¿Cuál es la latencia de un LED?

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

LED de emisión directa normalmente tienen un tiempo de activación en en nanosegundos de un dígito , más tiempo para los LED más grandes. Los tiempos de apagado para estos se encuentran en decenas de nanosegundos , un poco más lento que el encendido. Los LED de infrarrojos suelen mostrar los tiempos de transición más rápidos, por las razones que se indican a continuación.

LED de propósito especial están disponibles, cuyas geometrías de unión y cable de conexión están diseñados específicamente para permitir 800 picosegundos a 2 pulsos de nanosegundos . Para pulsos aún más cortos, los diodos láser de propósito especial, en muchos aspectos operativamente similares a los LED, funcionan hasta los pulsos 50 picosegundos .

Como lo 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 , notablemente más lentos que los LED de emisión directa.

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

• La inductancia de las trazas provoca tiempos de subida y caída más prolongados. Trazas más largas = transiciones más lentas.
• La capacidad de empalme del propio LED es un factor ^{(# 2)} . Por ejemplo, estos LED de orificio pasante de 5 mm tienen una capacitancia de unión de 50 pF nominal. Uniones más pequeñas, por ej. Los LED SMD 0602 tienen una capacitancia de unión correspondientemente menor y, en cualquier caso, es más probable que se utilicen para la retroiluminación de la pantalla.
• Capacitancia parasitaria (trazas y circuitos de soporte) desempeña un papel importante en el aumento de la constante de tiempo RC y, por lo tanto, en la reducción de las transiciones.
• Topologías de conducción LED típicas, p. ej. la conmutación MOSFET del lado bajo, no active activamente el voltaje a través del LED hacia abajo cuando se apaga , por lo tanto, los tiempos de apagado son generalmente más lentos que el encendido.
• Como resultado de los factores inductivos y capacitivos anteriores, cuanto más alto es el voltaje directo del LED , más largos son los tiempos de subida y caída, debido a que la fuente de energía tiene que conducir la corriente más difícil de superar. estos factores Por lo tanto, los LED IR, con los voltajes directos más bajos, hacen la transición más rápida.

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

Para obtener una indicación del predominio del diseño del circuito de conducción en lugar de los LED, consulte este reciente RFI del gobierno de EE. UU. (abril de 2013), buscando diseños de circuitos que puedan garantizar el tiempo de conmutación del LED en el rango de 20 nanosegundos .

Notas :

# 1: Un LED tipo fósforo tiene una unión subyacente que emite luz, generalmente en el rango azul o ultravioleta, que luego excita un revestimiento 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 los LED blancos).

Esta emisión de fósforo secundaria se activa o desactiva mucho más lentamente que la transición de la unión. Además, al momento del 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 fabricar LED específicamente diseñados para señalización de alta velocidad en el rango de MHz, como se usa 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 cambio".

Lo que probablemente está buscando es el tiempo de recombinación radiativa: el tiempo que normalmente toma un agujero y un electrón para recombinarse al hacerlo al emitir 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 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 generales de recombinación en general y los tiempos de recombinación radiativa en particular varían mucho en semiconductores, principalmente entre aquellos con un intervalo de banda indirecto (los que normalmente solo hacen LED muy ineficientes). , como el silicio) y aquellos con un intervalo de banda directo (que normalmente se utilizan para LED). También tenga en cuenta la dependencia de la longitud de onda.

Si bien no tengo números listos, el orden de magnitud de la optoelectrónica debería ser nanosegundos. Cuando se optimiza para su uso como láser, que es básicamente un LED en espejos internos optimizados para retroalimentación óptica, el tiempo de recombinación o la vida útil del estado superior suele ser de unos pocos nanosegundos según la enciclopedia RP Photonics . Supongo que los LED regulares no superarán ese valor, pero también, quizás a menos que estén optimizados especialmente, tampoco serán mucho más rápidos.