Hvordan en UVC LED fungerer
Hvordan UVC-lysdioder virkelig fungerer er et populært spørsmål fra bedrifter som ser på UVC-lysdioder for desinfeksjonsformål. I denne artikkelen beskriver vi hvordan denne teknologien fungerer.
Prinsipper for LED generelt
Når en strøm ledes gjennom en lysemitterende diode (LED), en halvlederenhet, sender den ut lys. Mens ekstremt rene, defektfrie halvledere (også kjent som iboende halvledere) vanligvis leder elektrisitet svært ineffektivt, kan dopingstoffer tilsettes halvlederen for å endre dens ledningsevne til enten positivt ladede hull (n-type halvleder) eller negativt ladede elektroner (p- type halvleder).
Et pn-kryss, hvor en p-type halvleder er plassert på toppen av en n-type halvleder, utgjør en LED. Når en foroverforspenning (eller spenning) er gitt, skyves hull i p-type materialet i motsatt retning (ettersom de er positivt ladet) mot n-type materialet.
På samme måte skyves elektroner i n-type-området mot p-type-området. Elektronene og hullene vil kombineres i krysset mellom p-type og n-type materialer, og hver rekombinasjonshendelse vil resultere i produksjon av et kvantum av energi som er et iboende trekk ved halvlederen der rekombinasjonen skjer.
I halvlederens valensbånd produseres hull, mens elektroner produseres i ledningsbåndet. Båndgap-energien, som refererer til energiforskjellen mellom ledningsbåndet og valensbåndet, styres av halvlederens bindingsegenskaper.
Et enkelt foton av lys med en energi og bølgelengde (de to er forbundet med hverandre ved Plancks ligning) diktert av båndgapet til materialet som brukes i det aktive området av enheten, produseres via strålingsrekombinasjon.
Ikke-strålende rekombinasjon er en annen mulighet når energien som genereres av elektron- og hullrekombinasjonen resulterer i varme i stedet for lysfotoner. I direkte båndgap-halvledere inkluderer disse ikke-strålende rekombinasjonsprosessene elektroniske tilstander med mellomgap forårsaket av feil.
Vi tar sikte på å forbedre andelen strålingsrekombinasjon i forhold til ikke-strålende rekombinasjon fordi vi vil at LED-ene våre skal avgi lys i stedet for varme. For å gjøre dette er en metode å legge til bærerbegrensende lag og kvantebrønner til diodens aktive område i et forsøk på å øke konsentrasjonen av elektronene og hullene som, under de riktige omstendighetene, gjennomgår rekombinasjon.
Redusert defektkonsentrasjon i enhetens aktive område, som fører til ikke-strålende rekombinasjon, er en annen avgjørende faktor. Fordi dislokasjoner er hovedkilden til ikke-strålende rekombinasjonssentre, spiller de en avgjørende rolle i optoelektronikk. Dislokasjoner kan skyldes en rekke faktorer, men for å oppnå en lav tetthet må n- og p-typelagene som utgjør det aktive området til LED alltid dyrkes på et gittertilpasset underlag. Hvis ikke, vil dislokasjoner bli lagt til for å ta høyde for variasjonen i krystall-gitterstrukturen.
Derfor innebærer maksimering av LED-ytelsen å redusere dislokasjonstetthetene samtidig som den øker strålingsrekombinasjonshastigheten sammenlignet med ikke-strålingsrekombinasjonshastigheten.
LED UVC
Bruksområder for ultrafiolette (UV) lysdioder inkluderer behandling av vann, optisk datalagring, kommunikasjon, påvisning av biologiske midler og herding av polymerer. Bølgelengder mellom 100 nm og 280 nm blir referert til som UVC-delen av UV-spekteret.
Den ideelle bølgelengden for desinfeksjon er mellom 260 og 270 nm, med lengre bølgelengder som gir eksponentielt mindre bakteriedrepende effektivitet. Sammenlignet med konvensjonelle kvikksølvlamper gir UVC-LED en rekke fordeler, inkludert fravær av farlige materialer, øyeblikkelig av/på-kobling uten syklusbegrensninger, redusert varmeforbruk med fokusert varmeuttak og økt holdbarhet.
Når det gjelder UVC-lysdioder, er en større molprosent av aluminium nødvendig for å generere emisjon med kort bølgelengde (260 nm til 270 nm for desinfeksjon), noe som gjør utviklingen og dopingen av materialet utfordrende. Historisk sett var safir det mest brukte substratet for III-nitridene siden bulkgittertilpassede substrater ikke var lett tilgjengelige. Et betydelig gittermisforhold mellom safir og AlGaN-strukturen med høyt Al-innhold til UVC-LED forårsaker mer ikke-strålende rekombinasjon (defekter).
Forskjellen mellom de to teknologiene ser ut til å være mindre uttalt i UVB-området og ved lengre bølgelengder, hvor gitter-mismatchen med AlN er større fordi høyere konsentrasjoner av Ga er nødvendig. Denne effekten ser ut til å bli verre ved høyere Al-konsentrasjon, så safirbaserte UVC-lysdioder har en tendens til å falle i kraft ved bølgelengder kortere enn 280 nm raskere enn AlN-baserte UVC-lysdioder.
Pseudomorf vekst på native AlN-substrater produserer atomisk flate, lave defekte lag med en toppeffekt ved 265 nm, som tilsvarer både den maksimale bakteriedrepende absorpsjonen og også reduserer effekten av usikkerhet forårsaket av spektralavhengig absorpsjonsstyrke. Dette oppnås ved å komprimere den større gitterparameteren til iboende AlGaN for å passe på AlN uten å introdusere defekter.
Høykvalitets bulk gitter-match AlN-substrater er laget av BENWEI, noe som gir lavere intern absorpsjon og større intern effektivitet. Disse underlagene gir høyere kvalitet, mer potente lysdioder med bølgelengder i bakteriedrepende regionen, som brukes i produksjonen av Klaran UVC-lysdioder og varer.
