LED比我们想象的好吗?

电器工程 引领 数据表 最大收视率 反向击穿
2022-01-24 02:49:52

关于 LED 的传统观点认为它们的最大反向电压VR(max)非常有限,通常在 5V-8V 范围内。

因此,出于实验目的,我想使用我的限流电源使 LED 进入受控击穿状态。

当然,我预计实际击穿电压会略高于报告的保证电压VR(max),但我从来没有预料到我发现的结果。我尝试了不同种类的“el Cheapo”无品牌中文 LED 指示灯(3 毫米和 5 毫米,红色、绿色、蓝色、黄色和白色),我无法将它们带入故障区域,即使在 32V(我的电源供应达到最大)!

因此,我想仔细检查我的假设,并系统地浏览了来自不同制造商(例如 Vishay、Nichia、Kingbright、Fairchild、Cree)的当前设备(标准 3mm 和 5mm LED,用于指示器和照明应用)的许多数据表(大约 40 个) . 几乎所有人都报告了VR(max)=5V,一些 Vishay 器件的额定电压为 6V。

我非常不解。好的,制造商倾向于保守,但>25V 的裕量似乎有点太高了。毕竟,保证一个VR(max)=25V(或类似的东西)可以使 LED 成为一些有用应用的良好候选者或允许电路简化(例如,无需保护 LED 免受低压反向尖峰的影响)。无论如何,这将是营销人员可以吹嘘的清单中的另一个子弹!

当然,我的测试仅限于十几个未知制造商的 LED,但我认为它们不能比来自知名来源的 LED 更好。或者我是否经历了一种颠倒的墨菲定律,在那里我发现了地球上唯一一个具有这种功能的 LED 盒?!?

问题: 我的发现是否在行业中广为人知?为什么他们一直指定具有如此低 a 的 LEDVR(max)当实际设备似乎要好得多时?我错过了什么吗?

编辑

(澄清一些可能引发评论/答案的点,这些评论/答案实际上并没有给我我想要的解释)

我已经知道的事情

  • 超出数据表中报告的绝对最大额定值的应力可能会损坏器件,如果应力远超出这些限制,通常会损坏器件。

  • 当您超过这些最大额定值时,您不能向制造商要求任何东西。你在未知的领域独自一人。你既不能起诉他,也不能抱怨。

  • 没有一个理智的设计师会在他的设计中使用超出数据表中给出的规格的零件。优秀的设计师会确保零件保持在规定的最大额定值以下。正如我一开始所说,我是在做实验,特意进入未知的领域来验证我的期望和我对反向击穿的了解。

我的假设(可能是错误的;如果他们错了,我想知道为什么

  • 任何二极管最大反向电压额定值的主要限制因素是其击穿电压。换句话说,您可以根据需要安全地反向偏置二极管,直到击穿(齐纳二极管或雪崩)开始。

  • 故障本身并没有破坏性。反向电流的突然增加导致耗散功率的巨大增加,特别是在高反向电压下,因此 PN 结将被破坏,除非您以某种方式限制电流。

  • LED 的击穿机制与其他 PN 结二极管(如普通硅整流器或齐纳二极管)没有什么不同。

  • 由于 LED 并非设计为(与齐纳二极管相反)在击穿状态下工作,因此 BD 电压不是一个明确指定的参数,因此制造分布可能相当大。因此,制造商选择了一个合适的安全裕度,并将其声明为最大反向电压。

  • 虽然需要一定的安全余量,但不能很大。IIRC,BD 电压取决于掺杂水平和冶金结的几何形状,这些参数也会影响正向偏置时的二极管特性。如果 LED 的“有用规格”必须合理一致,那么掺杂和几何形状必须一致;因此 BD 电压值也不能过于分散。

什么让我感到困惑,让我认为除了保护 LED 不被击穿之外,还有更多问题

  • 额定最大反向电压和实际 BD 电压(至少 +400%)之间的巨大差异应该意味着什么,并且应该有其背后的理由。鉴于上述假设,我无法相信相同型号的 LED 可以具有如此大的 BD 电压分布,即我无法相信相同的工艺(即使跨不同批次)会产生一个进入击穿的部件,例如, 10V 和另一个以 30V 进入它的(我有待纠正)。
4个回答

是的,这是众所周知的。测试过的人都知道。模具制造商当然知道这一点。

他们没有指定 LED 的反向电压超过 5V,因为它不会显着增加销量(即很少有人需要这种能力),并且会要求他们实际考虑每种 LED 类型以及它可能承受的电压(对于某些人来说可能是 12V,其他人可能是80V)。还可能存在需要量化或可能改变 LED 设计以缓解的长期可靠性问题。

5V 额定值来自带推挽驱动器的 5V 电源在矩阵中驱动的 LED 所经历的反向电压,这是您故意对 LED 进行反向偏置的少数情况之一(AC 输入光耦合器中的背靠背 LED 参见另一个 LED 最坏情况下的正向电压,或约 -1.2V)。

有许多参数未指定(典型数据或根本没有数据)或只是松散指定,因为大部分市场不需要它。例如,反向 beta、BJT 上的 Vbe 击穿、指示灯 LED 上的 Vf 温度系数。


就普通 LED 的实际能力而言,有证据表明反向偏置电压会因热载流子对 LED 造成逐渐损坏。例如,DOI 10.1109/LED.2009.2029129 表明施加 -40V 会损坏绿色 LED,因此盲目设计依赖于高反向击穿电压的东西是不明智的。

在此处输入图像描述

如果你在雷雨中站在一棵树下并且活了下来,这是否意味着什么重要的事情? 这有点像反向偏置 LED > -5V。

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图表,由这显示了 LED 在暴露于 ESD 的反向和正向偏置中的敏感性。请注意下面,当 Vr 低于 -5V 时,它对左侧更加敏感

在此处输入图像描述

(我可以写一本关于局部放电(PD)和击穿电压(BDV)的书,但我会缩短这个编辑时间;)


当 PN 结被反向偏置时,电荷云(如积雨云)会产生高电场电荷密度,其中缺陷是移动电荷(污染物颗粒),它们被加速形成会引爆颗粒的路径(通过 PD)并在 BDV 灾难性事件之前“缠绕”设备(甚至是 MVA 变压器绝缘)或创建流光路径。(例如像闪电但无声)

除了在反向偏置的 LED 中,我猜的 E 场在 5V/um 的数量级上(就像 5kV/mm 几乎是空气中的火花。那么具有稍低 Er 常数的分子杂质将具有更大的 E-场和电荷通过它而不是其邻居。电荷由 > |-10uA| 的电流产生,其中白色 LED 在小芯片中的规格为 -5V。

轶事

我在斯卡伯勒的一家变压器厂调查了一个受伤的 5 MVA 配电变压器,它有一个 $m 的责任问题,但它有一个完美的电力研究性能现场测试,但溶解了氢气,经频繁溶解气体 (DGA) 分析证明)。这个 H2 是由石油中的每个 PD 事件产生的,就像 DIAC 弛豫振荡器一样,然后达到众所周知的(该行业的)爆炸水平阈值(4% 是较低的爆炸阈值,因此立即采取了停止使用,此后我进行了详尽的测试以找到根本原因并解决了该电介质中预期的正常 23kV 电位造成的污染问题,但在大于 16V/um 的颗粒中引起异常 E 场,导致其周围的油分子放电和爆炸,从而破坏了长 CxHy 碳氢化合物释放 H2。

一种相似但不同的污染物(与正态分布的氮化物、磷化镓和砷混合)会被反向偏置 PN 结中的异常电场加速,并对 LED 的预期寿命产生不利影响。

此电荷显示了与缺陷和泄漏电流的关系,但与均质污染物不同,受伤结是密集的,因此 BDV 是不可预测的,但已知许多 PN 结(Vbe 和 LED,尽管在结构上有所不同)的应力水平开始于这种常见的故障机制具有不同程度的加速灵敏度。

综上所述,如果一个 PN 结在测试中对反向偏压有更高的耐受性,这并不意味着它仍然没有受伤,只是它的颗粒污染物密度较低(百万分之几)。电荷加速度与污染物密度不是线性的,而是对数的。正是冲击动能引爆了微米级或纳米级的损伤。

结束编辑

反向偏置时,RY 的额定电流通常为 1 µA,BGW 颜色的额定电流通常为 10 µA。

想象一下反向偏置是极端微功率并对其进行测量,如果没有 ESD 钳位,100 µW 数量级的功率每平方微米比正向偏置电流 100 mW 每平方毫米的功率更大,因为路径大不相同。

它不像齐纳二极管那样受任一方向的功率限制。带隙可以突然失效或轻微失效。

因此,压力是无形的,并且会以不同的方式伤害连接处。结电容较高或颜色变暗或强度较低或受伤时可以看到结果,以显着降低 MTBF。

它是否能承受它短暂或一段时间是无关紧要的。专家了解压力水平会降低可靠性或性能。

如果您不明白为什么存在绝对最大收视率,请不要忽略它或怀疑它,或者当您最不期望它时……嗯,它不起作用。

2005 年,我在现场访问之前为客户制作的工程指南,以解决导致 1% 现场故障的 ESD 和焊接问题,后来由我的流程改进建议修复。 在此处输入图像描述 在此处输入图像描述

关于二极管反向电压应力的研究文章

琐事测试

为什么这是个坏主意?

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

超过数据表中的绝对最大值并不一定意味着立即发生灾难性故障。这意味着您已经进入了制造商认为不再适合保证设备在设备的剩余生命周期内再次按规格执行的区域。

这是否意味着它不会按规范执行?不,这意味着制造商不再保证其性能符合规格。

此外,由于您的测试是在“未知制造”的 LED 上进行的,因此您不知道它们的评级。

简而言之,对新 LED 施加高反向电压几分钟并不是一个决定性的测试。LED 中的反向电流随着年龄的增长而增加 ( 1 ),我预计击穿电压也会降低。到其使用寿命结束时,更多的 LED 将在较低的反向电压值下损坏。