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El fotodiodo El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina). Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga. Las características de la unión PN son bien conocidas, sin embargo, las uniones de fotodiodos son inusuales debido a que la capa superior tipo “p” es muy delgada. El grosor de esta capa está determinado por la longitud de onda de la radiación que será detectada. En las cercanías de la unión PN el silicio llega a estar completamente vació de cargas eléctricas. Esta se conoce como la “región de vació”. La profundidad de la región de vacío puede variar de acuerdo al voltaje inverso que se le aplique a la unión. Cuando la región de vació alcanza la parte posterior del diodo, el fotodiodo se dice que está completamente vaciado. La región de vació es importante para el desempeño del fotodiodo dado que la mayor parte de su sensibilidad se origina allí.

Figura 1. Circuito con utilización de un fotodiodo

TIPOS DE FOTODIODOS Fotodiodos se pueden clasificar según su función y la construcción de la siguiente manera: • PN fotodiodo • PIN fotodiodo

• Fotodiodo de tipo Schottky • APD (fotodiodo de avalancha)

Fotodiodo PIN El fotodiodo PIN es un diodo semiconductor al que se le ha introducido una zona intermedia llamada intrínseca para que la eficiencia del fotodiodo sea alta. El problema que presenta es que el tiempo de tránsito de los fotoportadores es mayor, aumentando el tiempo de respuesta. Por este motivo, el tamaño de la zona intrínseca se escoge según un compromiso entre eficiencia y tiempo de respuesta. Fotodiodo APD El fotodiodo APD o de avalancha es un fotodiodo con ganancia interna debido al efecto de avalancha. El par electrón-hueco inicial se crea por la absorción de un fotón. Este par inicial provoca pares secundarios, la corriente secundaria.

COMPOSICION El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor. También es posible la fabricación de fotodiodos para su uso en el campo de los infrarrojos medios (longitud de onda entre 5 y 20 µm), pero estos requieren refrigeración por nitrógeno líquido.

Operación El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que, solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa. El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de fugas de valor IS. Las corrientes de fugas son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa tal y como se ve en la figura de la curva característica.

El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa. Para caracterizar el funcionamiento del fotodiodo se definen los siguientes parámetros: Se denomina corriente oscura (dark current), a la corriente en inversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente.

Se define la sensibilidad del fotodiodo al incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes o en mW/cm2. Esta relación es constante para un amplio intervalo de iluminaciones. El modelo circuital del fotodiodo en inversa está formado por un generador de intensidad cuyo valor depende de la cantidad de luz. En directa, el fotodiodo se comporta como un diodo normal. Si está fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será aproximadamente 0,7 V. Los fotodiodos son más rápidos que las fotorresistencias, es decir, tienen un tiempo de respuesta menor, sin embargo solo pueden conducir en una polarización directa corrientes relativamente pequeñas. La siguiente figura muestra la estructura básica y el funcionamiento de un fotodiodo. Cuando son absorbidos por el dispositivo fotones cuya energía es mayor que la del intervalo de energía, se generan pares electrón-hueco. Una de las ventajas principales del dopado es introducir impurezas que originan electrones o huecos muy próximos a la banda de conducción; por tanto se requiere menor energía para excitar estos estados añadidos hasta la banda de conducción.

Geometría Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el sentido que necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosos para incidir en la unión PN. En la siguiente foto aparece una geometría típica. Por supuesto, el encapsulado es transparente a la luz.

Corte transversal de un fotodiodo comercial Tiempo de respuesta Los fotodiodos son más rápidos que las fotorresistencias, es decir, tienen un tiempo de respuesta menor, sin embargo solo pueden conducir en una polarización directa corrientes relativamente pequeñas. En ausencia de polarización, la respuesta es lenta debido a la lentitud de la cargas en su migración hacia la superficie. Al aplicar una tensión inversa pequeña (5 V), las cargas generadas en la zona desierta son recogidas rápidamente y son responsables de la rápida respuesta inicial. Cuando la tensión aplicada es mayor. La zona desierta se extiende a toda la profundidad del dispositivo, dando un solo flanco de subida rápido. En la figura siguiente se ilustra la respuesta del fotodiodo a un pulso de radiación con forma cuadrada.

Aplicaciones Los fotodiodos se utilizan en dispositivos de electrónica de consumo como reproductores de discos compactos, detectores de humo, y los receptores de los dispositivos de control remoto por infrarrojos utilizados para controlar el equipo desde los televisores a los acondicionadores de aire. Para muchas aplicaciones pueden utilizarse fotodiodos o fotoconductores. Cualquier 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 anochecer. Fotodiodos se utilizan a menudo para una medición precisa de la intensidad de la luz de la ciencia y la industria. En general, tienen una respuesta más lineal que fotoconductores. También son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones médicas, tales como detectores para la tomografía computarizada, instrumentos para analizar las muestras, y oxímetros de pulso. Fotodiodos PN no se utilizan para medir las intensidades de luz extremadamente baja. Dispositivos de carga acoplada En cambio, si se necesita una alta sensibilidad, fotodiodos de avalancha, se intensificaron o tubos fotomultiplicadores se utilizan para aplicaciones tales como la astronomía, la espectroscopia, equipos de visión nocturna y telémetro

Investigaciones La investigación a nivel mundial en este campo se centra (en torno a 2005) especialmente en el desarrollo de células solares económicas, miniaturización y mejora de los sensores CCD y CMOS, así como de fotodiodos más rápidos y sensibles para su uso en telecomunicaciones con fibra óptica. Desde 2005 existen también semiconductores orgánicos. La empresa NANOIDENT Technologies fue la primera en el mundo en desarrollar un fotodetector orgánico, basado en fotodiodos orgánicos.