Jak działa dioda UVC
Jak naprawdę działają diody LED UVC, jest popularnym pytaniem ze strony firm poszukujących diod UVC LED do celów dezynfekcji. W tym artykule opisujemy działanie tej technologii.
Ogólne zasady działania diod LED
Kiedy prąd przepływa przez diodę elektroluminescencyjną (LED), urządzenie półprzewodnikowe, emituje światło. Podczas gdy niezwykle czyste, wolne od defektów półprzewodniki (znane również jako półprzewodniki samoistne) zazwyczaj przewodzą prąd elektryczny bardzo nieefektywnie, do półprzewodnika można dodać domieszki, aby zmienić jego przewodnictwo w dodatnio naładowane dziury (półprzewodnik typu n) lub ujemnie naładowane elektrony (p- typu półprzewodnikowego).
Złącze pn, w którym półprzewodnik typu p jest umieszczony na wierzchu półprzewodnika typu n, tworzy diodę LED. Gdy podane jest przesunięcie (lub napięcie), dziury w materiale typu p są wypychane w przeciwnym kierunku (ponieważ są naładowane dodatnio) w kierunku materiału typu n.
Podobnie elektrony w regionie typu n są wypychane w kierunku regionu typu p. Elektrony i dziury połączą się na styku materiałów typu p i typu n, a każde zdarzenie rekombinacji spowoduje wytworzenie kwantowej energii, która jest nieodłączną cechą półprzewodnika, w którym zachodzi rekombinacja.
W paśmie walencyjnym półprzewodnika powstają dziury, natomiast w paśmie przewodnictwa elektrony. Energia pasma wzbronionego, która odnosi się do różnicy energii między pasmem przewodnictwa a pasmem walencyjnym, zależy od właściwości wiązania półprzewodnika.
Pojedynczy foton światła o energii i długości fali (oba są ze sobą połączone równaniem Plancka) podyktowanych pasmem wzbronionym materiału wykorzystywanego w aktywnym obszarze urządzenia jest wytwarzany poprzez rekombinację promieniowania.
Inną możliwością jest rekombinacja niepromienista, w której energia generowana przez rekombinację elektronów i dziur skutkuje powstaniem ciepła zamiast fotonów światła. W półprzewodnikach z bezpośrednim pasmem wzbronionym te niepromieniste procesy rekombinacji obejmują stany elektroniczne w środkowej przerwie spowodowane wadami.
Naszym celem jest poprawa proporcji rekombinacji radiacyjnej w stosunku do rekombinacji niepromienistej, ponieważ chcemy, aby nasze diody LED emitowały światło, a nie ciepło. Aby to zrobić, jedną z metod jest dodanie warstw ograniczających nośniki i studni kwantowych do obszaru aktywnego diody w celu zwiększenia koncentracji elektronów i dziur, które w odpowiednich warunkach przechodzą rekombinację.
Kolejnym istotnym czynnikiem jest zmniejszona koncentracja defektów w obszarze aktywnym urządzenia, prowadząca do rekombinacji nieradiacyjnej. Ponieważ dyslokacje są głównym źródłem niepromienistych centrów rekombinacji, odgrywają one kluczową rolę w optoelektronice. Dyslokacje mogą wynikać z różnych czynników, ale aby osiągnąć niską gęstość, warstwy typu n i p, które tworzą aktywny obszar diody LED, muszą zawsze rosnąć na podłożu dopasowanym do sieci. Jeśli nie, zostaną dodane dyslokacje, aby uwzględnić zmiany w strukturze sieci krystalicznej.
Dlatego maksymalizacja wydajności diod LED wymaga zmniejszenia gęstości dyslokacji przy jednoczesnym zwiększeniu szybkości rekombinacji radiacyjnej w porównaniu z szybkością rekombinacji niepromienistej.
diody UVC
Zastosowania diod LED emitujących światło ultrafioletowe (UV) obejmują uzdatnianie wody, optyczne przechowywanie danych, komunikację, wykrywanie czynników biologicznych i utwardzanie polimerów. Długości fal od 100 nm do 280 nm są określane jako część UVC widma UV.
Idealna długość fali do dezynfekcji wynosi od 260 do 270 nm, przy czym dłuższe fale powodują wykładniczo mniejszą skuteczność bakteriobójczą. W porównaniu z konwencjonalnymi lampami rtęciowymi, diody UVC LED zapewniają szereg korzyści, w tym brak materiałów niebezpiecznych, natychmiastowe włączanie/wyłączanie bez ograniczeń cyklu, zmniejszone zużycie ciepła dzięki skupionemu odprowadzaniu ciepła i zwiększoną trwałość.
W przypadku diod LED UVC do wytworzenia emisji o krótkiej długości fali (260 nm do 270 nm do dezynfekcji) niezbędny jest większy procent molowy aluminium, co utrudnia opracowanie i domieszkowanie materiału. Historycznie szafir był najczęściej stosowanym podłożem dla azotków III, ponieważ podłoża o dopasowanej sieci luzem nie były łatwo dostępne. Znaczne niedopasowanie sieci między szafirem a strukturą AlGaN o wysokiej zawartości Al w diodach UVC LED powoduje więcej rekombinacji niepromienistej (defekty).
Różnica między tymi dwiema technologiami wydaje się być mniej wyraźna w zakresie UVB i przy dłuższych długościach fal, gdzie niedopasowanie sieci z AlN jest większe, ponieważ wymagane są wyższe stężenia Ga. Efekt ten wydaje się pogarszać przy wyższym stężeniu Al, więc diody UVC na bazie szafiru mają tendencję do spadku mocy przy długości fali krótszej niż 280 nm szybciej niż diody UVC na bazie AlN.
Pseudomorficzny wzrost na natywnych podłożach AlN wytwarza atomowo płaskie warstwy o niskim poziomie defektów z mocą szczytową przy 265 nm, co odpowiada zarówno maksymalnej absorpcji bakteriobójczej, jak i zmniejsza skutki niepewności spowodowanej siłą absorpcji zależną od widma. Osiąga się to poprzez kompresję większego parametru siatki wewnętrznego AlGaN, aby dopasować go do AlN bez wprowadzania defektów.
BENWEI stworzył wysokiej jakości substraty AlN z dopasowaniem sieciowym, co pozwala na niższą absorpcję wewnętrzną i większą wydajność wewnętrzną. Podłoża te zapewniają wyższą jakość, mocniejsze diody LED o długości fali w obszarze bakteriobójczym, które są wykorzystywane do produkcji diod LED UVC firmy Klaran i innych towarów.
