones. Mi perplejidad surgió porque la especificación en cuestión (Vrmax) era mucho menor que el posible voltaje de ruptura (que no pude alcanzar). Lo que esperaría es que un fabricante aplicara algún margen de seguridad para garantizar un cierto nivel de confiabilidad, pero no que ese margen sea tan grande. Mi pregunta fue para entender por qué el margen es tan grande, ya que aparentemente entrar en una falla no es el modo de falla que más temen los fabricantes.
Para hacer una comparación: no esperaría que un 1N4007 (1000V Vrmax) tuviera un voltaje de ruptura 5 o más veces mayor (tal vez me equivoque), y también me sorprendería si descubriera que podría soportar, digamos 5000V sin entrar en avería (destruida o no). Como dije al comienzo de mi pregunta, estaba experimentando tratando de forzar un LED a una falla controlada (limitación de corriente para no causar una destrucción inmediata por demasiada disipación de energía). Esperaba que se dañara en algún momento.
El hecho de que no lo fuera significa que la distribución de fabricación en el voltaje BD es enorme (¿podría ser esa la razón?) o que hay otros modos de falla/problemas de confiabilidad menos conocidos que entran en juego mucho antes de acercarse al voltaje BD.

En pocas palabras, aplicar un alto voltaje inverso a los LED nuevos durante unos minutos no es una prueba concluyente. La corriente inversa en los LED aumenta a medida que envejecen ( 1 ), y esperaría que el voltaje de ruptura también disminuya. Al final de su vida útil, más LED se romperán a valores de voltaje inverso más bajos.

Reduciría innecesariamente el rendimiento de la producción.

Una vez que especifique un voltaje de ruptura más alto de lo necesario (para el uso de LED), tendrá que rechazar (o vender como un grado diferente) cualquier salida de producción que no cumpla con esa especificación pero que funcione A-OK como un LED. A menos que el usuario necesite un LED que pueda realizar una doble función como rectificador, esto solo aumentaría los costos y/o la complejidad del catálogo.

Creo que esta es la respuesta correcta. Otras respuestas son simplemente "No lo sé" recubiertas de azúcar.
¿Son los LED mejores de lo que pensamos?
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