UVC LED ทำงานอย่างไร
วิธีที่ UVC LEDs ทำงานอย่างแท้จริงเป็นคำถามยอดนิยมจากธุรกิจที่กำลังมองหา UVC LEDs เพื่อวัตถุประสงค์ในการฆ่าเชื้อโรค ในบทความนี้ เราจะอธิบายการทำงานของเทคโนโลยีนี้
หลักการของ LED โดยทั่วไป
เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านไดโอดเปล่งแสง (LED) ซึ่งเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ก็จะปล่อยแสงออกมา ในขณะที่สารกึ่งตัวนำที่บริสุทธิ์มากและไม่มีข้อบกพร่อง (หรือที่เรียกว่าสารกึ่งตัวนำภายใน) มักจะนำไฟฟ้าได้ไม่มีประสิทธิภาพมาก แต่สามารถเพิ่มสารเจือปนลงในสารกึ่งตัวนำเพื่อเปลี่ยนการนำไฟฟ้าให้เป็นรูที่มีประจุบวก (สารกึ่งตัวนำชนิด n) หรืออิเล็กตรอนที่มีประจุลบ (p- สารกึ่งตัวนำชนิด)
จุดเชื่อมต่อ pn ซึ่งวางสารกึ่งตัวนำชนิด p ไว้ด้านบนของสารกึ่งตัวนำชนิด n ประกอบกันเป็น LED เมื่อให้ไบอัสไปข้างหน้า (หรือแรงดันไฟฟ้า) รูในวัสดุประเภท p จะถูกผลักไปในทิศทางตรงกันข้าม (เนื่องจากมีประจุบวก) ไปทางวัสดุประเภท n
ในทำนองเดียวกัน อิเล็กตรอนในบริเวณประเภท n จะถูกผลักไปยังบริเวณประเภท p อิเล็กตรอนและโฮลจะรวมกันที่จุดเชื่อมต่อระหว่างวัสดุประเภท p และชนิด n และเหตุการณ์การรวมตัวกันอีกครั้งแต่ละครั้งจะส่งผลให้เกิดการผลิตพลังงานควอนตัมซึ่งเป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของเซมิคอนดักเตอร์ที่เกิดการรวมตัวกันใหม่
ในแถบวาเลนซ์ของสารกึ่งตัวนำ จะเกิดรูขึ้น ในขณะที่อิเล็กตรอนถูกผลิตขึ้นในแถบการนำไฟฟ้า พลังงานแบนด์แกป ซึ่งหมายถึงความแตกต่างของพลังงานระหว่างแถบการนำไฟฟ้าและแถบเวเลนซ์ จะถูกควบคุมโดยคุณสมบัติการยึดเกาะของสารกึ่งตัวนำ
โฟตอนของแสงเดี่ยวที่มีพลังงานและความยาวคลื่น (ทั้งสองเชื่อมต่อกันโดยสมการของพลังค์) ซึ่งกำหนดโดยแถบช่องว่างของวัสดุที่ใช้ในพื้นที่แอคทีฟของอุปกรณ์นั้นผลิตขึ้นผ่านการรวมตัวของรังสี
การรวมตัวกันใหม่แบบไม่แผ่รังสีเป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่เป็นไปได้ เมื่อพลังงานที่เกิดจากการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนและรูทำให้เกิดความร้อนแทนที่จะเป็นโฟตอนที่เป็นแสง ในเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แกปโดยตรง กระบวนการรวมตัวกันใหม่ที่ไม่ใช่การแผ่รังสีเหล่านี้รวมถึงสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีช่องว่างตรงกลางซึ่งเกิดจากข้อบกพร่อง
เราตั้งเป้าที่จะปรับปรุงสัดส่วนของการรวมตัวกันอีกครั้งด้วยการแผ่รังสีเมื่อเทียบกับการรวมตัวกันอีกครั้งที่ไม่ใช่การแผ่รังสี เนื่องจากเราต้องการให้ LED ของเราเปล่งแสงมากกว่าความร้อน ในการทำเช่นนี้ วิธีหนึ่งคือการเพิ่มชั้นกักพาหะและหลุมควอนตัมไปยังพื้นที่แอกทีฟของไดโอดเพื่อพยายามเพิ่มความเข้มข้นของอิเล็กตรอนและรู ซึ่งภายใต้สถานการณ์ที่ถูกต้อง อยู่ระหว่างการรวมตัวกันใหม่
ความเข้มข้นของข้อบกพร่องที่ลดลงในพื้นที่ใช้งานของอุปกรณ์ ซึ่งนำไปสู่การรวมตัวกันอีกครั้งโดยไม่แผ่รังสี เป็นอีกปัจจัยสำคัญ เนื่องจากการเคลื่อนตัวเป็นแหล่งกำเนิดหลักของศูนย์การรวมตัวกันใหม่ที่ไม่ใช่การแผ่รังสี จึงมีบทบาทสำคัญในออปโตอิเล็กทรอนิกส์ การเคลื่อนตัวอาจเป็นผลมาจากปัจจัยหลายประการ แต่เพื่อให้ได้ความหนาแน่นต่ำ ชั้นชนิด n และ p ที่ประกอบกันเป็นพื้นที่ใช้งานของ LED จะต้องเติบโตบนวัสดุพิมพ์ที่จับคู่กับโครงตาข่ายเสมอ หากไม่เป็นเช่นนั้น ความคลาดเคลื่อนจะถูกเพิ่มเข้าในบัญชีสำหรับการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างขัดแตะคริสตัล
ดังนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพ LED สูงสุดจึงช่วยลดความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ในขณะเดียวกันก็เพิ่มอัตราการรวมตัวกันอีกครั้งด้วยการแผ่รังสี เมื่อเทียบกับอัตราการรวมตัวกันอีกครั้งที่ไม่ใช่การแผ่รังสี
LEDs UVC
การใช้งานสำหรับ LED อัลตราไวโอเลต (UV) รวมถึงการบำบัดน้ำ การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง การสื่อสาร การตรวจจับสารชีวภาพ และการบ่มโพลิเมอร์ ความยาวคลื่นระหว่าง 100 นาโนเมตรถึง 280 นาโนเมตรเรียกว่าส่วน UVC ของสเปกตรัมรังสียูวี
ความยาวคลื่นที่เหมาะสำหรับการฆ่าเชื้ออยู่ระหว่าง 260 ถึง 270 นาโนเมตร โดยความยาวคลื่นที่ยาวกว่าจะทำให้ประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อลดลงอย่างมาก เมื่อเปรียบเทียบกับหลอดปรอททั่วไป หลอด LED UVC มีข้อดีหลายประการ รวมถึงการไม่มีวัสดุที่เป็นอันตราย การเปิด/ปิดสวิตช์ทันทีโดยไม่มีข้อจำกัดของวงจร ลดการใช้ความร้อนด้วยการดึงความร้อนเฉพาะจุด และเพิ่มความทนทาน
ในกรณีของ LED UVC จำเป็นต้องมีเปอร์เซ็นต์โมลอลูมิเนียมที่มากขึ้นเพื่อสร้างการแผ่รังสีความยาวคลื่นสั้น (260 นาโนเมตรถึง 270 นาโนเมตรสำหรับการฆ่าเชื้อโรค) ซึ่งทำให้การพัฒนาและการเติมวัสดุมีความท้าทาย ในอดีต แซฟไฟร์เป็นซับสเตรตที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับ III-ไนไตรด์ เนื่องจากไม่สามารถเข้าถึงซับสเตรตที่จับคู่แบบขัดแตะจำนวนมากได้ง่าย โครงตาข่ายที่ไม่ตรงกันอย่างมากระหว่างแซฟไฟร์และโครงสร้าง AlGaN ที่มีปริมาณ Al สูงของ LED UVC ทำให้เกิดการรวมตัวกันอีกครั้ง (ข้อบกพร่อง) ที่ไม่ใช่การแผ่รังสี
ความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยีทั้งสองดูเหมือนจะไม่ค่อยเด่นชัดในช่วง UVB และที่ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น ซึ่งการไม่ตรงกันของโครงตาข่ายกับ AlN จะมีมากขึ้นเนื่องจากต้องมีความเข้มข้นของ Ga สูงขึ้น ผลกระทบนี้ดูเหมือนจะแย่ลงเมื่อความเข้มข้นของ Al สูงขึ้น ดังนั้น LED UVC ที่ใช้แซฟไฟร์จึงมีแนวโน้มที่จะลดพลังงานที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า 280 นาโนเมตรเร็วกว่า LED UVC ที่ใช้ AlN
การเจริญเติบโตแบบปลอมแปลงบนพื้นผิว AlN ดั้งเดิมทำให้เกิดชั้นอะตอมที่แบนราบและมีข้อบกพร่องต่ำโดยมีกำลังสูงสุดที่ 265 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับทั้งการดูดซึมฆ่าเชื้อโรคสูงสุด และยังลดผลกระทบของความไม่แน่นอนที่เกิดจากความแรงของการดูดซับที่ขึ้นกับสเปกตรัม สิ่งนี้ทำได้โดยการบีบอัดพารามิเตอร์ตาข่ายที่ใหญ่กว่าของ AlGaN ที่แท้จริงเพื่อให้พอดีกับ AlN โดยไม่ทำให้เกิดข้อบกพร่อง
BENWEI สร้างพื้นผิว AlN ที่จับคู่ขัดแตะจำนวนมากคุณภาพสูง ช่วยลดการดูดซับภายในและประสิทธิภาพภายในที่มากขึ้น วัสดุพิมพ์เหล่านี้ให้ LED ที่มีคุณภาพสูงและมีศักยภาพมากขึ้นพร้อมความยาวคลื่นในบริเวณฆ่าเชื้อโรค ซึ่งใช้ในการผลิตหลอด LED UVC ของ Klaran และสินค้าต่างๆ
