¿Cuál es la latencia de un LED?

Se sabe que los LED tienen una latencia de ciclo de energía muy baja e imperceptible, pero ¿qué tan rápido son cuando se miden? (nanosegundos?)

En otras palabras, ¿cuánto tiempo tarda un LED que está completamente apagado para alcanzar su brillo óptimo, y cuánto tiempo lleva pasar de brillo completo a apagado? ¿Asumo que la corriente aplicada hace la diferencia?

Pregunto esto ya que los modernos monitores con retroiluminación LED usan PWM para lograr diferentes niveles de brillo, e incluso en las retroiluminaciones que parpadean a miles de Hertz , los LED parecen responder casi instantáneamente (a diferencia de las CFL, que son bastante lentas en el ciclo de alimentación).

Para abordar la cuestión, primero debe hacerse una distinción entre los LED de fósforo ^{(# 1)} (por ejemplo, LED blancos, posiblemente algunos LED verdes) y los LED de emisión directa (por ejemplo, los LED de color más visibles, LED IR y UV).

Los LED de emisión directa generalmente tienen un tiempo de encendido en nanosegundos de un solo dígito , más tiempo para LED más grandes. Los tiempos de apagado para estos son de decenas de nanosegundos , un poco más lento que el encendido. Los LED IR generalmente muestran los tiempos de transición más rápidos, por las razones que se indican más adelante.

Hay disponibles LED de propósito especial , cuyas geometrías de unión y de alambre de enlace están diseñadas específicamente para permitir pulsos de 800 picosegundos a 2 nanosegundos . Para pulsos aún más cortos, los diodos láser de propósito especial, en muchos aspectos operacionalmente similares a los LED, funcionan hasta 50 pulsos de picosegundos .

Como señaló @ConnorWolf en los comentarios, también existe una familia de productos LED con forma de haz óptico especializado , que cuentan con anchos de pulso de 500 a 1000 picosegundos .

Los LED de tipo fósforo tienen tiempos de encendido y apagado en decenas a cientos de nanosegundos , apreciablemente más lentos que los LED de emisión directa.

Los factores dominantes para el cambio rápido de LED no son solo los tiempos de transición de emisión inherentes del LED:

• La inductancia de las huellas provoca tiempos de subida y bajada más largos. Rastros más largos = transiciones más lentas.
• La capacitancia de unión del LED en sí es un factor ^{(# 2)} . Por ejemplo, estos LED de orificio pasante de 5 mm tienen una capacitancia de unión de 50 pF nominales. Las uniones más pequeñas, por ejemplo, los LED 0602 SMD tienen una capacidad de unión correspondientemente más baja y, en cualquier caso, es más probable que se usen para la retroiluminación de la pantalla.
• La capacitancia parasitaria (trazas y circuitos de soporte) juega un papel importante en el aumento de la constante de tiempo RC y, por lo tanto, en la desaceleración de las transiciones.
• Las topologías de conducción de LED típicas, por ejemplo, la conmutación MOSFET de lado bajo, no desconectan activamente el voltaje a través del LED cuando se apaga , por lo tanto, los tiempos de apagado suelen ser más lentos que el encendido.
• Como resultado de los factores inductivos y capacitivos anteriores, cuanto mayor es el voltaje directo del LED , más largos son los tiempos de subida y bajada, debido a que la fuente de energía tiene que conducir la corriente con más fuerza para superar estos factores. Por lo tanto, los LED IR, con los voltajes directos más bajos, hacen la transición más rápido.

Por lo tanto, en la práctica, las constantes de tiempo límite para un diseño implementado pueden estar en los cientos de nanosegundos . Esto se debe en gran parte a factores externos, es decir, el circuito de conducción. Compare esto con los tiempos de transición mucho más cortos de la unión LED.

Para obtener una indicación del dominio del diseño del circuito de conducción en comparación con los LED en sí, consulte este reciente RFI del gobierno de los EE. UU. (Abril de 2013), que busca diseños de circuitos que puedan garantizar el tiempo de conmutación del LED en el rango de 20 nanosegundos .

Notas :

# 1: Un LED de tipo fósforo tiene una unión emisora ​​de luz subyacente, típicamente en el rango azul o ultravioleta lejano, que luego excita un recubrimiento de fósforo. El resultado es una combinación de múltiples longitudes de onda emitidas, por lo tanto, un espectro más amplio de longitudes de onda que un LED de emisión directa, que se percibe como aproximadamente blanco (para LED blancos).

Esta emisión secundaria de fósforo se activa o desactiva mucho más lentamente que la transición de unión. Además, en el apagado, la mayoría de los fósforos tienen una cola larga que sesga aún más el tiempo de apagado.

# 2: La geometría de la unión afecta significativamente la capacitancia de la unión. Por lo tanto, se toman medidas similares para la fabricación de LED diseñados específicamente para la señalización de alta velocidad en el rango de MHz, como se utilizan para el diseño de diodos de conmutación de alta frecuencia. La capacitancia se ve afectada por el espesor de la capa de agotamiento y el área de unión. Las elecciones de material (GaAsP v / s GaP, etc.) también afectan la movilidad del operador en la unión, cambiando así el "tiempo de conmutación".

Lo que probablemente esté buscando es el tiempo de recombinación radiativa: el tiempo que generalmente tarda un agujero y un electrón en recombinarse al hacerlo emitiendo un fotón, que es un proceso estocástico y, por lo tanto, puede tomar cualquier cantidad de tiempo. Desde la perspectiva de un ingeniero, tendrá que agregar a esto el tiempo que sea necesario para crear agujeros y electrones a su velocidad deseada en primer lugar, después de superar los efectos eléctricos como la resistencia, la inductancia y la capacidad, incluidos los del LED, su embalaje y su circuito de conducción.

Con solo esta información, aún puede tropezar con el hecho de que los tiempos de recombinación generales en general y los tiempos de recombinación radiativa en particular varían mucho en los semiconductores, más significativamente entre aquellos con una banda prohibida indirecta (los que generalmente solo producen LED muy ineficientes, como el silicio ) y aquellos con una banda prohibida directa (que generalmente se usan para LED). También tenga en cuenta la dependencia de la longitud de onda.

Si bien no tengo números listos, el orden de magnitud para la optoelectrónica debería ser nanosegundos. Cuando se optimiza para su uso como láser, que es básicamente un LED dentro de los espejos optimizados para retroalimentación óptica, el tiempo de recombinación o la vida útil del estado superior es típicamente de unos pocos nanosegundos según la Enciclopedia RP Photonics . Mi suposición es que los LED normales no excederán ese valor, pero también, tal vez a menos que estén especialmente optimizados, tampoco serán mucho más rápidos.