В переводе с английского сокращение LED дословно означает «диод, который излучает свет». 

Светодиод или светоизлучающий диод (англ. light-emitting diode, LED) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Если такое излучение происходит в ультрафиолетовом диапазоне, то такие диоды получили название ультрафиолетовых.

Устройство и принцип работы светодиода

На самом деле существенного отличия в принципе работы обычного светодиода видимого диапазона и ультрафиолетового – нет.

Разные материалы при определенных условиях способны посылать в пространство волны разной длины. Это позволяет человеческому глазу увидеть тот или иной цвет видимого спектра, соответствующий определенной длине волны. В светодиодах длина волны излучения и, следовательно, цвет LED зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава полупроводника можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от инфракрасного излучения до ультрафиолета. Для создания именно ультрафиолетового излучения нужны полупроводники с широкой запрещенной зоной. Для этого используются такие материалы как: арсенид галлия алюминия, нитрид галлия, нитрид алюминия и т.д. В результате этого получаются светодиоды со спектром излучения, находящиеся в любом УФ диапазоне от 100 до 400 нм.

Так выглядят светодиоды разного свечения в зависимости от ширины запрещенной зоны используемых материалов.

Физика процесса излучения.

Рассмотрим кратко как происходит процесс излучения в LED. Для создания светового потока конструкция светодиода предусматривает наличие двух полупроводников, один из которых в своем составе должен содержать свободные электроны (n), а другой – их недостаток или «дыры» (р).

Устройство р-n перехода и излучение фотонов

Если соединим такие полупроводники с (р) и (n) областями, то между ними возникает «P-N» переход, в результате которого электроны от донора (n-тип) переходят в другой полупроводник (р-тип) и занимают свободные дыры с выделением фотонов. Эта реакция проходит только при наличии источника постоянного тока.

Принцип излучения света полупроводником.

При протекании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носителями заряда являются электроны и дырки. Они устремляются навстречу друг другу и рекомбинируют, т.е. происходит исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда с выделением энергии в виде излучения фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой). Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет света (соответствующий энергии фотона) определяется энергетической шириной запрещенной зоны полупроводника Е_g. Для видимого диапазона Е_g у применяемых материалов порядка 1-3 еВ, для синего света и ультрафиолета Е_g больше 3-4 еВ.

Ультрафиолетовый светодиод в рабочем состоянии.

По форме, конструкции и размерам светодиоды могут существенно отличаться друг от друга. В качестве примера на следующем рисунке приведен УФ LED фирмы «Everlight».

Общий вид ультрафиолетового светодиода «Everlight» с защитным кварцевым стеклом.

Яркость свечения регулируют изменением силы тока, а диаграмму направленности формирует вторичная оптика светильника или линза, расположенная непосредственно над светоизлучающим кристаллом.

В последнее время светодиоды видимого диапазона и особенно УФ LED, находят все большее и больше применение в разных областях нашей жизни. Появление светодиода с ультрафиолетовым свечением стало возможным после разработки светодиода синего света на основе нитрида галлия (GaN). В 1993 году С. Накамура создал первый синий диод, который характеризовался высокой яркостью. С этого момента стало возможным создавать любой цвет спектра (в том числе белый).

Сюдзи Накамура, инженер компании Nichia, получил за эту работу в 2014 году Нобелевскую премию по физике.

Сюдзи Накамура и Михаил Назаров в Гонконге на международном симпозиуме в 2012 году обсуждают проблемы синих диодов.

Электромагнитный спектр и ультрафиолетовые диоды

В английской терминологии светодиоды, излучающие в ультрафиолетом диапазоне, известны как UVA, UVВ и UVС LED в зависимости от длины волны излучения. Сохраним эту аббревиатуру.

Название	Аббревиатура	Длина волны
Ультрафиолет A	UVA	315 – 400 нм
Ультрафиолет B	UVB	280 – 315 нм
Ультрафиолет C	UVC	100 – 280 нм

Электромагнитный спектр с выделением поддиапазонов УФ

Рассмотрим все три типа светодиодов, узнаем, что у них общего и чем они отличаются.

UVА LED или Светодиоды группы А

UVA – это ближний ультрафиолет или черный свет и имеет длину волны в диапазоне от 315 до 400 нм.

На практике UVA диапазон в зависимости от используемой длины волны условно подразделяются еще на три категории:

«Верхний» UVA (Длины волн – в диапазоне 390 нм – 420 нм.)

«Верхние» устройства типа UVA доступны с конца 1990-х годов. Эти ультрафиолетовые светодиоды традиционно используются в первую очередь в таких применениях, как обнаружение или проверка подделок (валюта, водительское удостоверение, документы и т. д.). Они долговечны и просты в изготовлении. Требования к выходной мощности для этих устройств очень низкие. В результате они являются самыми дешевыми из всех продуктов UV.

«Средний» UVA (Длины волн (приблизительно 350 нм – 390 нм).

За последние несколько лет использования «средний» компонент светодиодов UVA показал наибольший рост. Большинство применений в этом диапазоне длин волн предназначены для ультрафиолетового отвердевания различных материалов, таких как клеи, покрытия и краски. Светодиоды этого диапазона обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными технологиями отвердевания, в которых используются ртутные или флуоресцентные лампы. Это связано с большей эффективностью, меньшей стоимостью и миниатюризацией устройств. Налицо явная тенденция к возрастанию роли светодиодов для отвердевания.

«Нижний» UVA (Длины волн (приблизительно 300 нм – 350 нм).

«Нижний» UVA и «верхний» диапазоны UVB (приблизительно 300 нм – 350 нм) являются самыми последними разработками на рынке светодиодов группы А. Эти устройства предлагается использовать в различных приложениях, включая УФ-отвердевание, биомедицину, ДНК-анализ и различные типы зондирования. 

Существует значительное перекрытие этих трёх спектральных поддиапазонов VUА ультрафиолетового излучения, поэтому необходимо учитывать не только то, что лучше всего подходит для того или иного приложения, но и то, что является наиболее экономичным решением. Светодиоды с более «низкой» длиной волны, как правило, стоят дороже и часто значительно, чем со «средней» длиной волны и, тем более, по сравнению с «верхним» диапазоном.

UVВ LED или Светодиоды группы В

UVB известен как средневолновый ультрафиолетовый свет и имеет длину волны в диапазоне от 280 нм до 315 нм. По своему применению он также условно подразделяется на две категории:

Диапазон UVB 300-315 нм отвечает за загар. Такие лучи от солнца проходят сквозь атмосферу Земли, и мы ими часто пользуемся на пляже или в горах. Лампы и светодиоды группы В, работающие в этом диапазоне, используются в основном в соляриях.

Диапазон UVB 280-300 нм частично может применяться для бактерицидных и стерилизационных целей. Более подробно об этом смотрите и читайте в разделе о светодиодах группы С.

UVС LED или Светодиоды группы С

UVС – это коротковолновый ультрафиолет с длиной волны в диапазоне от 200 нм до 280 нм.

В обычных условиях лучи UVC не достигают поверхности Земли, задерживаясь в атмосфере. Частично излучение этого спектра можно встретить на вершинах гор.

Свет, создаваемый на этих длинах волн, не только вреден для микроорганизмов, вирусов, бактерий и других форм жизни, которые могут соприкасаться с ним, но и опасен для людей. Светодиодные лампы диапазона С обязательно должны быть экранированы. Очень вредно смотреть на свет, испускаемый такими лампами, невооруженным глазом. Воздействие этих длин волн может вызывать рак кожи, временную или постоянную потерю зрения, или его серьезное ухудшение.

А теперь рассмотри подробно применение всех типов УФ светодиодов.

Применения UVA светодиодов:

1. Косметология. В маникюрных салонах ультрафиолетовые лампы эффективны в сушке гель-лака и наращивании ногтей с помощью гелиевых составов.

Наращивание ногтей с помощью гелиевых составов.

Сушка гель-лака на ногтях

Маникюр с точками и рисунками или «paint-nail» из последних новинок в нейл-индустрии. Выглядит он действительно модно и красиво, а его качество напрямую связано с применением UVA светодиодов.

 2, Шоу—бизнес.

Свечение одежды в темноте

3. Стоматология: для затвердевания композитных зубных пломб зачастую используется ультрафиолет. Например, в стоматологии зачастую используются пломбы, отвердевающие при воздействии ультрафиолета. 

Затвердевание композитных зубных пломб.

4. Фармакология. В производстве лекарственных препаратов.

Использование Уф излучения при тестировании лекарств

5. Медицина. Область медицинского применения – световая терапия и физиопроцедуры с использованием УФ-излучения.

Светотерапия

Что касается длинноволнового ультрафиолета из группы А (320-400 нанометров), то его главнейший лечебный эффект заключается в иммуностимулирующем влиянии на ткани организма, что существенно повышает уровень сопротивляемости организма к болезнетворным бактериям и вирусам. Благодаря этому длинноволновое ультрафиолетовое излучение нашло широкое применение в борьбе с большим количеством кожных заболеваний, в частности псориаза, лишая и экземы, в лечении хронических заболеваний органов дыхательной системы, а также последствий обморожения и различных травм.

Также в настоящее время проводятся исследования, по результатам которых планируется применять ультрафиолет для профилактики и лечения онкологических заболеваний.  

6. Промышленность. Очень широкое и разнообразное применение. Только один пример: на некоторых производствах ультрафиолетовые источники используются для ускорения процесса полимеризации клея и компаундов. УФ лучи ускоряют полимеризацию (высыхание и отвердевание) клея, краски или специальной смолы, называемой компаундом.

7. Финансовая сфера. В аппаратах по проверке денег используется именно такие УФ-диоды. Лампа помогает определить подлинность купюр, считать наносимые на бумагу метки банков.

Аппарат по проверке денег

Специальные счетные машины могут одновременно подсчитывать количество купюр и проверять их подлинность.

8. Криминалистика и судебная экспертиза (расследования на месте преступления). Проверка подделок (водительские удостоверения, паспорта, различные документы и т.д.). UVA светодиоды используются в оперативных мероприятиях, чтобы обнаружить следы, биологические жидкости и частицы. Можно обнаружить следы крови и других веществ, невидимых при обычном освещении.

Отпечатки пальцев в ультрафиолете, не видимые в обычном свете.

9. Растениеводство. Непродолжительное облучение растений в теплицах стимулирует в них выработку полифенолов, которые обладают антиоксидантными свойствами, полезными для здоровья человека.

В обычных широтах достаточное для роста растений количество света имеется только в летний период, и то, если нет затяжных дождей. Всё остальное время растения, особенно домашние, страдают от недостатка света. Чтобы им помочь, можно установить светильник, который, кроме обычного света, испускает особую длину волны в диапазоне UVA, нужную для фотосинтеза.

УФ-ртутная лампа для подсветки растений.

Кроме люминесцентных (газовых) ламп для растений, в последнее время появилось много разновидностей на светодиодах UVA. Они более компактные и служат дольше.

Растение под светодиодной лампой.

10. Ультрафиолетовый лазер

Для работы лазера используются UVA светодиоды на длине волны 355 нм.

Лазерная система с 355 нм УФ лазером

Эта совместимая с ультрафиолетом 355 нм лазерная система идеально подходит для широкого спектра научных приложений.

Ультрафиолетовые лазеры находят применение в промышленности, медицине, химии, безопасной связи в открытом воздухе, вычислительной технике, производстве интегральных схем и т.д..

Применения UVВ светодиодов:

1. Солярий

Искусственный загар

Производители выпускают светодиодные лампы двух стандартов: европейского и американского. Коэффициент UVB/UVA является показателем соотношения количества лучей типа А и В. Разница у них следующая:

Излучение типа А является длинноволновым, мягким и дает бронзово-золотистый оттенок коже. Получить от него ожог практические невозможно.

Излучение типа В имеет более короткие волны. Именно оно вызывает синтез меланина и создает быстрый загар. Будьте осторожны, от него можно получить ожог.

Отношение UVB / UVA — это мера количества лучей типа A и B.

2. Медицина

Средневолновой ультрафиолет (280-320 нм) применяется для лечения острых воспалительных заболеваний внутренних органов, как правило, дыхательной системы, опорно-двигательного аппарата, периферийной нервной системы и даже неправильного обмена веществ. Воздействие такого УФ излучения на клетки тканей организма провоцирует изменения в структурной организации белковых соединений, меняя их физико-химические свойства, что активизирует различные положительные процессы в тканях и, как следствие, восстановление нормализации их функций.

Применения UVС светодиодов:

УФ-светодиоды могут сыграть полезную роль в профилактике инфекционных заболеваний. Их можно использовать для приготовления питьевой воды, замены хлора в качестве дезинфицирующего средства для воды в бассейнах, уничтожения микробов в стиральных и посудомоечных машинах, уничтожения микробов в воздухе в очистителях воздуха и системах отопления, вентиляции и кондиционирования, а также для дезинфекции поверхностей в больницах, на кухнях, в школах, офисах и учреждениях.

Самое важное и актуальное применение в последние годы UVС светодиоды находят в борьбе с COVID.

Ультрафиолетовое излучение и спектральная кривая воздействия излучения на бактерии и вирусы.( бактерицидной эффективности)

COVID-19

Коронавирус COVID-19

УФ-С излучение является бактерицидным и очень эффективно при дезинфекции. Излучение в диапазоне от 205 до 315 нм способно уничтожать бактерии и вирусы. Принцип воздействия заключается в разрушении ДНК болезнетворных организмов. Причем, как показали научные исследования, наибольшей эффективности это воздействие достигает при длине волны 265 нм, близкой к длине волны излучения ртути (около 254 нм.). Чем ближе излучение источника к 265 нм, тем лучше он справляется с поставленной задачей. Все ртутные лампы излучают постоянную линию 253,6517 нм, тогда как УФ светодиоды могут иметь большой разброс пиков излучения в зависимости от используемых полупроводниковых материалов, и, как следствие, существенно различаться по эффективности обеззараживания.

УФ свет разрушает ДНК структуру клеток

Борьба с вирусами

Пандемия коронавируса COVID-19 уже успела оказать большое влияние на светотехническую отрасль. Основным направлением, куда прилагаются в настоящее время усилия ученых и инженеров, стали светодиоды, дающие излучение в ультрафиолетовом диапазоне С для дезинфекции и борьбы с вирусами. Как уже было сказано выше, принцип воздействия заключается в разрушении ДНК болезнетворных организмов.

УФ свет в спектре от 100 до 280 нанометров обладает способностью приводить к структурным изменениям в ДНК и РНК живых организмов. Именно поэтому под воздействием больших доз такого ультрафиолета вирусы, с одной стороны, теряют способность к размножению, а с другой, утрачивают многие свои функции.

Дезинфекция и стерилизация инструментов

Обеззараживание медицинского инструмента с помощью светодиодной бактерицидной лампы.

Выводы:

Ультрафиолетовые диоды UVA, UVВ и UVС с каждым годом находят все большее и большее применение в самых различных областях нашей жизни и деятельности. Они существенно дополняют возможности светодиодов видимого диапазона, а часто и превосходят их по разнообразию и широте использования. За ними будущее.

Автор Михаил Назаров,

ведущий научный сотрудник

Института Прикладной физики

АН Молдовы

♦  Рубрика: История науки и техники.
♥  Метки: Уф светодиоды