كيف يعمل مصباح UVC LED
كيف تعمل مصابيح UVC LED حقًا هو استعلام شائع من الشركات التي تبحث عن مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية لأغراض التطهير. في هذه المقالة ، نصف طريقة عمل هذه التكنولوجيا.
مبادئ المصابيح بشكل عام
عندما يتم توصيل تيار من خلال الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) ، جهاز أشباه الموصلات ، فإنه ينبعث منه الضوء. في حين أن أشباه الموصلات شديدة النقاء والخالية من العيوب (تُعرف أيضًا باسم أشباه الموصلات الجوهرية) عادةً ما توصل الكهرباء بشكل غير فعال للغاية ، يمكن إضافة المواد المشبعة إلى أشباه الموصلات لتغيير موصليةها إما إلى ثقوب موجبة الشحنة (نوع أشباه الموصلات) أو إلكترونات سالبة الشحنة (p- اكتب أشباه الموصلات).
يشكل تقاطع pn ، حيث يتم وضع أشباه الموصلات من النوع p أعلى أشباه الموصلات من النوع n ، مؤشر LED. عندما يتم إعطاء تحيز أمامي (أو جهد) ، يتم دفع الثقوب الموجودة في المادة من النوع p في الاتجاه المعاكس (لأنها مشحونة بشكل إيجابي) نحو المادة من النوع n.
وبالمثل ، يتم دفع الإلكترونات الموجودة في المنطقة من النوع n باتجاه منطقة النوع p. سوف تتحد الإلكترونات والثقوب عند التقاطع بين المواد من النوع p و n ، وسيؤدي كل حدث إعادة تركيب إلى إنتاج كمية من الطاقة التي هي سمة متأصلة في أشباه الموصلات حيث يحدث إعادة التركيب.
في نطاق التكافؤ لأشباه الموصلات ، يتم إنتاج ثقوب ، بينما يتم إنتاج الإلكترونات في نطاق التوصيل. تخضع طاقة فجوة النطاق ، التي تشير إلى فرق الطاقة بين نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ ، لخصائص ترابط أشباه الموصلات.
يتم إنتاج فوتون واحد من الضوء مع طاقة وطول موجة (كلاهما متصل ببعضهما البعض بواسطة معادلة بلانك) التي تمليها فجوة نطاق المواد المستخدمة في المنطقة النشطة للجهاز عن طريق إعادة التركيب الإشعاعي.
إعادة التركيب غير الإشعاعي هو احتمال آخر ، عندما ينتج عن الطاقة المتولدة من الإلكترون وإعادة تركيب الثقب حرارة بدلاً من فوتونات الضوء. في أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة المباشرة ، تشتمل عمليات إعادة التركيب غير الإشعاعية هذه على حالات إلكترونية متوسطة الفجوة ناتجة عن عيوب.
نهدف إلى تحسين نسبة إعادة التركيب الإشعاعي بالنسبة إلى إعادة التركيب غير الإشعاعي لأننا نريد أن تصدر مصابيح LED الخاصة بنا الضوء بدلاً من الحرارة. للقيام بذلك ، تتمثل إحدى الطرق في إضافة طبقات حاملة للناقل وآبار كمومية إلى المنطقة النشطة للديود في محاولة لزيادة تركيز الإلكترونات والثقوب التي تخضع ، في ظل الظروف الصحيحة ، لإعادة التركيب.
يعد انخفاض تركيز الخلل في المنطقة النشطة للجهاز ، والذي يؤدي إلى إعادة التركيب غير الإشعاعي ، عاملاً حاسمًا آخر. نظرًا لأن الاضطرابات هي المصدر الرئيسي لمراكز إعادة التركيب غير الإشعاعي ، فإنها تلعب دورًا مهمًا في الإلكترونيات الضوئية. يمكن أن تنتج الاضطرابات عن مجموعة متنوعة من العوامل ، ولكن من أجل تحقيق كثافة منخفضة ، يجب دائمًا زراعة الطبقات من النوع n و p التي تشكل المنطقة النشطة من LED على ركيزة متطابقة مع الشبكة. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسيتم إضافة الاضطرابات لحساب التباين في بنية الشبكة البلورية.
لذلك ، يستلزم تعظيم أداء LED تقليل كثافات الخلع مع زيادة معدل إعادة التركيب الإشعاعي مقارنة بمعدل إعادة التركيب غير الإشعاعي.
المصابيح UVC
تشمل تطبيقات المصابيح فوق البنفسجية (UV) معالجة المياه ، وتخزين البيانات الضوئية ، والاتصالات ، واكتشاف العوامل البيولوجية ، ومعالجة البوليمرات. يشار إلى الأطوال الموجية بين 100 نانومتر إلى 280 نانومتر على أنها جزء الأشعة فوق البنفسجية من طيف الأشعة فوق البنفسجية.
يتراوح الطول الموجي المثالي للتطهير بين 260 و 270 نانومتر ، مع أطوال موجية أطول تنتج كفاءة أقل بشكل كبير في مبيدات الجراثيم. بالمقارنة مع مصابيح الزئبق التقليدية ، توفر مصابيح LED UVC عددًا من المزايا ، بما في ذلك عدم وجود مواد خطرة ، وتشغيل / إيقاف التشغيل الفوري بدون قيود الدورة ، وتقليل استهلاك الحرارة مع الاستخراج المركّز للحرارة ، وزيادة المتانة.
في حالة مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية ، يلزم وجود نسبة أكبر من الألمنيوم لتوليد انبعاث موجي قصير (260 نانومتر إلى 270 نانومتر للتطهير) ، مما يجعل تطوير المادة وتعاطيها أمرًا صعبًا. من الناحية التاريخية ، كان الياقوت هو الركيزة الأكثر استخدامًا للنتريد III نظرًا لأنه لم يكن من السهل الوصول إلى الركائز المتوافقة مع الشبكة الشبكية. يؤدي عدم تطابق كبير في الشبكة بين الياقوت وبنية AlGaN عالية المحتوى لمصابيح UVC LED إلى مزيد من إعادة التركيب غير الإشعاعي (العيوب).
يبدو أن الفرق بين التقنيتين أقل وضوحًا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية وأطوال موجية أطول ، حيث يكون عدم تطابق الشبكة مع AlN أكبر بسبب الحاجة إلى تركيزات أعلى من Ga. يبدو أن هذا التأثير يزداد سوءًا عند تركيز Al العالي ، لذلك تميل مصابيح LED UVC المستندة إلى الياقوت إلى انخفاض الطاقة عند أطوال موجية أقصر من 280 نانومتر أسرع من مصابيح UVC المستندة إلى AlN.
ينتج النمو الزائف الشكل على ركائز AlN الأصلية طبقات عيوب مسطحة ذريًا منخفضة بقوة ذروة عند 265 نانومتر ، وهو ما يتوافق مع أقصى امتصاص للجراثيم ويقلل أيضًا من تأثيرات عدم اليقين الناتجة عن قوة الامتصاص المعتمدة على الطيف. يتم تحقيق ذلك عن طريق ضغط المعلمة الشبكية الأكبر لـ AlGaN الجوهرية لتلائم AlN دون إحداث عيوب.
تم إنشاء ركائز AlN ذات جودة عالية مطابقة للشبكة الشبكية بواسطة BENWEI ، مما يسمح بامتصاص داخلي أقل وكفاءة داخلية أكبر. توفر هذه الركائز مصابيح LED عالية الجودة وأكثر فاعلية بأطوال موجية في منطقة مبيدات الجراثيم ، والتي يتم استخدامها في إنتاج Klaran UVC LEDs والسلع.
