Kako UVC LED radi
Kako UVC LED diode zaista funkcionišu je popularan upit kompanija koje gledaju na UVC LED diode u svrhu dezinfekcije. U ovom članku opisujemo rad ove tehnologije.
Principi LED dioda općenito
Kada se struja provodi kroz diodu koja emituje svjetlost (LED), poluvodički uređaj, ona emituje svjetlost. Dok izuzetno čisti poluprovodnici bez defekata (također poznati kao intrinzični poluprovodnici) obično vrlo neefikasno provode električnu energiju, dodaci se mogu dodati u poluvodič kako bi promijenili njegovu provodljivost u pozitivno nabijene rupe (n-tip poluvodiča) ili negativno nabijene elektrone (p- tip poluprovodnika).
Pn spoj, gdje je poluvodič p-tipa postavljen na vrh poluvodiča n-tipa, čini LED. Kada se daje prednapon (ili napon), rupe u materijalu p-tipa se guraju u suprotnom smjeru (pošto su pozitivno nabijene) prema materijalu n-tipa.
Slično, elektroni u oblasti n-tipa guraju se prema oblasti p-tipa. Elektroni i rupe će se kombinirati na spoju između materijala p-tipa i n-tipa, a svaki događaj rekombinacije će rezultirati proizvodnjom kvanta energije koja je inherentna karakteristika poluvodiča gdje se rekombinacija događa.
U valentnom pojasu poluprovodnika nastaju rupe, dok se u vodljivom pojasu stvaraju elektroni. Energija pojasnog razmaka, koja se odnosi na energetsku razliku između pojasa provodljivosti i valentnog pojasa, je vođena svojstvima vezivanja poluvodiča.
Jedan foton svjetlosti s energijom i talasnom dužinom (dva su međusobno povezana Planck-ovom jednačinom) diktiranim pojasnim razmakom materijala koji se koristi u aktivnom području uređaja proizvodi se rekombinacijom zračenja.
Neradijativna rekombinacija je još jedna mogućnost, kada energija generirana rekombinacijom elektrona i rupa rezultira toplinom umjesto svjetlosnim fotonima. U poluvodičima s direktnim razmakom, ovi procesi rekombinacije bez zračenja uključuju elektronska stanja srednjeg razmaka uzrokovana nedostacima.
Cilj nam je poboljšati udio radijativne rekombinacije u odnosu na rekombinaciju bez zračenja jer želimo da naše LED diode emituju svjetlost umjesto topline. Da bi se to postiglo, jedna metoda je dodavanje slojeva koji ograničavaju nosioce i kvantnih bunara u aktivno područje diode u nastojanju da se poveća koncentracija elektrona i rupa koje, pod ispravnim okolnostima, prolaze kroz rekombinaciju.
Smanjena koncentracija defekta u aktivnom području uređaja, što dovodi do neradijativne rekombinacije, je još jedan ključni faktor. Budući da su dislokacije glavni izvor centara rekombinacije bez zračenja, one igraju ključnu ulogu u optoelektronici. Dislokacije mogu biti rezultat raznih faktora, ali da bi se postigla niska gustoća, slojevi n- i p-tipa koji čine aktivnu površinu LED-a uvijek moraju biti uzgajani na podlozi usklađenoj s rešetkom. Ako ne, dislokacije će biti dodane kako bi se objasnile varijacije u strukturi kristalne rešetke.
Stoga, maksimiziranje performansi LED-a podrazumijeva smanjenje gustine dislokacija uz povećanje brzine radijacijske rekombinacije u usporedbi sa stopom rekombinacije bez zračenja.
LED diode UVC
Primjene za ultraljubičaste (UV) LED diode uključuju tretman vode, optičko skladištenje podataka, komunikacije, detekciju bioloških agenasa i očvršćavanje polimera. Talasna dužina između 100 nm i 280 nm se naziva UVC dio UV spektra.
Idealna talasna dužina za dezinfekciju je između 260 i 270 nm, pri čemu duže talasne dužine proizvode eksponencijalno manju germicidnu efikasnost. U poređenju sa konvencionalnim živinim lampama, UVC LED diode pružaju niz prednosti, uključujući odsustvo opasnih materijala, trenutno uključivanje/isključivanje bez ograničenja ciklusa, smanjenu potrošnju toplote sa fokusiranim odvođenjem toplote i povećanu izdržljivost.
U slučaju UVC LED dioda, veći je postotak mola aluminija neophodan za generiranje emisije kratke talasne dužine (260 nm do 270 nm za dezinfekciju), što razvoj i dopiranje materijala čini izazovnim. Istorijski gledano, safir je bio najčešće korišteni supstrat za III-nitride, budući da supstrati usklađeni s rešetkom nisu bili lako dostupni. Značajna neusklađenost rešetke između safira i strukture sa visokim sadržajem AlGaN UVC LED dioda uzrokuje više neradijativne rekombinacije (defekte).
Čini se da je razlika između ove dvije tehnologije manje izražena u UVB opsegu i na dužim talasnim dužinama, gdje je neusklađenost rešetke sa AlN veća jer su potrebne veće koncentracije Ga. Čini se da se ovaj efekat pogoršava pri višoj koncentraciji Al, tako da UVC LED diode na bazi safira imaju tendenciju pada snage na talasnim dužinama kraćim od 280 nm brže od UVC LED dioda na bazi AlN.
Pseudomorfni rast na nativnim AlN supstratima proizvodi atomski ravne slojeve sa niskim defektima sa vršnom snagom na 265 nm, što odgovara i maksimalnoj germicidnoj apsorpciji i takođe smanjuje efekte nesigurnosti uzrokovane spektralno zavisnom apsorpcionom jačinom. Ovo se postiže kompresijom većeg parametra rešetke intrinzičnog AlGaN da stane na AlN bez unošenja defekata.
BENWEI je kreirao visokokvalitetne AlN podloge sa rešetkastim spojem, omogućavajući nižu unutrašnju apsorpciju i veću unutrašnju efikasnost. Ovi supstrati pružaju kvalitetnije, snažnije LED diode s valnim dužinama u germicidnoj regiji, koje se koriste u proizvodnji Klaran UVC LED dioda i robe.
