Fotodiodo

Un fotodiodo es un diodo semiconductor sensible a la luz. Produce corriente cuando absorbe fotones.

El paquete de un fotodiodo permite que la luz (o la radiación infrarroja o ultravioleta, o rayos X) alcance la parte sensible del dispositivo. El paquete puede incluir lentes o filtros ópticos. Los dispositivos diseñados para usarse especialmente como fotodiodo usan una unión PIN en lugar de una unión p-n, para aumentar la velocidad de respuesta. Los fotodiodos suelen tener un tiempo de respuesta más lento a medida que aumenta su área de superficie. Un fotodiodo está diseñado para operar en polarización inversa. Una celda solar utilizada para generar energía solar eléctrica es un fotodiodo de área grande.

Los fotodiodos se utilizan en instrumentos científicos e industriales para medir la intensidad de la luz, ya sea por sí misma o como medida de alguna otra propiedad (densidad del humo, por ejemplo). Se puede utilizar un fotodiodo como receptor de datos codificados en un haz de infrarrojos, como en los mandos a distancia domésticos. Los fotodiodos se pueden utilizar para formar un optoacoplador, lo que permite la transmisión de señales entre circuitos sin una conexión metálica directa entre ellos, lo que permite el aislamiento de las diferencias de alto voltaje.

Principio de funcionamiento

Un fotodiodo es una estructura PIN o unión p-n. Cuando un fotón de suficiente energía golpea el diodo, crea un par electrón-hueco. Este mecanismo también se conoce como efecto fotoeléctrico interno. Si la absorción ocurre en la región de empobrecimiento de la unión, o a una longitud de difusión lejos de ella, estos portadores son arrastrados desde la unión por el campo eléctrico incorporado de la región de empobrecimiento. Así, los huecos 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 (corriente que se genera en ausencia de luz) y la fotocorriente, por lo que la corriente oscura debe minimizarse para maximizar la sensibilidad del dispositivo.

En primer orden, para una distribución espectral dada, la fotocorriente es linealmente proporcional a la irradiancia.

Modo fotovoltaico

En el modo fotovoltaico (polarización cero), la fotocorriente fluye hacia el ánodo a través de un cortocircuito hacia el cátodo. Si el circuito está abierto o tiene una impedancia de carga que restringe la fotocorriente fuera del dispositivo, se acumula un voltaje en la dirección que polariza directamente el diodo, es decir, el ánodo es positivo con respecto al cátodo. Si el circuito está en cortocircuito o la impedancia es baja, una corriente directa consumirá toda o parte de la fotocorriente. Este modo aprovecha el efecto fotovoltaico, que es la base de las células solares: una célula solar tradicional es solo un fotodiodo de gran área. Para una potencia de salida óptima, la celda fotovoltaica funcionará a un voltaje que cause solo una pequeña corriente directa en comparación con la fotocorriente.

Modo fotoconductor

En el modo fotoconductor, el diodo tiene polarización inversa, es decir, el cátodo es positivo con respecto al ánodo. Esto reduce el tiempo de respuesta porque la polarización inversa adicional aumenta el ancho de la capa de agotamiento, lo que disminuye la capacitancia de la unión y aumenta la región con un campo eléctrico que hará que los electrones se recopilen rápidamente. La polarización inversa también crea una corriente oscura sin muchos cambios en la fotocorriente.

Aunque este modo es más rápido, el modo fotoconductor puede presentar más ruido electrónico debido a los efectos de corriente oscura o avalancha. La corriente de fuga de un buen diodo PIN es tan baja (<1 nA) que a menudo domina el ruido de Johnson-Nyquist de la resistencia de carga en un circuito típico.

Dispositivos relacionados

Los fotodiodos de avalancha son fotodiodos con estructura optimizada para operar con polarización inversa alta, acercándose a la tensión de ruptura inversa. Esto permite que cada portadora fotogenerada se multiplique por la ruptura de la avalancha, lo que da como resultado una ganancia interna dentro del fotodiodo, lo que aumenta la capacidad de respuesta efectiva del dispositivo.

Un fototransistor es un transistor sensible a la luz. Un tipo común de fototransistor, el fototransistor bipolar, es en esencia un transistor bipolar encerrado en una caja transparente para que la luz pueda llegar a la unión base-colector. Fue inventado por el Dr. John N. Shive (más famoso por su máquina de ondas) en Bell Labs en 1948, pero no se anunció hasta 1950. Los electrones que generan los fotones en la unión base-colector se inyectan en la base, y esta corriente del fotodiodo es amplificada por la ganancia de corriente del transistor β (o h_fe). Si se utilizan los cables de la base y del colector y el emisor se deja desconectado, el fototransistor se convierte en un fotodiodo. Si bien los fototransistores tienen una mayor capacidad de respuesta a la luz, no pueden detectar niveles bajos de luz mejor que los fotodiodos. Los fototransistores también tienen tiempos de respuesta significativamente más largos. Otro tipo de fototransistor, el fototransistor de efecto de campo (también conocido como photoFET), es un transistor de efecto de campo sensible a la luz. A diferencia de los transistores fotobipolares, los fotoFET controlan la corriente de la fuente de drenaje creando un voltaje de puerta.

Un solaristor es un fototransistor sin compuerta de dos terminales. En 2018, los investigadores del ICN2 demostraron una clase compacta de fototransistores o solaristores de dos terminales. El concepto novedoso es una fuente de energía dos en uno más un dispositivo de transistor que funciona con energía solar mediante la explotación de un efecto memresistivo en el flujo de portadores fotogenerados.

Materiales

El material utilizado para fabricar un fotodiodo es fundamental para definir sus propiedades, ya que solo los fotones con energía suficiente para excitar electrones a través de la banda prohibida del material producirán fotocorrientes significativas.

Los materiales comúnmente utilizados para producir fotodiodos se enumeran en la siguiente tabla.

Material	espectro electromagnético rango de longitud de onda (nm)
Silicon	190–1100
Germanium	400-1700
Indium gallium arsenide	800 a 2600
Sulfuro de plomo(II)	Identificado 1000-3500
Mercurido de cadmio	400-14000

Debido a su mayor banda prohibida, los fotodiodos basados en silicio generan menos ruido que los fotodiodos basados en germanio.

Los materiales binarios, como el MoS₂, y el grafeno surgieron como nuevos materiales para la producción de fotodiodos.

Efectos de fotodiodo deseados y no deseados

Cualquier unión p-n, si está iluminada, es potencialmente un fotodiodo. Los dispositivos semiconductores como diodos, transistores e circuitos integrados contienen uniones p-n y no funcionarán correctamente si están iluminados por radiación electromagnética no deseada (luz) de longitud de onda adecuada para producir una fotocorriente. Esto se evita encapsulando los dispositivos en carcasas opacas. Si estas carcasas no son completamente opacas a la radiación de alta energía (ultravioleta, rayos X, rayos gamma), los diodos, transistores e circuitos integrados pueden funcionar mal debido a las fotocorrientes inducidas. La radiación de fondo del embalaje también es importante. El endurecimiento por radiación mitiga estos efectos.

En algunos casos, el efecto es realmente deseado, por ejemplo, para usar LED como dispositivos sensibles a la luz (ver LED como sensor de luz) o incluso para la recolección de energía, entonces a veces llamados diodos emisores y absorbentes de luz (LEAD).

Características

Los parámetros de rendimiento críticos de un fotodiodo incluyen la capacidad de respuesta espectral, la corriente oscura, el tiempo de respuesta y la potencia equivalente al ruido.

Responsividad espectral

La responsividad espectral es una relación de la fotocorriente generada a la potencia de luz incidente, expresada en A/W cuando se utiliza en modo fotoconductor. La dependencia de longitud de onda también puede expresarse como eficiencia cuántica o la relación del número de portadores fotogenerados a fotones incidentes que es una cantidad sin unidad.

Corriente oscura

La corriente oscura es la corriente a través de la fotodioda en ausencia de luz, cuando se opera en modo fotoconductivo. La corriente oscura incluye fotocorriente generada por radiación de fondo y la corriente de saturación de la unión semiconductora. La corriente oscura debe ser contabilizada por calibración si se utiliza una fotodioda para realizar una medición de potencia óptica precisa, y también es una fuente de ruido cuando se utiliza una fotodioda en un sistema de comunicación óptica.

Tiempo de respuesta

El tiempo de respuesta es el tiempo necesario para que el detector responda a una entrada óptica. Un foton absorbido por el material semiconductor generará un par electron-hole que a su vez comenzará a moverse en el material bajo el efecto del campo eléctrico y así generará una corriente. La duración finita de esta corriente se conoce como la propagación del tiempo de tránsito y se puede evaluar utilizando el teorema de Ramo. También se puede mostrar con este teorema que la carga total generada en el circuito externo es e y no 2e como uno podría esperar por la presencia de los dos portadores. De hecho, la parte integral de la corriente debido tanto al electrón como al agujero con el tiempo debe ser igual a e. La resistencia y la capacitancia de la fotodioda y de los circuitos externos dan lugar a otro tiempo de respuesta conocido como RC tiempo constante (τ τ =RC{displaystyle tau =RC}). Esta combinación de R y C integra la fotorespuesta con el tiempo y por lo tanto alarga la respuesta del impulso de la fotodioda. Cuando se utiliza en un sistema de comunicación óptica, el tiempo de respuesta determina el ancho de banda disponible para la modulación de señales y por lo tanto la transmisión de datos.

Poder equivalente al ruido

Potencia equivalente de ruido (NEP) es la potencia óptica de entrada mínima para generar fotocorriente, igual a la corriente de ruido de rms en un ancho de banda de 1 hertz. El NEP es esencialmente el mínimo poder detectable. Los relacionados detectividad característica ()D{displaystyle D}) es el inverso de NEP (1/NEP) y el detectividad específica ()D⋆ ⋆ {displaystyle D^{star }) es la detectividad multiplicada por la raíz cuadrada del área (A{displaystyle A}) del fotodetector (D⋆ ⋆ =DA{displaystyle ¿Qué?Por un ancho de banda de 1 Hz. La detectividad específica permite comparar diferentes sistemas independientes del área de sensores y el ancho de banda del sistema; un valor de detectividad superior indica un dispositivo o sistema de ruido bajo. Aunque es tradicional dar (D⋆ ⋆ {displaystyle D^{star }) en muchos catálogos como medida de la calidad del diodo, en la práctica, no es nunca el parámetro clave.

Cuando se usa un fotodiodo 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 que el receptor alcance un bit específico tasa de error.

Aplicaciones

Los fotodiodos P–n se utilizan en aplicaciones similares a otros fotodetectores, como fotoconductores, dispositivos de carga acoplada (CCD) y tubos fotomultiplicadores. Pueden usarse para generar una salida que depende de la iluminación (analógica para la medición) o para cambiar el estado de los circuitos (digital, ya sea para control y conmutación o para el procesamiento de señales digitales).

Los fotodiodos se utilizan en dispositivos electrónicos de consumo, como reproductores de discos compactos, detectores de humo, dispositivos médicos y receptores para dispositivos de control remoto por infrarrojos que se utilizan para controlar equipos, desde televisores hasta acondicionadores de aire. Para muchas aplicaciones se pueden utilizar fotodiodos o fotoconductores. Cualquier tipo de fotosensor se puede usar para medir la luz, como en los medidores de luz de la cámara, o para responder a los niveles de luz, como al encender el alumbrado público después del anochecer.

Se pueden usar fotosensores de todo tipo para responder a la luz incidente oa una fuente de luz que sea parte del mismo circuito o sistema. Un fotodiodo a menudo se combina en un solo componente con un emisor de luz, generalmente un diodo emisor de luz (LED), ya sea para detectar la presencia de una obstrucción mecánica al haz (interruptor óptico ranurado) o para acoplar dos circuitos digitales o analógicos. mientras se mantiene un aislamiento eléctrico extremadamente alto entre ellos, a menudo por seguridad (optoacoplador). La combinación de LED y fotodiodo también se utiliza en muchos sistemas de sensores para caracterizar diferentes tipos de productos en función de su absorbancia óptica.

Los fotodiodos se utilizan a menudo para la medición precisa de la intensidad de la luz en la ciencia y la industria. Generalmente tienen una respuesta más lineal que los fotoconductores.

También se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones médicas, como detectores para tomografía computarizada (junto con centelladores), instrumentos para analizar muestras (inmunoensayo) y oxímetros de pulso.

Los diodos PIN son mucho más rápidos y sensibles que los diodos de unión p-n y, por lo tanto, a menudo se usan para comunicaciones ópticas y en la regulación de la iluminación.

Los fotodiodos P–n no se utilizan para medir intensidades de luz extremadamente bajas. En cambio, si se necesita una alta sensibilidad, se utilizan fotodiodos de avalancha, dispositivos de carga acoplada intensificada o tubos fotomultiplicadores para aplicaciones como astronomía, espectroscopia, equipos de visión nocturna y telémetro láser.

Comparación con fotomultiplicadores

Ventajas en comparación con los fotomultiplicadores:

1. Excelente linealidad de corriente de salida como función de luz de incidente
2. Respuesta espectral de 190 nm a 1100 nm (silicon), longitudes de onda más largas con otros materiales semiconductores
3. Bajo ruido
4. Ruggedized to mechanical stress
5. Bajo costo
6. Peso compacto y ligero
7. Larga vida
8. Alta eficiencia cuántica, típicamente 60-80%
9. No se requiere tensión alta

Desventajas en comparación con los fotomultiplicadores:

1. Zona pequeña
2. No hay ganancia interna (excepto fotodiodes avalanche, pero su ganancia es típicamente 10²–10³ en comparación con 10⁵-10⁸ para el fotomultiplier)
3. Sensibilidad general mucho menor
4. Conteo de fotones sólo posible con fotodiodos especialmente diseñados, generalmente refrigerados, con circuitos electrónicos especiales
5. Tiempo de respuesta para muchos diseños es más lento
6. Efecto latente

Fotodiodo fijo

El fotodiodo fijo (PPD) tiene un implante poco profundo (P+ o N+) en una capa de difusión de tipo N o tipo P, respectivamente, sobre una capa de sustrato de tipo P o tipo N (respectivamente), de modo que el intermedio la capa de difusión puede estar completamente desprovista de portadores mayoritarios, como la región base de un transistor de unión bipolar. El PPD (generalmente PNP) se usa en sensores CMOS de píxeles activos; En 1975, Sony inventó una variante NPN precursora con una capa N superior sincronizada para su uso en sensores de imagen CCD.

Los primeros sensores de imagen del dispositivo de carga acoplada sufrían de retraso del obturador. Esto se resolvió en gran medida con la invención del fotodiodo con clavijas. Fue inventado por Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. Reconocieron que el retraso se puede eliminar si los portadores de señal se pueden transferir del fotodiodo al CCD. Esto condujo a su invención del fotodiodo pined, una estructura de fotodetector con bajo retraso, bajo ruido, alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura. Fue informado públicamente por primera vez por Teranishi e Ishihara con A. Kohono, E. Oda y K. Arai en 1982, con la adición de una estructura anti-floración. La nueva estructura del fotodetector inventada en NEC recibió el nombre de "fotodiodo fijo" (PPD) por B.C. Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los sensores CCD, convirtiéndose en un accesorio en las cámaras de video electrónicas de consumo y luego en las cámaras fotográficas digitales.

En 1994, Eric Fossum, mientras trabajaba en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, propuso una mejora para el sensor CMOS: la integración del fotodiodo fijo. Un sensor CMOS con tecnología PPD fue fabricado por primera vez en 1995 por un equipo conjunto de JPL y Kodak que incluía a Fossum junto con P.P.K. Lee, RC Vaya, R.M. Guidash y T.H. Sotavento. Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CMOS. El sensor CMOS con tecnología PPD fue mejorado y refinado por R.M. Guidash en 1997, K. Yonemoto y H. Sumi en 2000, e I. Inoue en 2003. Esto llevó a que los sensores CMOS lograran un rendimiento de imágenes a la par con los sensores CCD y, más tarde, superaron a los sensores CCD.

Matriz de fotodiodos

Se puede utilizar una matriz unidimensional de cientos o miles de fotodiodos como sensor de posición, por ejemplo, como parte de un sensor de ángulo. Una matriz bidimensional se utiliza en sensores de imagen y ratones ópticos.

En algunas aplicaciones, las matrices de fotodiodos permiten una lectura en paralelo de alta velocidad, en lugar de integrar la electrónica de escaneo como en un dispositivo de carga acoplada (CCD) o un sensor CMOS. El chip de ratón óptico que se muestra en la foto tiene acceso paralelo (no multiplexado) a los 16 fotodiodos en su matriz de 4 × 4.

Sensor de imagen de píxeles pasivos

El sensor de píxeles pasivos (PPS) es un tipo de matriz de fotodiodos. Fue el precursor del sensor de píxeles activos (APS). Un sensor de píxeles pasivos consta de píxeles pasivos que se leen sin amplificación, y cada píxel consta de un fotodiodo y un interruptor MOSFET. En una matriz de fotodiodos, los píxeles contienen una unión p-n, un condensador integrado y MOSFET como transistores de selección. G. Weckler propuso una matriz de fotodiodos en 1968, anterior al CCD. Esta fue la base para el PPS.

El ruido de las matrices de fotodiodos a veces es una limitación para el rendimiento. No fue posible fabricar sensores de píxeles activos con un tamaño de píxel práctico en la década de 1970, debido a la tecnología de microlitografía limitada en ese momento.