Kako radi UVC LED
Kako UVC LED diode uistinu funkcioniraju popularan je upit tvrtki koje gledaju UVC LED diode u svrhu dezinfekcije. U ovom članku opisujemo funkcioniranje ove tehnologije.
Principi LED dioda općenito
Kada se struja provodi kroz diodu koja emitira svjetlost (LED), poluvodički uređaj, ona emitira svjetlost. Dok izuzetno čisti poluvodiči bez grešaka (također poznati kao intrinzični poluvodiči) obično vrlo neučinkovito provode električnu energiju, poluvodiču se mogu dodati dopanti kako bi se promijenila njegova vodljivost prema pozitivno nabijenim rupama (poluvodič n-tipa) ili negativno nabijenim elektronima (p- vrsta poluvodiča).
Pn spoj, gdje se poluvodič p-tipa postavlja na vrh poluvodiča n-tipa, čini LED. Kada se zada prednapon (ili napon), rupe u materijalu p-tipa guraju se u suprotnom smjeru (budući da su pozitivno nabijene) prema materijalu n-tipa.
Slično, elektroni u području n-tipa guraju se prema području p-tipa. Elektroni i šupljine će se kombinirati na spoju između p-tipa i n-tipa materijala, a svaki događaj rekombinacije će rezultirati proizvodnjom kvantuma energije koji je inherentna značajka poluvodiča u kojem se rekombinacija događa.
U valentnom pojasu poluvodiča nastaju šupljine, dok se u vodljivom pojasu stvaraju elektroni. Energija zabranjenog pojasa, koja se odnosi na energetsku razliku između vodljivog i valentnog pojasa, određena je svojstvima vezivanja poluvodiča.
Pojedinačni foton svjetlosti s energijom i valnom duljinom (ovo dvoje međusobno je povezano Planckovom jednadžbom) diktiranim razmakom pojasa materijala koji se koristi u aktivnom području uređaja proizvodi se rekombinacijom zračenja.
Neradijativna rekombinacija je još jedna mogućnost, kada energija generirana rekombinacijom elektrona i šupljina rezultira toplinom umjesto svjetlosnim fotonima. U poluvodičima s izravnim razmakom, ovi procesi neradijacijske rekombinacije uključuju elektronska stanja srednjeg razmaka uzrokovana greškama.
Cilj nam je poboljšati udio radijacijske rekombinacije u odnosu na neradijativnu rekombinaciju jer želimo da naše LED diode emitiraju svjetlost, a ne toplinu. Da bi se to postiglo, jedna metoda je dodavanje slojeva koji ograničavaju nosioce i kvantnih jažica aktivnom području diode u nastojanju da se poveća koncentracija elektrona i šupljina koje, pod ispravnim okolnostima, prolaze kroz rekombinaciju.
Smanjena koncentracija defekata u aktivnom području uređaja, što dovodi do rekombinacije bez zračenja, još je jedan ključni faktor. Budući da su dislokacije glavni izvor centara neradijacijske rekombinacije, one igraju ključnu ulogu u optoelektronici. Dislokacije mogu biti rezultat raznih čimbenika, ali kako bi se postigla niska gustoća, slojevi n- i p-tipa koji čine aktivno područje LED-a moraju se uvijek uzgajati na podlozi koja odgovara rešetki. Ako nije, dislokacije će se dodati kako bi se objasnile varijacije u strukturi kristalne rešetke.
Stoga maksimiziranje učinkovitosti LED-a podrazumijeva smanjenje gustoće dislokacija uz istodobno povećanje brzine radijacijske rekombinacije u usporedbi s brzinom neradijacijske rekombinacije.
LED diode UVC
Primjene ultraljubičastih (UV) LED dioda uključuju obradu vode, optičku pohranu podataka, komunikaciju, detekciju bioloških agenasa i stvrdnjavanje polimera. Valne duljine između 100 nm do 280 nm nazivaju se UVC dijelom UV spektra.
Idealna valna duljina za dezinfekciju je između 260 i 270 nm, pri čemu duže valne duljine proizvode eksponencijalno manju germicidnu učinkovitost. U usporedbi s konvencionalnim živinim žaruljama, UVC LED diode pružaju niz prednosti, uključujući odsutnost opasnih materijala, trenutačno uključivanje/isključivanje bez ograničenja ciklusa, smanjenu potrošnju topline s fokusiranim izdvajanjem topline i povećanu trajnost.
U slučaju UVC LED dioda, potreban je veći molarni postotak aluminija za generiranje emisije kratke valne duljine (260 nm do 270 nm za dezinfekciju), što razvoj i dopiranje materijala čini izazovnim. Povijesno gledano, safir je bio najčešće korišteni supstrat za III-nitride budući da masovni supstrati koji se podudaraju s rešetkom nisu bili lako dostupni. Značajna neusklađenost rešetke između safira i AlGaN strukture UVC LED s visokim udjelom Al uzrokuje više neradijacijske rekombinacije (defekata).
Čini se da je razlika između dviju tehnologija manje izražena u UVB rasponu i na dužim valnim duljinama, gdje je neusklađenost rešetke s AlN veća jer su potrebne veće koncentracije Ga. Čini se da se ovaj učinak pogoršava pri većoj koncentraciji Al, tako da UVC LED diode na bazi safira imaju tendenciju pada snage na valnim duljinama kraćim od 280 nm brže od UVC LED dioda na bazi AlN.
Pseudomorfni rast na nativnim AlN supstratima proizvodi atomski ravne slojeve s malim defektima s vršnom snagom na 265 nm, što odgovara i maksimalnoj germicidnoj apsorpciji i također smanjuje učinke nesigurnosti izazvane snagom apsorpcije koja ovisi o spektru. To se postiže komprimiranjem većeg parametra rešetke intrinzičnog AlGaN da stane na AlN bez unošenja defekata.
BENWEI je stvorio visokokvalitetne AlN supstrate koji se podudaraju s rešetkom, što omogućuje nižu unutarnju apsorpciju i veću unutarnju učinkovitost. Ovi supstrati daju kvalitetnije, jače LED diode s valnim duljinama u germicidnom području, koje se koriste u proizvodnji Klaran UVC LED dioda i robe.
