Как работи UVC LED
Как наистина функционират UVC светодиодите е популярно запитване от фирми, които търсят UVC светодиоди за целите на дезинфекцията. В тази статия описваме работата на тази технология.
Принципи на светодиодите като цяло
Когато ток се провежда през светодиод (LED), полупроводниково устройство, той излъчва светлина. Докато изключително чистите, бездефектни полупроводници (известни също като присъщи полупроводници) обикновено провеждат електричество много неефективно, към полупроводника могат да се добавят добавки, за да се промени неговата проводимост към положително заредени дупки (n-тип полупроводник) или отрицателно заредени електрони (p- тип полупроводник).
Pn преход, където p-тип полупроводник е поставен върху n-тип полупроводник, съставлява светодиод. Когато се даде преднапрежение (или напрежение), дупките в p-тип материала се избутват в обратна посока (тъй като са положително заредени) към n-тип материала.
По подобен начин електроните в областта от n-тип се изтласкват към областта от p-тип. Електроните и дупките ще се комбинират на кръстовището между p-тип и n-тип материали и всяко събитие на рекомбинация ще доведе до производството на квант енергия, който е присъща характеристика на полупроводника, където се случва рекомбинацията.
Във валентната лента на полупроводника се произвеждат дупки, докато в лентата на проводимост се произвеждат електрони. Енергията на забранената зона, която се отнася до енергийната разлика между зоната на проводимост и валентната лента, се управлява от свойствата на свързване на полупроводника.
Единичен фотон светлина с енергия и дължина на вълната (двете са свързани помежду си чрез уравнението на Планк), продиктувани от забранената лента на материала, използван в активната област на устройството, се произвежда чрез радиационна рекомбинация.
Нерадиационната рекомбинация е друга възможност, когато енергията, генерирана от рекомбинацията на електрони и дупки, води до топлина вместо светлинни фотони. В полупроводниците с директна забранена лента тези процеси на нерадиационна рекомбинация включват електронни състояния със средна пролука, предизвикани от дефекти.
Ние се стремим да подобрим дела на радиационната рекомбинация спрямо нерадиационната рекомбинация, защото искаме нашите светодиоди да излъчват светлина, а не топлина. За да направите това, един метод е да добавите ограничаващи носителя слоеве и квантови ямки към активната област на диода в опит да повишите концентрацията на електрони и дупки, които при правилните обстоятелства са подложени на рекомбинация.
Намалената концентрация на дефекти в активната зона на устройството, което води до нерадиационна рекомбинация, е друг решаващ фактор. Тъй като дислокациите са основният източник на центрове за нерадиационна рекомбинация, те играят решаваща роля в оптоелектрониката. Дислокациите могат да бъдат резултат от различни фактори, но за да се постигне ниска плътност, слоевете от n- и p-тип, които съставляват активната област на светодиода, трябва винаги да се отглеждат върху решетъчно съвпадащ субстрат. Ако не, дислокациите ще бъдат добавени, за да се отчете промяната в структурата на кристалната решетка.
Следователно, максимизирането на LED производителността включва намаляване на плътността на дислокациите, като същевременно повишава скоростта на радиационна рекомбинация в сравнение със скоростта на нерадиационна рекомбинация.
Светодиоди UVC
Приложенията за ултравиолетови (UV) светодиоди включват обработка на вода, оптично съхранение на данни, комуникации, откриване на биологични агенти и втвърдяване на полимери. Дължини на вълните между 100 nm до 280 nm се наричат UVC част от UV спектъра.
Идеалната дължина на вълната за дезинфекция е между 260 и 270 nm, като по-дългите дължини на вълната произвеждат експоненциално по-ниска бактерицидна ефективност. В сравнение с конвенционалните живачни лампи, UVC светодиодите осигуряват редица предимства, включително липсата на опасни материали, мигновено включване/изключване без ограничения на цикъла, намалена консумация на топлина с фокусирано извличане на топлина и повишена издръжливост.
В случай на UVC светодиоди е необходим по-голям молен процент на алуминий за генериране на емисия с къса дължина на вълната (260 nm до 270 nm за дезинфекция), което прави разработването и легирането на материала предизвикателство. Исторически погледнато, сапфирът е най-широко използваният субстрат за III-нитриди, тъй като насипните субстрати, съответстващи на решетката, не са лесно достъпни. Значителното несъответствие на решетката между сапфира и AlGaN структурата с високо съдържание на Al на UVC светодиодите причинява повече нерадиационна рекомбинация (дефекти).
Разликата между двете технологии изглежда е по-слабо изразена в UVB диапазона и при по-дълги дължини на вълните, където несъответствието на решетката с AlN е по-голямо, тъй като са необходими по-високи концентрации на Ga. Този ефект изглежда се влошава при по-висока концентрация на Al, така че базираните на сапфир UVC светодиоди са склонни да намаляват мощността си при дължини на вълните, по-къси от 280 nm, по-бързо от базираните на AlN UVC светодиоди.
Псевдоморфният растеж върху нативни AlN субстрати произвежда атомно плоски слоеве с нисък дефект с пикова мощност при 265 nm, което съответства както на максималната бактерицидна абсорбция, така и намалява ефектите от несигурността, предизвикана от спектрално зависимата сила на абсорбция. Това се постига чрез компресиране на по-големия параметър на решетката на присъщия AlGaN, за да пасне на AlN, без да се внасят дефекти.
Висококачествени насипни решетъчно съвпадащи AlN субстрати са създадени от BENWEI, което позволява по-ниска вътрешна абсорбция и по-голяма вътрешна ефективност. Тези субстрати осигуряват по-висококачествени, по-мощни светодиоди с дължини на вълните в бактерицидната област, които се използват в производството на UVC светодиоди и стоки Klaran.
