Detectores opticos

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Fig. 3 Fotodiodo a) configuración de polarización y construcción básica; b) símbolo

Por lo común la corriente de saturación en inversa está limitada a algunos microamperios. Esto se debe sólo a los portadores minoritarios térmicamente generados en los materiales tipo n y p. La aplicación de luz a la unión hace que se transfiera energía de las ondas luminosas viajeras incidentes (en forma de fotones) a la estructura atómica, y el resultado es una cantidad incrementada de portadores minoritarios y un nivel incrementado de corriente en inversa. Esto se muestra con claridad en la figura 4 a diferentes niveles de intensidad.

La corriente oscura es la que se dará sin iluminación aplicada. Observe que la corriente sólo regresará a cero con una polarización aplicada positiva igual a VT. Además, la figura 3 demuestra el uso de una lente para concentrar la luz en la región de la unión. En la figura 6 se muestran algunos diodos comerciales.

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Fig. 4 Curvas características del fotodiodo

La separación casi igual entre las curvas con el mismo incremento del flujo luminoso revela que la corriente en inversa y el flujo luminoso están casi linealmente relacionados.

En otras palabras, un aumento en la intensidad luminosa producirá un incremento similar de la corriente en inversa. En la figura 4 aparece una gráfica de los dos para demostrar esta relación lineal para un voltaje fijo de 20 V. Con una base relativa, podemos suponer que la corriente en inversa es en esencia cero sin luz incidente. Como los tiempos de levantamiento y caída (parámetros de cambio de estado) son muy pequeños para este dispositivo (en el intervalo de nanosegundos), puede utilizarse el dispositivo en aplicaciones de conteo o conmutación de alta velocidad. Volviendo a la figura 1, observamos que el Ge abarca un espectro más amplio de longitudes de onda que el Si. [pic 15]

Esto lo convierte en un elemento adecuado para luz incidente en la región infrarroja provista por láseres y fuentes luminosas IR (infrarrojas), que pronto describiremos. Desde luego, el Ge tiene una corriente oscura más alta que el Si, pero también un nivel más alto de corriente en inversa. El nivel de corriente generado por la luz incidente en un fotodiodo no es adecuado para utilizarlo como control directo, pero se puede amplificar para este propósito.

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Fig. 5 (uA) contra (a ) = 20 V del fotodiodo de la fig. 3[pic 17][pic 18][pic 19]

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Fig. 6 Fotodiodos comerciales

*Fotodiodos P I N

Para incrementar el ancho de la región de agotamiento puede insertarse un estrato de semiconductor puro (o ligeramente impurificado) entre las capas p y n. Como la capa intermedia está hecha con un material casi intrínseco, esta estructura se conoce como fotodiodo p-i-n. La figura 7 muestra tanto la estructura del dispositivo como la distribución de campo eléctrico dentro de él al encontrarse bajo polarización inversa. La capa intermedia, por ser intrínseca, presenta una mayor resistencia, y la mayor parte de la caída de voltaje ocurre a través de ella, existiendo por lo tanto un campo eléctrico intenso en dicha capa i. La región de agotamiento se extiende a lo largo de la región i, y su ancho G puede ser controlada cambiando el grosor de la capa intermedia. La diferencia principal respecto al fotodiodo p-n es que la componente de arrastre (drift) de la fotocorriente domina sobre la componente de difusión debido a que la mayor parte de la potencia óptica es absorbida en la región i de un fotodiodo p-i-n.

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Fig. 7 Fotodiodo PIN y su distribución de campo eléctrico bajo polarización inversa

El valor óptimo de G depende del canje entre la velocidad y la sensibilidad. La responsividad puede incrementarse al aumentar G, de tal manera que la eficiencia cuántica se aproxime a 100%. Sin embargo, la respuesta temporal también crece, pues a los portadores les toma más tiempo ser arrastrados por la región de agotamiento. Para semiconductores de banda prohibida indirecta como el Si y el Ge, G debe ser entre 20 y 50 µm para garantizar una buena eficiencia cuántica. El ancho de banda de esos fotodiodos está entonces limitado por un tiempo de tránsito relativamente grande (mayor a 200 ps). En cambio, G puede ser entre 3 y 5 µm para fotodiodos hechos con semiconductores de banda directa como el InGaAs. El tiempo de tránsito para estos fotodiodos es del orden de 10 ps, el cual corresponde a un ancho de banda del orden de 10 GHz.

El desempeño de los fotodiodos p-i-n puede ser mejorado si se utilizan diseños de heteroestructuras dobles. De manera similar al caso de los láseres semiconductores, la región i está rodeada por capas de revestimiento de tipo p y n de un material semiconductor diferente cuya banda prohibida se escoge de tal manera que la luz sea absorbida solamente en la capa intermedia i. Un fotodiodo usado comúnmente en comunicaciones ópticas utiliza InGaAs para la capa media e InP para las capas p y n circundantes. Debido a que la banda prohibida del InP es de 1.35 eV, este material es transparente para ondas luminosas cuyas longitudes de onda exceden 0.92 µm. En contraste, la banda prohibida del material semiconductor con constante de red acoplada InGaAs es de alrededor de 0.75 eV, teniendo entonces una longitud de onda de corte de 1.65 µm. La capa media de InGaAs presenta una fuerte absorción de luz en el rango de 1.3 a 1.6 µm. La componente de difusión de la fotocorriente es completamente eliminada ya que los fotones son absorbidos exclusivamente dentro de la región de agotamiento. La cara frontal está generalmente recubierta de un dieléctrico adecuado para minimizar las reflexiones. La eficiencia cuántica η puede hacerse casi de 100% mediante el uso de una capa de InGaAs de entre 4 y 5 µm de espesor. Estos dispositivos son usados ampliamente de manera práctica en sistemas ópticos de comunicaciones. La tabla 1 enlista las características de operación de los tres fotodiodos p-i-n comunes.

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Fig. 8 Estructura de un fotodiodo PIN de silicio

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Tabla 1. Características de los fotodiodos P I N comunes

*Fotodiodo