Cum funcționează un LED UVC
Cum funcționează cu adevărat LED-urile UVC este o întrebare populară din partea companiilor care se uită la LED-uri UVC în scopuri de dezinfecție. În acest articol, descriem funcționarea acestei tehnologii.
Principiile LED-urilor în general
Când un curent este condus printr-o diodă emițătoare de lumină (LED), un dispozitiv semiconductor, acesta emite lumină. În timp ce semiconductori extrem de puri, fără defecte (cunoscute și sub numele de semiconductori intrinseci) conduc electricitatea în mod obișnuit foarte ineficient, dopanții pot fi adăugați la semiconductor pentru a-și schimba conductibilitatea fie în găuri încărcate pozitiv (semiconductor de tip n) fie în electroni încărcați negativ (p- tip semiconductor).
O joncțiune pn, în care un semiconductor de tip p este plasat deasupra unui semiconductor de tip n, formează un LED. Când este dată o polarizare directă (sau tensiune), găurile din materialul de tip p sunt împinse în direcția opusă (deoarece sunt încărcate pozitiv) către materialul de tip n.
În mod similar, electronii din regiunea de tip n sunt împinși spre regiunea de tip p. Electronii și găurile se vor combina la joncțiunea dintre materialele de tip p și de tip n, iar fiecare eveniment de recombinare va avea ca rezultat producerea unui cuantum de energie care este o caracteristică inerentă a semiconductorului în care are loc recombinarea.
În banda de valență a semiconductorului, se produc găuri, în timp ce electronii sunt produși în banda de conducție. Energia bandgap, care se referă la diferența de energie dintre banda de conducție și banda de valență, este guvernată de proprietățile de legătură ale semiconductorului.
Un singur foton de lumină cu o energie și o lungime de undă (cele două sunt conectate unul la altul prin ecuația lui Planck) dictate de banda interzisă a materialului utilizat în zona activă a dispozitivului este produs prin recombinare a radiațiilor.
Recombinarea non-radiativă este o altă posibilitate, atunci când energia generată de recombinarea electronului și a găurilor are ca rezultat căldură în loc de fotoni de lumină. În semiconductori direct bandgap, aceste procese de recombinare non-radiativă includ stări electronice mid-gap cauzate de defecte.
Ne propunem să îmbunătățim proporția recombinării radiative în raport cu recombinarea neradiativă, deoarece dorim ca LED-urile noastre să emită mai degrabă lumină decât căldură. Pentru a face acest lucru, o metodă este să adăugați straturi de limitare a purtătorului și godeuri cuantice în zona activă a diodei, într-un efort de a crește concentrația electronilor și a găurilor care, în circumstanțe corecte, sunt în curs de recombinare.
Concentrația redusă a defectelor în zona activă a dispozitivului, ceea ce duce la recombinare non-radiativă, este un alt factor crucial. Deoarece dislocațiile sunt principala sursă de centre de recombinare non-radiativă, ele joacă un rol crucial în optoelectronică. Dislocările pot rezulta dintr-o varietate de factori, dar pentru a obține o densitate scăzută, straturile de tip n și p care alcătuiesc zona activă a LED-ului trebuie să fie întotdeauna crescute pe un substrat potrivit cu zăbrele. Dacă nu, dislocațiile vor fi adăugate pentru a explica variația structurii rețelei cristaline.
Prin urmare, maximizarea performanței LED-ului implică reducerea densităților de dislocare în timp ce crește rata de recombinare radiativă în comparație cu rata de recombinare non-radiativă.
LED-uri UVC
Aplicațiile pentru LED-uri cu ultraviolete (UV) includ tratarea apei, stocarea datelor optice, comunicațiile, detectarea agenților biologici și întărirea polimerilor. Lungimile de undă între 100 nm și 280 nm sunt denumite porțiunea UVC a spectrului UV.
Lungimea de undă ideală pentru dezinfecție este între 260 și 270 nm, cu lungimi de undă mai mari producând o eficiență germicidă exponențială mai mică. În comparație cu lămpile convenționale cu mercur, LED-urile UVC oferă o serie de avantaje, inclusiv absența materialelor periculoase, pornirea/oprirea instantanee fără restricții de ciclu, consum redus de căldură cu extracție concentrată a căldurii și durabilitate sporită.
În cazul LED-urilor UVC, este necesar un procent mai mare de moli de aluminiu pentru a genera emisii cu lungime de undă scurtă (260 nm până la 270 nm pentru dezinfecție), ceea ce face ca dezvoltarea și dopajul materialului să fie dificile. Din punct de vedere istoric, safirul a fost cel mai utilizat substrat pentru nitrurile III, deoarece substraturile în vrac potrivite cu zăbrele nu erau ușor accesibile. O nepotrivire substanțială a rețelei dintre safir și structura AlGaN cu conținut ridicat de Al a LED-urilor UVC provoacă mai multă recombinare non-radiativă (defecte).
Diferența dintre cele două tehnologii pare a fi mai puțin pronunțată în domeniul UVB și la lungimi de undă mai mari, unde nepotrivirea rețelei cu AlN este mai mare, deoarece sunt necesare concentrații mai mari de Ga. Acest efect pare să se agraveze la o concentrație mai mare de Al, astfel încât LED-urile UVC pe bază de safir tind să scadă în putere la lungimi de undă mai scurte de 280 nm mai repede decât LED-urile UVC pe bază de AlN.
Creșterea pseudomorfă pe substraturi native de AlN produce straturi de defecte atomice plate, cu o putere de vârf la 265 nm, care corespunde atât absorbției germicide maxime, cât și diminuează efectele incertitudinii cauzate de puterea de absorbție dependentă de spectru. Acest lucru se realizează prin comprimarea parametrului de rețea mai mare al AlGaN intrinsec pentru a se potrivi pe AlN fără a introduce defecte.
Substraturile AlN de înaltă calitate în vrac au fost create de BENWEI, permițând o absorbție internă mai mică și o eficiență internă mai mare. Aceste substraturi oferă LED-uri de calitate superioară, mai puternice, cu lungimi de undă în regiunea germicidă, care sunt utilizate în producția de LED-uri și bunuri Klaran UVC.
