Πώς λειτουργεί ένα UVC LED
Το πώς λειτουργούν πραγματικά τα UVC LED είναι ένα δημοφιλές ερώτημα από επιχειρήσεις που εξετάζουν τα LED UVC για σκοπούς απολύμανσης. Σε αυτό το άρθρο, περιγράφουμε τη λειτουργία αυτής της τεχνολογίας.
Αρχές των LED γενικά
Όταν ένα ρεύμα διεξάγεται μέσω μιας διόδου εκπομπής φωτός (LED), μιας συσκευής ημιαγωγών, εκπέμπει φως. Ενώ οι εξαιρετικά καθαροί, χωρίς ελαττώματα ημιαγωγοί (επίσης γνωστοί ως ενδογενείς ημιαγωγοί) συνήθως άγουν τον ηλεκτρισμό πολύ αναποτελεσματικά, μπορούν να προστεθούν προσμίξεις στον ημιαγωγό για να αλλάξουν την αγωγιμότητά του είτε σε θετικά φορτισμένες οπές (ημιαγωγός τύπου n) είτε σε αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (p- τύπου ημιαγωγός).
Μια διασταύρωση pn, όπου ένας ημιαγωγός τύπου p τοποθετείται πάνω από έναν ημιαγωγό τύπου n, δημιουργεί ένα LED. Όταν δίνεται μια τάση προς τα εμπρός (ή τάση), οι οπές στο υλικό τύπου p ωθούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση (καθώς είναι θετικά φορτισμένα) προς το υλικό τύπου n.
Ομοίως, τα ηλεκτρόνια στην περιοχή τύπου n ωθούνται προς την περιοχή τύπου p. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές θα ενωθούν στη διασταύρωση μεταξύ των υλικών τύπου p και τύπου n και κάθε γεγονός ανασυνδυασμού θα έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή ενός κβαντικού ενέργειας που είναι εγγενές χαρακτηριστικό του ημιαγωγού όπου συμβαίνει ο ανασυνδυασμός.
Στη ζώνη σθένους του ημιαγωγού παράγονται οπές, ενώ τα ηλεκτρόνια παράγονται στη ζώνη αγωγιμότητας. Η ενέργεια διάκενου ζώνης, η οποία αναφέρεται στη διαφορά ενέργειας μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους, διέπεται από τις ιδιότητες σύνδεσης του ημιαγωγού.
Ένα μόνο φωτόνιο φωτός με ενέργεια και μήκος κύματος (τα δύο συνδέονται μεταξύ τους με την εξίσωση Planck) που υπαγορεύεται από το διάκενο ζώνης του υλικού που χρησιμοποιείται στην ενεργή περιοχή της συσκευής παράγεται μέσω ανασυνδυασμού ακτινοβολίας.
Ο μη ακτινοβολικός ανασυνδυασμός είναι μια άλλη δυνατότητα, όταν η ενέργεια που παράγεται από τον ανασυνδυασμό ηλεκτρονίων και οπών οδηγεί σε θερμότητα αντί για φωτόνια φωτός. Στους ημιαγωγούς άμεσου κενού ζώνης, αυτές οι διαδικασίες ανασυνδυασμού χωρίς ακτινοβολία περιλαμβάνουν ηλεκτρονικές καταστάσεις μεσαίου χάσματος που προκαλούνται από ελαττώματα.
Στόχος μας είναι να βελτιώσουμε την αναλογία του ανασυνδυασμού ακτινοβολίας σε σχέση με τον μη ακτινοβόλο ανασυνδυασμό επειδή θέλουμε τα LED μας να εκπέμπουν φως και όχι θερμότητα. Για να γίνει αυτό, μια μέθοδος είναι να προστεθούν στρώματα που περιορίζουν τον φορέα και κβαντικά φρεάτια στην ενεργή περιοχή της διόδου σε μια προσπάθεια να αυξηθεί η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων και των οπών που, υπό τις σωστές συνθήκες, υφίστανται ανασυνδυασμό.
Η μειωμένη συγκέντρωση ελαττώματος στην ενεργή περιοχή της συσκευής, η οποία οδηγεί σε ανασυνδυασμό χωρίς ακτινοβολία, είναι ένας άλλος κρίσιμος παράγοντας. Επειδή οι εξαρθρώσεις είναι η κύρια πηγή κέντρων ανασυνδυασμού χωρίς ακτινοβολία, παίζουν κρίσιμο ρόλο στην οπτοηλεκτρονική. Οι εξαρθρώσεις μπορεί να προκύψουν από διάφορους παράγοντες, αλλά για να επιτευχθεί χαμηλή πυκνότητα, τα στρώματα τύπου n και p που αποτελούν την ενεργή περιοχή του LED πρέπει πάντα να αναπτύσσονται σε ένα ταιριαστό υπόστρωμα πλέγματος. Εάν όχι, θα προστεθούν εξαρθρήματα για να ληφθεί υπόψη η διακύμανση στη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος.
Επομένως, η μεγιστοποίηση της απόδοσης των LED συνεπάγεται μείωση της πυκνότητας εξάρθρωσης ενώ ενισχύει τον ρυθμό ανασυνδυασμού ακτινοβολίας σε σύγκριση με τον ρυθμό ανασυνδυασμού μη ακτινοβολίας.
LED UVC
Οι εφαρμογές για υπεριώδεις (UV) LED περιλαμβάνουν την επεξεργασία νερού, την αποθήκευση οπτικών δεδομένων, τις επικοινωνίες, την ανίχνευση βιολογικών παραγόντων και τη σκλήρυνση πολυμερών. Τα μήκη κύματος μεταξύ 100 nm και 280 nm αναφέρονται ως το τμήμα UVC του φάσματος UV.
Το ιδανικό μήκος κύματος για απολύμανση είναι μεταξύ 260 και 270 nm, με μεγαλύτερα μήκη κύματος να παράγουν εκθετικά μικρότερη μικροβιοκτόνο αποτελεσματικότητα. Σε σύγκριση με τους συμβατικούς λαμπτήρες υδραργύρου, τα UVC LED παρέχουν μια σειρά από πλεονεκτήματα, όπως η απουσία επικίνδυνων υλικών, η στιγμιαία ενεργοποίηση/απενεργοποίηση χωρίς περιορισμούς κύκλου, η μειωμένη κατανάλωση θερμότητας με εστιασμένη εξαγωγή θερμότητας και η αυξημένη αντοχή.
Στην περίπτωση των UVC LED, απαιτείται μεγαλύτερο ποσοστό mole αλουμινίου για τη δημιουργία εκπομπής μικρού μήκους κύματος (260 nm έως 270 nm για απολύμανση), γεγονός που καθιστά την ανάπτυξη και το ντόπινγκ του υλικού προκλητική. Ιστορικά, το ζαφείρι ήταν το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υπόστρωμα για τα νιτρίδια III, καθώς τα υποστρώματα που ταιριάζουν με πλέγμα δεν ήταν εύκολα προσβάσιμα. Μια σημαντική αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ του ζαφείρι και της δομής AlGaN υψηλής περιεκτικότητας σε Al των UVC LED προκαλεί περισσότερο ανασυνδυασμό χωρίς ακτινοβολία (ελαττώματα).
Η διαφορά μεταξύ των δύο τεχνολογιών φαίνεται να είναι λιγότερο έντονη στην περιοχή UVB και σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, όπου η αναντιστοιχία πλέγματος με το AlN είναι μεγαλύτερη επειδή απαιτούνται υψηλότερες συγκεντρώσεις Ga. Αυτό το φαινόμενο φαίνεται να χειροτερεύει σε υψηλότερη συγκέντρωση Al, επομένως τα UVC LED με βάση το ζαφείρι τείνουν να μειώνουν την ισχύ τους σε μήκη κύματος μικρότερα από 280 nm ταχύτερα από τα UVC LED που βασίζονται σε AlN.
Η ψευδομορφική ανάπτυξη σε φυσικά υποστρώματα AlN παράγει ατομικά επίπεδα στρώματα χαμηλού ελαττώματος με μέγιστη ισχύ στα 265 nm, που αντιστοιχεί τόσο στη μέγιστη μικροβιοκτόνο απορρόφηση όσο και στη μείωση των επιπτώσεων της αβεβαιότητας που προκαλείται από την φασματική εξαρτώμενη ισχύ απορρόφησης. Αυτό επιτυγχάνεται με τη συμπίεση της μεγαλύτερης παραμέτρου πλέγματος του εγγενούς AlGaN για να ταιριάζει στο AlN χωρίς την εισαγωγή ελαττωμάτων.
Υψηλής ποιότητας υποστρώματα AlN ταιριάσματος πλέγματος έχουν δημιουργηθεί από την BENWEI, επιτρέποντας χαμηλότερη εσωτερική απορρόφηση και μεγαλύτερη εσωτερική απόδοση. Αυτά τα υποστρώματα παρέχουν υψηλότερης ποιότητας, πιο ισχυρά LED με μήκη κύματος στη μικροβιοκτόνο περιοχή, τα οποία χρησιμοποιούνται στην παραγωγή LED και προϊόντων Klaran UVC.
