כיצד פועל LED UVC
איך נוריות UVC באמת מתפקדות היא שאילתה פופולרית מעסקים שמסתכלים על נוריות UVC למטרות חיטוי. במאמר זה, אנו מתארים את פעולתה של טכנולוגיה זו.
עקרונות של נוריות בכלל
כאשר זרם מוליך דרך דיודה פולטת אור (LED), התקן מוליכים למחצה, הוא פולט אור. בעוד שמוליכים למחצה טהורים במיוחד ללא פגמים (הידועים גם בתור מוליכים למחצה מהותיים) בדרך כלל מוליכים חשמל בצורה לא יעילה, ניתן להוסיף חומרי דופנט למוליך למחצה כדי לשנות את המוליכות שלו לחורים בעלי מטען חיובי (מוליכים למחצה מסוג n) או אלקטרונים בעלי מטען שלילי (p- סוג מוליך למחצה).
צומת pn, שבו מוליך למחצה מסוג p ממוקם על גבי מוליך למחצה מסוג n, מרכיב נורית LED. כאשר ניתנת הטיה קדימה (או מתח), חורים בחומר מסוג p נדחפים בכיוון ההפוך (כפי שהם טעונים חיובית) לכיוון החומר מסוג n.
באופן דומה, אלקטרונים באזור מסוג n נדחפים לעבר אזור מסוג p. האלקטרונים והחורים יתחברו במפגש בין החומרים מסוג p לסוג n, וכל אירוע רקומבינציה יגרום לייצור של קוונטים של אנרגיה שהיא תכונה אינהרנטית של המוליך למחצה שבו מתרחש הרקומבינציה.
ברצועת הערכיות של המוליך למחצה, נוצרים חורים, ואילו אלקטרונים מיוצרים בפס ההולכה. אנרגיית הפער, המתייחסת להבדל האנרגיה בין פס ההולכה לפס הערכיות, נשלטת על ידי תכונות ההתקשרות של המוליך למחצה.
פוטון בודד של אור עם אנרגיה ואורך גל (שניהם מחוברים זה לזה על ידי משוואת פלאנק) המוכתב על ידי מרווח הפס של החומר המשמש באזור הפעיל של המכשיר מיוצר באמצעות ריקומבינציה של קרינה.
רקומבינציה לא קרינה היא אפשרות נוספת, כאשר האנרגיה שנוצרת על ידי ריקומבינציה של האלקטרון והחור מביאה לחום במקום פוטוני אור. במוליכים למחצה ישירים של פערי פס, תהליכי ריקומבינציה לא-קרינתיים אלה כוללים מצבים אלקטרוניים באמצע הפער שנגרמו כתוצאה מפגמים.
אנו שואפים לשפר את הפרופורציה של ריקומבינציה קרינה ביחס לרקומבינציה שאינה קרינה מכיוון שאנו רוצים שה-LED שלנו יפלוט אור ולא חום. לשם כך, שיטה אחת היא הוספת שכבות תוחמות נשאות ובארות קוונטיות לאזור הפעיל של הדיודה במאמץ להגביר את ריכוז האלקטרונים והחורים אשר, בנסיבות הנכונות, עוברים ריקומבינציה.
ריכוז הפגם המופחת באזור הפעיל של המכשיר, המוביל לרקומבינציה לא קרינה, הוא גורם מכריע נוסף. מכיוון שנקעים הם המקור העיקרי למרכזי רקומבינציה לא-קרינה, הם ממלאים תפקיד מכריע באופטואלקטרוניקה. נקעים יכולים לנבוע ממגוון גורמים, אך על מנת להשיג צפיפות נמוכה, יש לגדל תמיד את השכבות מסוג n ו-p המרכיבות את האזור הפעיל של ה-LED על מצע תואם סריג. אם לא, יתווסף נקעים כדי לתת את הדעת על השונות במבנה הגביש-סריג.
לכן, מקסום ביצועי LED כרוך בהפחתת צפיפות הנקע תוך הגברת קצב הרקומבינציה הקרינה בהשוואה לקצב הרקומבינציה הלא קרינה.
נוריות UVC
יישומים עבור נוריות אולטרה סגול (UV) כוללות טיפול במים, אחסון נתונים אופטי, תקשורת, איתור חומרים ביולוגיים ואשפרה של פולימרים. אורכי גל בין 100 ננומטר ל-280 ננומטר נקראים חלק ה-UVC של ספקטרום ה-UV.
אורך הגל האידיאלי לחיטוי הוא בין 260 ל-270 ננומטר, כאשר אורכי גל ארוכים יותר מייצרים יעילות פחותה של קוטל חיידקים באופן אקספוננציאלי. בהשוואה למנורות כספית קונבנציונליות, נוריות UVC מספקות מספר יתרונות, לרבות היעדר חומרים מסוכנים, הפעלה/כיבוי מיידי ללא הגבלות מחזור, צריכת חום מופחתת עם מיצוי חום ממוקד, ועמידות מוגברת.
במקרה של נוריות UVC, יש צורך באחוז שומות גבוה יותר מאלומיניום כדי ליצור פליטת אורך גל קצר (260 ננומטר עד 270 ננומטר לחיטוי), מה שהופך את הפיתוח והסימום של החומר למאתגרים. מבחינה היסטורית, ספיר היה המצע הנפוץ ביותר עבור ה-III-nitrids שכן מצעים מותאמים לסריג בתפזורת לא היו נגישים בקלות. חוסר התאמה של סריג מהותי בין ספיר למבנה AlGaN בעל תוכן AlGaN גבוה של נוריות UVC גורמת ליותר קומבינציה לא קרינה (פגמים).
נראה שההבדל בין שתי הטכנולוגיות פחות בולט בתחום ה-UVB ובאורכי גל ארוכים יותר, כאשר חוסר ההתאמה של הסריג עם AlN גדול יותר מכיוון שנדרשים ריכוזים גבוהים יותר של Ga. נראה שהאפקט הזה מחמיר בריכוז אל גבוה יותר, ולכן נוריות UVC מבוססות ספיר נוטות לרדת בכוח באורכי גל קצרים מ-280 ננומטר מהר יותר מאשר נוריות UVC מבוססות AlN.
צמיחה פסאודומורפית על מצעי AlN מקומיים מייצרת שכבות פגמים שטוחות מבחינה אטומית, עם הספק שיא ב-265 ננומטר, התואמת הן לספיגה המקסימלית של קוטל חיידקים והן גם מפחיתה את ההשפעות של אי ודאות הנגרמת על ידי חוזק ספיגה תלוי ספקטרלי. זה מושג על ידי דחיסה של פרמטר הסריג הגדול יותר של AlGaN מהותי כך שיתאים ל-AlN מבלי להכניס פגמים.
מצעי AlN איכותיים בהתאמה לסריג בתפזורת נוצרו על ידי BENWEI, המאפשרים ספיגה פנימית נמוכה יותר ויעילות פנימית רבה יותר. מצעים אלה מספקים נוריות LED איכותיות ועוצמתיות יותר עם אורכי גל באזור קוטל החיידקים, המשמשות בייצור של נוריות UVC של Klaran וסחורות.
