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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 que pueden ser o bien expuestos o empaquetados con una ventana o conexión de fibra óptica para permitir que la luz para llegar a la parte sensible del dispositivo. Muchos diodos diseñados específicamente para su uso como un fotodiodo PIN utilizan una unión en lugar de una unión pn, para aumentar la velocidad de respuesta. Un fotodiodo está diseñado para operar en polarización inversa.

Principio de funcionamiento Un fotodiodo es una unión p-n o estructura PIN. Cuando un fotón de energía suficiente golpea el diodo, se excita un electrón, creando de ese modo un electrón libre. Este mecanismo también se conoce como el efecto fotoeléctrico interno. Si la absorción se produce en la región de agotamiento de la unión, o una longitud de difusión de distancia de ella, estos portadores son barridas de la unión por la incorporada en el campo eléctrico de la región de agotamiento. Por lo tanto agujeros se mueven hacia el ánodo, y los electrones hacia 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 que la oscuridad corriente debe reducirse al mínimo para maximimze la sensibilidad del dispositivo.

El modo fotovoltaico Cuando se utiliza en modo de polarización cero o fotovoltaica, el flujo de fotocorriente fuera del dispositivo está restringido y una tensión se acumula. Este modo explota el efecto fotovoltaico, que es la base para las células solares - una célula solar tradicional es sólo una gran área de fotodiodo.

Modo Photoconductive En este modo, el diodo está polarizado inversamente a menudo. En comparación con la polarización directa, esto reduce drásticamente el tiempo de respuesta a expensas

de un aumento del ruido, debido a que aumenta la anchura de la capa de agotamiento, lo que disminuye la capacitancia de la unión. La polarización inversa induce sólo una pequeña cantidad de corriente a lo largo de su dirección, mientras que la fotocorriente sigue siendo prácticamente la misma. Para una distribución espectral dada, la fotocorriente es linealmente proporcional a la iluminancia. Aunque este modo es más rápido, el modo de fotoconductora tiende a exhibir ruido más electrónico. La corriente de un buen diodo PIN fuga es tan baja que el ruido de Johnson-Nyquist de la resistencia de carga en un circuito típico menudo domina.

Otros modos de operación Los fotodiodos de avalancha tienen una estructura similar a fotodiodos regulares, pero son manejados con mucho mayor polarización inversa. Esto permite que cada portador de foto-generado para ser multiplicado por avalancha avería, lo que resulta en ganancia interna dentro del fotodiodo, lo que aumenta la capacidad de respuesta eficaz del dispositivo. Un fototransistor es, en esencia, un transistor bipolar dentro de una caja transparente, de modo que la luz puede llegar a la unión base-colector. Fue inventado por el Dr. John N. Shive en los Laboratorios Bell en 1948: 205, pero no se anunció hasta 1950. Los electrones que se generan por los fotones en la unión base-colector se inyectan en la base, y esta corriente fotodiodo es amplificada por la ganancia de corriente del transistor. Si el emisor se deja sin conectar, el fototransistor se convierte en un fotodiodo. Mientras fototransistores tienen una capacidad de respuesta más alta para la luz que no son capaces de detectar niveles bajos de luz mejor que fotodiodos. Fototransistores también tienen tiempos de respuesta significativamente más largos.

Materiales El material utilizado para hacer un fotodiodo es crítico para la definición de sus propiedades, debido a que sólo los fotones con energía suficiente para excitar electrones a través de la banda prohibida del material de producirán fotocorrientes significativas.

Los materiales comúnmente utilizados para producir fotodiodos incluyen: Debido a su mayor banda prohibida, fotodiodos de silicio basados generan menos ruido que los fotodiodos basados en germanio.

Fotodiodos no deseados Cualquier unión pn, si ilumina, es potencialmente un fotodiodo. Dispositivos 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 que se evita por medio de dispositivos en carcasas opacos encapsulación. Si estas viviendas no son completamente opacos a la radiación, transistores y circuitos integrados de alta energía puede funcionar mal debido a las corrientes inducidas por foto-. Estuches de plástico son más vulnerables que los de metal.

Características Los parámetros críticos de rendimiento de un fotodiodo incluyen: Responsividad La responsividad espectral es una relación de la fotocorriente generada para alimentar la luz incidente, expresada en A/W cuando se utiliza en modo de fotoconductora. La longitud de onda de la dependencia también puede ser expresado como una eficiencia cuántica, o la relación entre el número de portadores fotogenerados a fotones incidentes, una cantidad sin unidades. Oscuro corriente La corriente a través del fotodiodo en ausencia de luz, cuando se opera en el modo de foto-. La corriente oscura incluye fotocorriente generada por la radiación de fondo y la corriente de saturación de la unión semiconductora. Corriente oscura debe tenerse en cuenta por la calibración si un fotodiodo se utiliza para hacer una medición precisa de la potencia óptica, y también es una fuente de ruido cuando se utiliza un fotodiodo en un sistema de comunicación óptica. Tiempo de respuesta Un fotón absorbido por el material semiconductor va a generar un par electrón-hueco que a su vez comenzar a moverse en el material bajo el efecto del campo eléctrico y por lo tanto generar una corriente. La duración finita de esta corriente se conoce como la propagación de

tiempo de tránsito y se puede evaluar mediante el uso de teorema de Ramo. También se puede mostrar con este teorema de que la carga total generado en el circuito externo es bien E y no 2e como podría parecer por la presencia de los dos portadores. De hecho, la integral de la corriente debido tanto electrón y el hueco en el tiempo debe 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 RC. Esta combinación de R y C integra la fotorrespuesta lo largo del tiempo y por lo tanto se alarga la respuesta de impulsos del fotodiodo. Cuando se utiliza en un sistema de comunicación óptica, el tiempo de respuesta determina el ancho de banda disponible para la modulación de la señal y por lo tanto la transmisión de datos. Potencia de ruido equivalente de entrada El mínimo de potencia óptica para generar fotocorriente, igual a la corriente en un ancho de banda de 1 Hz ruido rms. NEP es esencialmente la potencia mínima detectable. El detectividad característica relacionada es la inversa de la NEP, 1/NEP. También existe la detectividad específica que es la detectividad multiplicado por la raíz cuadrada del área de la célula fotoeléctrica, para un ancho de banda de 1 Hz. El detectividad específica permite que diferentes sistemas para ser comparados independiente del área del sensor y ancho de banda del sistema; detectividad un valor más alto indica un dispositivo de bajo nivel de ruido o del sistema. Aunque es tradicional dar en muchos catálogos como una medida de la calidad del diodo, en la práctica, casi nunca es el parámetro clave. Cuando un fotodiodo se utiliza en un sistema de comunicación óptica, todos estos parámetros contribuyen a la sensibilidad del receptor óptico, que es la potencia de entrada mínima requerida para el receptor de lograr una tasa de error de bit especificado.

Aplicaciones Fotodiodos PN se utilizan en aplicaciones similares a otros fotodetectores, como fotoconductores, dispositivos de acoplamiento de carga, y tubos fotomultiplicadores. Ellos se pueden utilizar para generar una salida que depende de la iluminación, o para cambiar el estado de los circuitos.

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. Fotosensores de todos los tipos pueden ser utilizados para responder a la luz incidente, o a una fuente de luz que es parte del mismo circuito o sistema. Un fotodiodo se combina a menudo en un solo componente con un emisor de luz, por lo general un diodo emisor de luz, o bien para detectar la presencia de una obstrucción mecánica a la viga, o para acoplar dos circuitos digitales o analógicos, mientras que 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. 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. Diodos PIN son mucho más rápido y más sensible que 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 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 láser.

Comparación con fotomultiplicadores Ventajas en comparación con fotomultiplicadores:

 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  Compacto y ligero  Larga vida útil  Alta eficiencia cuántica, por lo general 80%  Sin alta tensión necesaria Las desventajas en comparación con fotomultiplicadores:

 Pequeña zona  No hay ganancia interna  Mucho menor sensibilidad general  Photon contando sólo es posible con fotodiodos especialmente diseñados, generalmente enfriados, con circuitos electrónicos especiales  El tiempo de respuesta para muchos diseños es más lento

Array de fotodiodos Una matriz unidimensional de cientos o miles de fotodiodos puede ser utilizado como un sensor de posición, por ejemplo, como parte de un sensor de ángulo. Una ventaja de las matrices de fotodiodos es que permiten a alta velocidad en paralelo leer desde la electrónica de conducción no podrán ser construidas en como un CMOS tradicional o sensor CCD.