Un fotodiodo es un tipo de fotodetector capaz de convertir la luz en función ya sea de corriente o tensión, en el modo de funcionamiento. La célula solar común, tradicional utilizado para generar energía eléctrica solar es una gran área de fotodiodo. Fotodiodos son similares a los diodos semiconductores regulares, excepto ue pueden ser o !ien expuestos o empauetados con una ventana o conexión d e fi!ra óptica para permitir ue la luz para llegar a la parte sensi!le del dispositivo. "uc#os diodos dise$ados específicamente para su uso como un fotodiodo %&' utilizan una unión en lugar de una unión pn, para aumentar la velocidad de respuesta. Un fotodiodo está dise$ado para operar en polarización inversa.
Principio de funcionamie funcionamiento nto Un fotodiodo es una unión p(n o estructura %&'. )uando un fotón de energía suficiente golpea el diodo, se excita un electrón, creando de ese modo un electrón li!re. *ste mecanismo tam!ién se conoce como el efecto fotoeléctrico interno. +i la a!sorción se produce en la región de agotamiento de la unión, o una longitud de difusión de distancia de ella, estos portadores son !arridas de la unión por la incorporada en el campo eléctrico de la región de agotamiento. %or lo tanto agueros se mueven #acia el ánodo, y los electrones #acia el cátodo, y se produce una fotocorriente. La corriente total a través del fotodiodo es la suma de la corriente oscura y la fotocorriente, por lo ue la oscuridad corriente de!e reducirse al mínimo para maximimze la sensi!ilidad del dispositivo.
El modo fotovoltaico )uando se utiliza en modo de d e polarización cero o fotovoltaica, el fluo de fotocorriente fuera del dispositivo está restringido y una tensión se acumula. *ste modo explota el efecto fotovoltaico, ue es la !ase para las células solares ( una célula solar tradicional es sólo una gran área de fotodiodo.
Modo Photoconductiv Photoconductive e *n este modo, el diodo está polarizado inversamente a menudo. *n comparación con la polarización directa, esto reduce drásticamente el tiempo de respuesta a expensas
de un aumento del ruido, de!ido a ue aumenta la anc#ura de la capa de agotamiento, lo ue disminuye la capacitancia de la unión. La polarización inversa induce sólo una peue$a cantidad de corriente a lo largo de su dirección, mientras ue la fotocorriente sigue siendo prácticamente la misma. %ara una distri!ución espectral dada, la fotocorriente es linealmente proporcional a la iluminancia. -unue este modo es más rápido, el modo de fotoconductora tiende a ex#i!ir ruido más electrónico. La corriente de un !uen diodo %&' fuga es tan !aa ue el ruido de o#nson('yuist de la resistencia de carga en un circuito típico menudo domina.
Otros modos de operación Los fotodiodos de avalanc#a tienen una estructura similar a fotodiodos regulares, pero son maneados con muc#o mayor polarización inversa. *sto permite ue cada portador de foto(generado para ser multiplicado por avalanc#a avería, lo ue resulta en ganancia interna dentro del fotodiodo, lo ue aumenta la capacidad de respuesta eficaz del dispositivo. Un fototransistor es, en esencia, un transistor !ipolar dentro de una caa transparente, de modo ue la luz puede llegar a la unión !ase(colector. Fue inventado por el /r. o#n '. +#ive en los La!oratorios 0ell en 12345 678, pero no se anunció #asta 1287. Los electrones ue se generan por los fotones en la unión !ase(colector se inyectan en la !ase, y esta corriente fotodiodo es amplificada por la ganancia de corriente del transistor. +i el emisor se dea sin conectar, el fototransistor se convierte en un fotodiodo. "ientras fototransistores tienen una capacidad de respuesta más alta para la luz ue no son capaces de detectar niveles !aos de luz meor ue fotodiodos. Fototransistores tam!ién tienen tiempos de respuesta significativamente más largos.
Materiales *l material utilizado para #acer un fotodiodo es crítico para la definición de sus propiedades, de!ido a ue sólo los fotones con energía suficiente para excitar electrones a través de la !anda pro#i!ida del material de producirán fotocorrientes significativas.
Los materiales comúnmente utilizados para producir fotodiodos incluyen5 /e!ido a su mayor !anda pro#i!ida, fotodiodos de silicio !asados generan menos ruido ue los fotodiodos !asados en germanio.
Fotodiodos no deseados )ualuier unión pn, si ilumina, es potencialmente un fotodiodo. /ispositivos semiconductores como transistores y circuitos integrados contienen uniones pn, y no funcionarán correctamente si se les ilumina con radiación electromagnética no deseada de longitud de onda adecuada para producir una fotocorriente, lo ue se evita por medio de dispositivos en carcasas opacos encapsulación. +i estas viviendas no son completamente opacos a la radiación, transistores y circuitos integrados de alta energía puede funcionar mal de!ido a las corrientes inducidas por foto(. *stuc#es de plástico son más vulnera!les ue los de metal.
Características Los parámetros críticos de rendimiento de un fotodiodo incluyen5 9esponsividad La responsividad espectral es una relación de la fotocorriente generada para alimentar la luz incidente, expresada en -:; cuando se utiliza en modo de fotoconductora. La longitud de onda de la dependencia tam!ién puede ser expresado como una eficiencia cuántica, o la relación entre el número de portadores fotogenerados a fotones incidentes, una cantidad sin unidades.
tiempo de tránsito y se puede evaluar mediante el uso de teorema de 9amo. =am!ién se puede mostrar con este teorema de ue la carga total generado en el circuito externo es !ien * y no 6e como podría parecer por la presencia de los dos portadores. /e #ec#o, la integral de la corriente de!ido tanto electrón y el #ueco en el tiempo de!e ser igual a e. La resistencia y la capacitancia del fotodiodo y la circuitería externa dan lugar a otro tiempo de respuesta conocido como constante de tiempo 9). *sta com!inación de 9 y ) integra la fotorrespuesta lo largo del tiempo y p or lo tanto se alarga la respuesta de impulsos del fotodiodo. )u ando se utiliza en un sistema de comunicación óptica, el tiempo de respuesta determina el anc#o de !anda disponi!le para la modulación de la se$al y por lo tanto la transmisión de datos. %otencia de ruido euivalente de entrada *l mínimo de potencia óptica para generar fotocorriente, igual a la corriente en un anc#o de !anda de 1 >z ruido rms. '*% es esencialmente la potencia mínima detecta!le. *l detectividad característica relacionada es la inversa de la '*%, 1:'*%. =am!ién existe la detectividad específica ue es la detectividad multiplicado por la raíz cuadrada del área de la célula fotoeléctrica, para un a nc#o de !anda de 1 >z. *l detectividad específica permite ue diferentes sistemas para ser comparados independiente del área del sensor y anc#o de !anda del sistema? detectividad un valor más alto indica un dispositivo de !ao nivel de ruido o del sistema. -unue es tradicional dar en muc#os catálogos como una medida de la calidad del diodo, en la práctica, casi nunca es el parámetro clave. )uando un fotodiodo se utiliza en un sistema de comunicación óptica, todos estos parámetros contri!uyen a la sensi!ilidad del receptor óptico, ue es la potencia de entrada mínima reuerida para el receptor de lograr una tasa de error de !it especificado.
Aplicaciones Fotodiodos %' se utilizan en aplicaciones similares a otros fotodetectores, como fotoconductores, dispositivos de acoplamiento de carga, y tu!os fotomultiplicadores. *llos se pueden utilizar para generar una salida ue depende de la iluminación, o para cam!iar el estado de los circuitos.
Fotodiodos se utilizan en dispositivos de electrónica de consumo como reproductores de discos compactos, detectores de #umo, y los receptores de los dispositivos de control remoto por infrarroos utilizados para controlar el euipo desde los televisores a los acondicionadores de aire. %ara muc#as aplicaciones pueden utilizarse fotodiodos o fotoconductores. )ualuier tipo de fotosensor puede ser utilizado para la medición de la luz, como en metros luz de la cámara, o para responder a los niveles de luz, como en la conmutación de iluminación de las calles después del anoc#ecer. Fotosensores de todos los tipos pueden ser utilizados para re sponder a la luz incidente, o a una fuente de luz ue es parte del mismo circuito o sistema. Un fotodiodo se com!ina a menudo en un solo componente con un emisor de luz, por lo general un diodo emisor de luz, o !ien para detectar la presencia de una o!strucción mecánica a la viga, o para acoplar dos circuitos digitales o analógicos, mientras ue el mantenimiento de extremadamente alto aislamiento eléctrico entre ellos, a menudo para la seguridad. Fotodiodos se utilizan a menudo para una medición precisa de la intensidad de la luz de la ciencia y la industria. *n general, tienen una respuesta más lineal ue fotoconductores. =am!ién son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones médicas, tales como detectores para la tomografía computarizada, instrumentos para analizar las muestras, y oxímetros de pulso. /iodos %&' son muc#o más rápido y más sensi!le ue los diodos de unión pn, y por lo tanto a menudo se utilizan para las comunicaciones ópticas y en la regulación de la iluminación. Fotodiodos %' no se utilizan para medir las intensidades de luz extremadamente !aa. /ispositivos de carga acoplada *n cam!io, si se necesita una alta sensi!ilidad, fotodiodos de avalanc#a, se intensificaron o tu!os fotomultiplicadores se utilizan para aplicaciones tales como la astronomía, la espectroscopia, euipos de visión nocturna y telémetro láser.
Comparación con fotomultiplicadores @entaas en comparación con fotomultiplicadores5
Excelente linealidad de la corriente en función de la luz incidente de salida Respuesta espectral de 190 nm a 1100 nm, longitud de onda más largas con otros materiales semiconductores Bajo nivel de ruido Robusto a la tensión mecánica Bajo coste ompacto ! ligero "arga vida #til $lta eficiencia cuántica, por lo general %0& 'in alta tensión necesaria Las desventaas en comparación con fotomultiplicadores5
(e)ue*a zona +o a! ganancia interna -uco menor sensibilidad general (oton contando sólo es posible con fotodiodos especialmente dise*ados, generalmente enfriados, con circuitos electrónicos especiales El tiempo de respuesta para mucos dise*os es más lento
Array de fotodiodos Una matriz unidimensional de cientos o miles de fotodiodos puede ser utilizado como un sensor de posición, por eemplo, como parte de un sensor de ángulo. Una ventaa de las matrices de fotodiodos es ue permiten a alta velocidad en paralelo leer desde la electrónica de conducción no podrán ser construidas en como un )"<+ tradicional o sensor ))/.