Ist die LED-Drop-Spannungsdifferenz zwischen Farben mit der unterschiedlichen Wellenlängenenergie verbunden?

Mir scheint, dass LEDs, die Licht mit weniger Energie emittieren (z. B. IR und Rot), einen geringeren Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung aufweisen als LEDs mit mehr Energie, die ihrer Wellenlänge zugeordnet ist (z. B. Blau oder UV).

Das wäre faszinierend.

Ist dies ein echter Zusammenhang oder hängt er allein von der verfügbaren Technologie ab?

Ja. Es ist eine echte Korrelation. Hinweis: Einige LEDs können Leuchtstoffe verwenden. Wenn ja, können es beispielsweise UV-LEDs mit Leuchtstoffen in der Linse sein. Die vom Betrachter gesehene Farbe wird durch die Leuchtstoffe bestimmt. Aber ansonsten, ja, die Photonenenergie und die Durchlassspannung sind eng miteinander verbunden.
Es ist nicht nur korrekt, Sie können damit auch die Plancksche Konstante berechnen! Holen Sie sich ein paar LEDs mit bekannten Wellenlängen. Berechnen Sie ihre Häufigkeiten mit c=fλ . Messen Sie ihre Durchlassspannungen. Berechnen Sie die Energie durch Multiplikation mit der Elementarladung: E=Vq . Zeichnen Sie nun E gegen f und die Steigung wird die Plancksche Konstante h sein .
@mkeith Wenn das, was Sie sagen, wahr ist, warum nimmt die von den Photonen transportierte Energie ab und Vf zu, wenn sich die Wellenlänge einer InGaN-LED von tiefblau nach blau nach cyan nach grün verkürzt?
@DrSheldon Sie müssten die Bandlückenenergie messen, die thermischen Eigenschaften kompensieren, dann hätten Sie die Gesamtenergiemenge. Sie benötigen auch die spektrale Verteilung und die Anzahl der Photonen pro Wellenlänge. Sehen Sie sich diesen Link an und versuchen Sie, rückwärts zu berechnen, indem Sie nur die Gesamtenergie kennen. berthold-bio.com/service-support/support-portal/knowledge-base/… -- Ich habe die Formeln aus diesem Link verwendet, um diese Seite zu erstellen und mit einem Spektrometer getestet: growlightresearch.com/ppfd/convert.html
@ Misunderstood: Wenn Sie für NIST arbeiten und den genauesten Wert wünschen, ja. Wenn Sie Studenten im Grundstudium ein Laborexperiment geben, kommen sie normalerweise auf 5-10 % des tatsächlichen Werts.
@DrSheldon Nein, ich sage, selbst wenn Sie angesichts der freigesetzten Photonenenergie nicht zur Planck-Konstante oder Avogadro-Zahl gelangen könnten. Was Sie gesagt haben, ist aus zwei Gründen nicht wahr. 1) Vf gibt Ihnen keine Photonenenergie. 2) Sie kennen weder die spektrale Verteilung der Photonen noch die Anzahl der emittierten Photonen. Versuch es. Führen Sie die Zahlen mit Vf oder besser Photonenenergie durch und sehen Sie, dass das, was Sie gesagt haben, ohne Spektralverteilung und Photonenzahl nicht möglich ist.
@ Misunderstood: Ich denke, Sie teilen E durch f , was nicht funktionieren wird. Stattdessen erstellen Sie ein Diagramm (jede LED ist ein Punkt auf dem Diagramm). Am Ende ist es linear, und die Steigung ist die Plancksche Konstante. Die von Ihnen erwähnten Effekte wirken sich jeweils auf den y-Achsenabschnitt des Diagramms aus, aber das wird ignoriert. Meine Schüler haben seit über einem Jahrzehnt gute Ergebnisse erzielt.
@DrSheldon was??? Ich teile nichts durch nichts. Ich sage, was du gesagt hast, ist FALSCH!!!!!! Halten wir es einfach, diese Frage zu beantworten? Warum nimmt die von den Photonen transportierte Energie ab und dennoch steigt Vf, wenn sich die Wellenlänge einer InGaN-LED von tiefblau zu blau zu cyan zu grün verkürzt? Welche Wellenlängen haben Ihre Schüler verwendet?
@ Misunderstood, es wird lange dauern, bis ich alles verdaut habe, was Sie in Ihrer Antwort geschrieben haben. Aber wenn ich mir Ihre aus dem Lehrbuch entnommene Grafik ansehe, sieht es so aus, als ob die Bandlückenenergie und die Durchlassspannung ziemlich gut korrelieren, selbst wenn einige der AlGaInN-Punkte über der Trendlinie liegen.
@mkeith das ist irgendwie irreführend. Beachten Sie, dass die meisten Materialien mit AlGa beginnen, fast ausschließlich Aluminium-Gallium. Beachten Sie, wie grün und blau weit von der Steigung entfernt sind. Die meisten gelben bis roten sind AlInGaP. Beachten Sie, dass es kein InGaN gibt, das heute üblicherweise für 450 nm bis 530 nm (blau bis grün) verwendet wird. Das Diagramm wurde mit Daten aus zwei Studien Krames 2000 und Emerson 2002 erstellt. Mein Beweis ist in InGaN, wobei tiefblau => blau => cyan => grün bzw. Vf sind: 2,90 V => 2,95 V => 3,17 V => 2,21 V . Abnahme der Photonenenergie von blau nach grün. Außerdem habe ich die Sache mit der Anzahl der pro Watt erzeugten Photonen hinzugefügt
Eine irreführende Korrelation, denke ich. Es wäre nicht das erste Mal.
Theoretisch könnten wir also in Zukunft bessere Dotierstoffe finden, die uns weniger Vf für die kürzeren Wellenlängen geben?
Das wäre der heilige Gral, wenn eine LED mit effizienteren Materialien im UVA- bis nahen UV-Spektrum gefunden würde. Dies sind die Wellenlängen, die mit weißem Phosphor gepumpte LEDs herstellen können. Hier ist das Geld. Die Vf der weißen LED (tiefblau) nimmt weiter ab. Eine Möglichkeit, die Effizienz (Lumen/Watt) zu erhöhen, besteht darin, Vf zu reduzieren. Es wird viel geforscht ($$), um die Vf- oder weißen LEDs zu reduzieren.

Antworten (3)

Das Energieniveau von Photonen ist nicht der Grund dafür, dass Vf mit dem Energieniveau der Photonen ansteigt.

Wieso den? Denn das passiert nicht immer.

Hier ist das Energieniveau von 100 µmol für vier Wellenlängen von InGaN-LEDs und deren V f .

Beachten Sie, wie die Energie abnimmt, wenn V f ansteigt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Source V f : Lumiled Rebel Color Datasheet
Source Energy: Wie wandle ich Bestrahlungsstärke in Photonenfluss um?
und Photometrische, Radiometrische, Quantenumwandlungen


Ein Photon kann nicht mit einem Voltmeter gemessen werden.
Das Photon und die Energie, die es trägt, wurde von der LED emittiert.
Wie könnte also die Energie eines Photons möglicherweise in die V f aufgenommen werden , wenn es sich mit Lichtgeschwindigkeit von der LED wegbewegt?


Die Photonenenergie trägt nicht direkt zu V f bei .
Der momentane spezifische Widerstand der verwendeten Materialien bestimmt Vf


Mehr Energie = weniger Photonen

Diese Frage basiert auf der Tatsache, dass ein Photon mit längerer Wellenlänge weniger Energie trägt als ein Photon mit kürzerer Wellenlänge.
Ein tiefrotes Photon mit 660 nm trägt 66 % so viel Energie wie ein tiefblaues Photon.

Aber das ist nur ein Teil der Gleichung.

3,76 µmol von 450 nm tiefblauen Photonen tragen 1 Watt Energie.
5,52 µmol von 660 nm tiefroten Photonen tragen 1 Watt Energie.

Das sind 56 % mehr rote Photonen als blaue pro Watt.

Es braucht ein Elektron, um 1 Photon zu erzeugen.
1 µmol = 602.214.076.000.000.000

Es ist also eine Art Waschgang.
Während Blau mehr Energie trägt, werden weniger blaue Photonen pro Watt erzeugt.
Während Rot weniger Energie trägt, werden mehr rote Photonen pro Watt erzeugt.
Quelle: Photometrisch, Radiometrisch, Quantum Conversions

Apropos Anspruch

Eine bestimmte Spannung ist erforderlich, damit die Elektronen sie über die Verarmungsregion bringen. Das Elektron gibt seine Energie als Photon ab.
...die Bandlücke des Materials ergibt die charakteristische Wellenlänge. Höhere Bandlücken ergeben kürzere Wellenlängen.

Während sich die Energie in der Bandlücke der freigesetzten optischen Energie annähert,
wird die Bandlückenenergie nicht in V f dargestellt

Die Bandlückenenergie nähert sich der freigesetzten optischen Energie nur an, wenn die thermischen Eigenschaften der LED außer Acht gelassen werden.
Quelle: Leuchtdioden von E. Fred Schubert

Wenn Sie zu Digikey gehen und (aufsteigend) weiße LEDs nach V f
sortieren würden, finden Sie in der nebenstehenden Spalte, der Effizienz (lm/W), die LEDs mit sehr hoher Effizienz. Wenn Sie dann nach Wirksamkeit (aufsteigend) sortieren, finden Sie höhere V f .

Wenn mehr Elektronen in Photonen umgewandelt werden (höhere Effizienz), gibt es weniger Elektronen, die es durch die Bandlücke zum Leitungsband schaffen. Die Elektronen im Leitungsband addieren sich zu Vf , während die in Photonen umgewandelten nicht in Vf enthalten sind .

Der Wellenlängenbereich handelsüblicher LEDs mit einer Einzelelement-Ausgangsleistung von mindestens 5 mW beträgt 360 bis 950 nm. Jeder Wellenlängenbereich wird unabhängig vom Hersteller aus einer bestimmten Halbleitermaterialfamilie hergestellt. Quelle: Photonics - Light Emitting Diodes: A Primer .

Der Artikel ist lesenswert.

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Abbildung 1. Der LED-Farbleitfaden von Lumex gibt einen guten Überblick über die verschiedenen LED-Typen, Chemie und Wellenlängen. Für eine Erklärung, falls erforderlich, siehe LEDs und Farbe (meine).

Wie bei allen Dioden (dem D der LED) ist eine bestimmte Spannung erforderlich, damit die Elektronen sie über den Verarmungsbereich bringen. Das Elektron gibt seine Energie als Photon ab. Ihre Vermutung ist richtig und die Bandlücke des Materials gibt die charakteristische Wellenlänge an. Höhere Bandlücken ergeben kürzere Wellenlängen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Abbildung 2. Die Durchlassspannungsabfälle variieren mit dem Strom. Was ist eine LED? .

Diese Daten für dieses Diagramm wurden verschiedenen Datenblättern entnommen und sorgfältig aufgetragen. Die LEDs stammten jedoch von verschiedenen Herstellern und es gibt einige Unterschiede in den Durchlassspannungen.

Weiße LEDs sind beispielsweise tiefblaue 450-nm-LEDs, die mit Wellenlängen umwandelnden Leuchtstoffen bedeckt sind. Wenn ein tiefblaues Photon vom Leuchtstoff absorbiert wird, wird es bei einer längeren Wellenlänge reemittiert (z. B. Blau-Cyan-Grün-Rot). Die weiße IV-Kurve entspricht also der tiefblauen Kurve innerhalb derselben Produktlinie. Daran arbeite ich noch.

Während der folgende Text wahr ist, wird die Energie in der Bandlücke nicht in der Durchlassspannung dargestellt. Vf ist ein Ergebnis des spezifischen Widerstands von n, p und Dotierstoffen. DAS IST WAHR, ABER...: Deine Vermutung ist richtig und die Bandlücke des Materials gibt die charakteristische Wellenlänge an. Höhere Bandlücken ergeben kürzere Wellenlängen.

Es ist verknüpft, mit einigen Details, die bedeuten, dass Sie keine gerade Linie durch alle Punkte ziehen können.

Die Energie, die benötigt wird, um ein Photon einer bestimmten Wellenlänge zu erzeugen, legt das absolute Minimum von Vf fest, das eine Diode beim Betrieb benötigt. Darüber hinaus gibt es weitere kleine Spannungsabfälle, die von der jeweiligen Technologie und den jeweiligen Materialien abhängen, aus denen ein bestimmter Bandlückenhalbleiter hergestellt wird.

IIRC, Gelb und Grün erfordern eine sehr ähnliche Spannung, was wahrscheinlich technologieabhängig ist. Aber im Allgemeinen benötigen Rot und IR aufgrund des Photonenenergiebedarfs weniger und Blau und UV mehr.

Können Sie näher erläutern, was in der Technologieabhängigkeit enthalten sein könnte? Wie in meiner Antwort erwähnt, habe ich Probleme, gute Daten für meine LED-IV-Kurven zu erhalten. Es gibt Unterschiede bei den LEDs verschiedener Hersteller und daher scheint meine gelbe Kurve eine höhere Spannung zu haben als die grüne, während man erwarten könnte, dass sie zwischen orange und grün liegt.
@Transistor Die Tatsache, dass eine Diode aus 3 Übergängen besteht, zwei mit Metall zu Halb und nur eine mit Halb zu Halb, bedeutet, dass die Übergänge von Metall zu Halb einen Einfluss auf die Gesamtdurchlassspannung haben werden. Ich habe dort aus der Hüfte geschossen und versucht, mich an Ergebnisse von früher zu erinnern, aber nach Ihren Ergebnissen sieht es so aus, als hätte ich mit dem gelb/grünen Ding genau richtig gelegen. Ich habe mich gefragt, ob ich Argon / Kalium erwähnen soll, da das Periodensystem im Allgemeinen den Atomgewichten folgt, mit Ausnahme einiger Stellen, an denen dies nicht der Fall ist, aber es ist nicht allzu hilfreich.
@Transistor Die Photonenenergie hat wenig mit Vf zu tun. Drahtbonden hat nichts mit Vf zu tun. Die Durchlassspannung bezieht sich mehr auf Elektronen als auf Photonen. Bei größerer Effizienz (Photonen pro Watt) befinden sich weniger Elektronen in der Bandlücke, da mehr Elektronen in Elektronen umgewandelt wurden. Sobald ein Elektron zu einem Photon wird, kann seine elektrische Energie nicht mehr gemessen werden. Weniger Elektronen bedeutet eine niedrigere Spannung, eine niedrigere Spannung bedeutet eine geringere erzeugte Wärmeleistung (elektrisch umgewandelt) und daher einen höheren Wirkungsgrad. Der Rest ist die Breite der Bandlücke und die Energie, die erforderlich ist, um sie zu überqueren.
@Neil: Ich hatte das Metall zu den Halbübergängen nicht in Betracht gezogen. Ich glaube nicht, dass es in meinen Studien vor vielen Jahrzehnten erwähnt wurde, noch in meiner Lektüre der Hobby-Elektronikzeitschriften. Dem werde ich nachgehen. Danke schön.
@Transistor sicher, dass die Bindung und der Draht einen Widerstand haben, aber es ist minimal (mOhm) und es ist der gleiche Widerstand über alle Farben innerhalb derselben Produktlinie. Genauso wie der Widerstand der Heterostrukturen und der Massewiderstand der Materialien zu den internen Serien- und Parallelwiderständen beitragen, aber nicht mit der Wellenlängenenergie zusammenhängen. Aber Heterostrukturen und Volumenwiderstand hängen sehr stark mit Vf zusammen.
@ Mis: Danke. Ich werde etwas recherchieren. Die "gleiche Produktlinie" war das Problem, das ich beim Erstellen des Diagramms hatte. Ich kann keinen Hersteller finden, der eine Produktlinie anbietet, die einen großen Teil des Spektrums abdeckt - geschweige denn alles. Das machte es unmöglich, Gleiches mit Gleichem zu vergleichen. Ich habe meine Gedanken zusammengetragen, um eine Frage zu dem Thema zu posten.
@Transistor Lumiled (Rebel Color, Color C), Cree (XPE) und OSRAM (Oslon SSL) haben Farben von 450 nm tiefblau bis 660 nm tiefrot. Lumiled und Cree haben auch 740nm Far Red. Ich entwerfe LED-Beleuchtung für die fotochemische Forschung im Gartenbau und muss daher mit allen Farben vertraut sein.
Ihre Antwort scheint richtig zu sein, wenn Sie AlInGaP in den IR-roten Wellenlängen-LEDs betrachten. Ihre Antwort fällt auseinander, wenn Sie sich InGaN-LEDs (UV-Grün) ansehen würden. Wenn die InGaN-Wellenlängen länger werden (weniger von Photonen getragene Energie), steigt Vf.
@Misunderstood Während ich mich Ihrer überlegenen Erfahrung verneige, denke ich, dass die allgemeine Stoßrichtung der Antwort, es ist wahr (ish), in Bezug auf Ideen pro Absatz genauso nützlich ist wie Ihre. Eine höhere Photonenenergie erfordert im Allgemeinen eine größere Bandlücke erfordert eine höhere Spannung. Ich versuche, auf das offensichtliche Niveau der Frage des OP zu antworten. Ich interessiere mich für LXML-rot und rot/orange. Was ist der Mechanismus für ihre relativ höhere Spannung?
Der Unterschied besteht darin, dass die LXML die frühe Veröffentlichung in der Rebel-Linie sind. Als Lumiled Fortschritte in der Technologie machte, fügten sie 1,2,3,4,5 zu LXML hinzu. --- Ich habe in den letzten 5-6 Stunden an meiner Antwort gearbeitet, um Fakten zu überprüfen. Ich habe gerade mehr über die Bandlückenenergie und die Auswirkung auf Vf gegenüber dem spezifischen Widerstand der Materialien hinzugefügt. Und noch nicht fertig. Als nächstes kommt die Effizienz des Materials, die erklären wird, warum das, was Sie vermuten, nicht wahr ist.
Ist die LED-Drop-Spannungsdifferenz zwischen Farben mit der unterschiedlichen Wellenlängenenergie verbunden?
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