Cómo funciona un LED UVC
Cómo funcionan realmente los LED UVC es una consulta popular de las empresas que buscan LED UVC con fines de desinfección. En este artículo, describimos el funcionamiento de esta tecnología.
Principios de los LED en general
Cuando se conduce una corriente a través de un diodo emisor de luz (LED), un dispositivo semiconductor, emite luz. Si bien los semiconductores extremadamente puros y libres de defectos (también conocidos como semiconductores intrínsecos) generalmente conducen la electricidad de manera muy ineficiente, se pueden agregar dopantes al semiconductor para cambiar su conductividad a huecos con carga positiva (semiconductor tipo n) o electrones con carga negativa (p- tipo semiconductor).
Una unión pn, donde un semiconductor de tipo p se coloca encima de un semiconductor de tipo n, forma un LED. Cuando se proporciona una polarización directa (o voltaje), los agujeros en el material de tipo p se empujan en la dirección opuesta (ya que están cargados positivamente) hacia el material de tipo n.
De manera similar, los electrones en la región de tipo n son empujados hacia la región de tipo p. Los electrones y los huecos se combinarán en la unión entre los materiales tipo p y tipo n, y cada evento de recombinación dará como resultado la producción de un cuanto de energía que es una característica inherente del semiconductor donde ocurre la recombinación.
En la banda de valencia del semiconductor se producen huecos, mientras que en la banda de conducción se producen electrones. La energía de banda prohibida, que se refiere a la diferencia de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia, se rige por las propiedades de enlace del semiconductor.
Un solo fotón de luz con una energía y longitud de onda (los dos están conectados entre sí por la ecuación de Planck) dictada por la banda prohibida del material utilizado en el área activa del dispositivo se produce a través de la recombinación de radiación.
La recombinación no radiativa es otra posibilidad, cuando la energía generada por la recombinación de electrones y huecos da como resultado calor en lugar de fotones de luz. En los semiconductores de banda prohibida directa, estos procesos de recombinación no radiativa incluyen estados electrónicos intermedios provocados por fallas.
Nuestro objetivo es mejorar la proporción de recombinación radiativa en relación con la recombinación no radiativa porque queremos que nuestros LED emitan luz en lugar de calor. Para hacer esto, un método es agregar capas de confinamiento de portadores y pozos cuánticos al área activa del diodo en un esfuerzo por aumentar la concentración de electrones y huecos que, en las circunstancias correctas, se recombinan.
La concentración reducida de defectos en el área activa del dispositivo, que conduce a una recombinación no radiativa, es otro factor crucial. Dado que las dislocaciones son la principal fuente de centros de recombinación no radiativa, desempeñan un papel crucial en la optoelectrónica. Las dislocaciones pueden deberse a una variedad de factores, pero para lograr una baja densidad, las capas de tipo n y p que componen el área activa del LED siempre deben crecer en un sustrato de celosía. De lo contrario, se agregarán dislocaciones para tener en cuenta la variación en la estructura de la red cristalina.
Por lo tanto, maximizar el rendimiento de los LED implica reducir las densidades de dislocación al tiempo que aumenta la tasa de recombinación radiativa en comparación con la tasa de recombinación no radiativa.
LED UVC
Las aplicaciones de los LED ultravioleta (UV) incluyen el tratamiento del agua, el almacenamiento de datos ópticos, las comunicaciones, la detección de agentes biológicos y el curado de polímeros. Las longitudes de onda entre 100 nm y 280 nm se conocen como la porción UVC del espectro UV.
La longitud de onda ideal para la desinfección está entre 260 y 270 nm, con longitudes de onda más largas que producen una eficiencia germicida exponencialmente menor. En comparación con las lámparas de mercurio convencionales, los LED UVC brindan una serie de ventajas, incluida la ausencia de materiales peligrosos, encendido/apagado instantáneo sin restricciones de ciclo, consumo de calor reducido con extracción de calor enfocada y mayor durabilidad.
En el caso de los LED UVC, se necesita un mayor porcentaje molar de aluminio para generar una emisión de longitud de onda corta (260 nm a 270 nm para la desinfección), lo que dificulta el desarrollo y el dopaje del material. Históricamente, el zafiro fue el sustrato más ampliamente utilizado para los nitruros III, ya que los sustratos combinados en red a granel no eran fácilmente accesibles. Un desajuste de red sustancial entre el zafiro y la estructura de AlGaN con alto contenido de Al de los LED UVC provoca más recombinación no radiante (defectos).
La diferencia entre las dos tecnologías parece ser menos pronunciada en el rango UVB y en longitudes de onda más largas, donde el desajuste de la red con AlN es mayor porque se requieren concentraciones más altas de Ga. Este efecto parece empeorar con una mayor concentración de Al, por lo que los LED UVC basados en zafiro tienden a perder potencia en longitudes de onda inferiores a 280 nm más rápido que los LED UVC basados en AlN.
El crecimiento pseudomórfico en sustratos nativos de AlN produce capas atómicamente planas y con pocos defectos con una potencia máxima de 265 nm, que corresponde a la máxima absorción germicida y también reduce los efectos de la incertidumbre provocada por la fuerza de absorción dependiente del espectro. Esto se logra comprimiendo el parámetro de red más grande de AlGaN intrínseco para que encaje en el AlN sin introducir defectos.
BENWEI ha creado sustratos de AlN de combinación de celosía a granel de alta calidad, lo que permite una menor absorción interna y una mayor eficiencia interna. Estos sustratos proporcionan LED más potentes y de mayor calidad con longitudes de onda en la región germicida, que se emplean en la producción de LED y productos Klaran UVC.
