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紫外发光二极管的工作原理与内部结构解析

2025年03月03日10:19 

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紫外发光二极管(UV LED)是一种能够发出紫外光的半导体器件,因其高效节能、长寿命以及广泛的应用场景,近年来备受关注。UV LED不仅在工业检测、消毒杀菌、医疗美容等领域发挥着重要作用,还在荧光成像、光固化等高科技应用中占据一席之地。

一、紫外发光二极管的工作原理

UV LED的发光原理与普通可见光LED基本相同,都是基于半导体PN结的电致发光效应。当外加电压使PN结处于正向偏置时,P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子相互扩散并在PN结附近复合,复合过程中能量以光子的形式释放出来,形成发光现象。

但紫外LED的关键区别在于,它采用了特殊的半导体材料,以产生波长范围在200-400nm之间的紫外光。常见的紫外LED材料包括氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)及氮化铝(AlN)等。不同材料和掺杂工艺的选择决定了发光波长的具体范围。例如,AlGaN的铝含量越高,发射光的波长就越短,从而可以实现深紫外光的输出(200-280nm)。

值得注意的是,紫外LED的光子能量较高,因此与传统可见光LED相比,UV LED的外量子效率(EQE)相对较低。为了提升光输出效率,研究人员不断优化半导体外延结构、量子阱设计以及封装方式,以减少光学损耗并提高电流注入效率。

二、紫外发光二极管的内部结构

紫外LED的核心组件主要包括发光芯片、电极、散热基板以及封装材料。以下是其主要结构及作用:

1. 发光芯片

发光芯片是紫外LED的核心部分,它决定了LED的发光波长、光强以及光转换效率。一般采用MOCVD(有机金属化学气相沉积)技术,在蓝宝石、碳化硅或氮化铝衬底上外延生长多层半导体薄膜。该芯片由多个量子阱结构组成,以提高载流子复合效率,从而增强紫外光的输出。

2. 电极结构

为了提供稳定的电流注入,紫外LED通常采用金属电极,其中阳极与P型半导体连接,阴极与N型半导体连接。由于紫外LED的材料具有较高的能隙,因此电极材料的选择尤为关键,需兼顾低电阻率和高透明度,以确保高效电流传输和光子出射。

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