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FOTODIODO

Casi para cada tipo de semiconductor de unin existe un dispositivo ptico anlogo que

responde a la luz en vez (o en conjuncin) de a una seal elctrica. La primera vez que se observ

que un diodo semiconductor era sensible a la luz, tuvo lugar probablemente al observarse un

considerable aumento de la corriente de prdida de un diodo de unin, al exponerlo a la luz.La Figura14 muestra el smbolo, la estructura bsica y el funcionamiento de un diodo de unin

pn de silicio. Cuando son absorbidos por el dispositivo fotones cuya energa es mayor que la del

intervalo de energa, se generan pares electrn-hueco. Una de las ventajas principales del dopadoes introducir impurezas que originan electrones o huecos muy prximos ala banda de conduccin;

por tanto se requiere menor energa para excitar estos estados aadidos hasta la banda deconduccin.

(a)

(b)

Figura 14. (a) Smbolo. (b) Corte y funcionamiento de un fotodiodo de uninp-n.

La generacin de pares ocurrir a varias profundidades, dependiendo de la energa de los

fotones y de la naturaleza y grosor de los materiales. Se observa que en la zona dentro de la

regin desierta no hay prcticamente electrones libres. En esencia, el dispositivo se asemeja a uncondensador en el que la regin desierta sirve de dielctrico y las zonas dopadas actan como las

placas cargadas de un condensador. De aqu que el campo electrosttico principal exista dentro de

la regin desierta y cualquier par electrn-hueco tender a separarse (en direcciones opuestas)atrado por la combinacin de la tensin en la regin desierta y la tensin de polarizacin inversa

aplicada. (Se observar que las polaridades de estas dos tensiones son del mismo sentido.) Si se

producen pares electrn-hueco fuera de la zona desierta, tendrn una elevada probabilidad de

recombinacin, en cuyo caso no habr fotocorriente disponible. Por tanto, es necesario que la

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parte superior de la capap sea tan delgada como sea posible y la regin desierta efectiva tan

ancha como sea posible, para llevar al mximo el rendimiento cuntico. La regin desierta puedeensancharse aumentando la polarizacin inversa del diodo. Aumentando la polarizacin inversa

tambin disminuye el tiempo de trnsito que tardan los electrones y los huecos en alcanzar los

extremos. Las ventajas e inconvenientes de la polarizacin inversa se analizarn despus de

estudiar algunas caractersticas bsicas de los fotodiodos.La Figura 5 presenta las respuestas espectrales relativas tpicas para el Si y para el Ge

intrnsecos. El corte, para una longitud de onda de 1,100 y de 1,800 nm, se explica por el hecho

de que los intervalos de energa para el Si y el Ge son 1,1 y 0,69 eV, respectivamente. Por lotanto, se ve que cuanto mayor es la longitud de onda, los fotones tienen menos energa y pueden

pasar a travs del fotodiodo sin ser absorbidos, ni producir un par electrn-hueco. La respuestacae para longitudes de onda cortas (alta energa), al lado del pico de respuesta porque la radiacin

ultravioleta de alta energa tiende a crear pares ms cerca de la parte superior de la superficie p, e

incluso con una regin p delgada, el par nunca puede difundirse ala regin desierta antes derecombinarse. (La respuesta sealada para el ultravioleta, en la mayora de los diodos es

notablemente ms baja que las disponibles actualmente.) La razn es que la mayor parte de las

ventanas se hacen de vidrio plano, que tiene un corte en la transicin por debajo de los 300 nm.Parte de la hoja, de datos de un fotodiodo PINse reproduce en la figura 22. A estos datos se

hace referencia a lo largo de esta seccin para ilustrar las caractersticas de varios fotodiodos. En

la estructura particular de la figura 15,existe una capa Io intrnseca entre los extremos p y n.

Como la regin desierta se extiende ligeramente ms all del rea dopada, se obtiene una regindesierta ms ancha con la estructura PIN. El aumento del ancho de la capaIpuede considerarse

como un aumento de la separacin de las placas en un condensador; por tanto, la capacidad de la

unin disminuye, ya que la capacidad vara inversamente con la separacin. As pues, un diodoPIN es mucho ms rpido que un diodo convencional pn. Esta estructura tiene menor ruido y

corriente de oscuridad, adems de un rendimiento mayor a longitud de onda ms larga.

Figura 15. corte de un fotodiodoPIN.

Con relacin a las caractersticas corriente-tensin de la Figura 16, se recordar que stas son

caractersticas de polarizacin inversa, invertidas segn las convencionales. Hay varias

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observaciones importantes que hacer de estas caractersticas. Primero, se observar que la

fotocorriente es solo ligeramente dependiente de la tensin inversa por lo cual el dispositivopresenta una alta resistencia dinmica, caracterstica de un generador de corriente. Tambin, a

una polarizacin inversa constante, la fotocorriente de salida es lineal ms all de 10 dcadas de

la radiacin incidente. (Esto se refiere al funcionamiento en modo de corriente; es decir, tensin

constante de polarizacin y extraccin de corriente como medida de la radiacin incidente.)La Figura 16muestra que el dispositivo puede tambin operar sin polarizacin externa, es decir,

en circuito abierto sobre una lnea de corriente constante horizontal. La tensin en circuito abierto

puede servir como una indicacin de la radiacin incidente. Esto se denomina modo de tensin,

es decir, polarizacin de corriente constante y tensin sensible a las variaciones de luz.

El funcionamiento en el modo de corriente produce menos distorsin y falta de linealidad,variacin de la polarizacin, sensibilidad al ambiente, etc. Desde luego, el funcionamiento no est

limitado a las rectas de carga horizontal o vertical, sino que puede trabajar segn rectas de carga

con cualquier pendiente.

Figura 16. Caractersticas voltaje-corriente de un fotodiodoPIN.

La Figura 17es el circuito equivalente de un fotodiodo. Se observar la fuente de seal y lasfuentes de ruido no deseadas y de corriente de saturacin inversa, que se denomina corriente

oscura (ID). Los valores deID eIndeterminan el lmite inferior de sensibilidad del dispositivo.

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V inverso

Figura 17. Circuito equivalente. Figura 18. Corriente oscura-V inverso.

La corriente oscura se duplica aproximadamente cada 8 C, en diodos de Si, y tiene dos

componentes. Una es la corriente de prdida, que vara con la polarizacin inversa(Figura 18) y elrea activa, y la otra es la Ico convencional, o corriente de saturacin, que aumenta con la

temperatura. Las componentes de la corriente de ruido son:

1. fqII Dnalla = 2gra

2. I1/f , que aumenta cuando la frecuencia de trabajo disminuye.

3.T

termicaR

fKTI

=

4

siendo:q = carga del electrn (1,602 X 10

-19C).

ID = corriente oscura.K= constante de Boltzmann (8,62 X 10

-5eV /

oK 1,38 X 10

-23julios por

oK ).

T= temperatura, K (K = 273 + C).

RT= Rfuente + Rcarga en ohms.f= ancho de banda, en Hz.

Las frmulas anteriores muestran que hay dos componentes de ruido que son proporcionales

al ancho de banda elctrico, por lo tanto, es deseable limitar el ancho de banda para reducir el

ruido. Tambin tiene ventaja trabajar por encima de los 20 Hz para reducir el ruido 1/f. Se

observar en la frmula de la corriente de ruido trmico y en la Figura 19, que para unfuncionamiento con bajo ruido el fotodiodo debe trabajar con una alta resistencia de carga.

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Figura 19.

La Figura 20 muestra la reduccin de la capacidad de la unin del diodo que pude obtenerse

aumentando la polarizacin inversa. (La superficie superior, en el diodo, es cuatro veces mayorque la inferior).

Figura 20.

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Como se muestra en la Figura 21, se obtienen sensibilidades direccionales tpicas con lentes y

ventanas planas. Para aplicaciones que requieren una reduccin del ngulo de visin, es preferibleel lbulo direccional estrecho producido por una lente. La adicin de una lente no afecta

apreciablemente la respuesta, como se muestra para el 4205 en las, especificaciones d la Figura

16. Sin embargo, las lentes captan luz de un rea mayor y la concentra en el diodo, con un

aumento efectivo del rea activa (figura 22).

Figura 21. Sensibilidad direccional relativa.

Figura 22. Especificaciones de un fotodiodoPIN.

Comparando los fotodiodos de unin con fotoconductores de una pieza, se ve que los

fotodiodos poseen considerablemente mejor respuesta en frecuencia, linealidad, respuesta

espectral, y menor ruido. Entre las desventajas del fotodiodo se incluyen: rea activa pequea, unaumento rpido de la corriente oscura con la temperatura, tensin offset y necesidad de

amplificacin para radiaciones de baja potencia.

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Como se indic anteriormente, el modo de corriente, o funcionamiento a tensin constante

mientras el diodo detecta la fotocorriente, es generalmente el mejor modo de funcionamiento. Lacorriente del fotodiodo es en este caso lineal en varias dcadas, y es igual a:

Ifoto = q rJrAD

siendo:

q = carga del electrn (1,6 X 10-19

C). r= rendimiento cuntico, electrones/fotn.

Jr= flujo de radiacin de la fuente, fotones/(s) (cm2).

AD= rea del detector, en cm2.

Por lo tanto, la corriente inducida vara slo con el rendimiento cuntico, siendo constantes las

otras magnitudes.

La Figura 23 muestra dos mtodos de obtener una tensin proporcional a la irradianciaincidente. El ms simple (Fig. 23(a) lleva consigo la polarizacin inversa del diodo como se

indica, y detectar o amplificar la tensin inducida por la luz (Ifoto R1).(Se observar que Ifoto es

una corriente inversa.) El nico inconveniente de este circuito es que la polarizacin real deldiodo variar cuando vare el nivel de luz. Es decir, cuando la irradiancia aumente, I fotoaumenta y

la tensin (IfotoR1) tambin aumenta. Esta cada de tensin realmente reduce la polarizacin

inversa del diodo; por tanto, la polarizacin no es constante y de hecho cambia debido alfenmeno que se trata de detectar. Sin embargo, la Fig. 23(b)muestra que la fotocorriente de un

fotodiodo pin es relativamente independiente de la tensin de polarizacin inversa. En la Fig.

23(b) se muestra una disposicin para lograr una polarizacin inversa constante. El circuito

consiste en un amplificador operacional inversor con una alta impedancia de entrada y ruido ydesplazamiento bajos.

El funcionamiento se explica fcilmente teniendo en cuenta las dos consideraciones aplicables

a un amplificador operacional. (1) El amplificador se supone que tiene una impedancia de entrada

infinita y por tanto no toma corriente. Esto permite que toda la corriente de salida del diodo fluyaen el elemento de realimentacin. (2) Debido a la alta ganancia en bucle abierto, no hay

diferencia de tensin entre las dos terminales del amplificador. Esto significa que cualquiertensin negativa que aparezca en el terminal (b) como consecuencia de la batera tambin aparece

en la terminal (a): y, como Vabes pequeo (~ 1 mV) y prcticamente constante para un buen

amplificador operacional, la polarizacin del fotodiodo (Va, tierra) permanece prcticamenteconstante. Como la entrada est conectada a la terminal negativa o inversor, la salida se invertir.

As pues, la tensin de salida se aproxima a laRfbideal, multiplicada por la corriente de salida del

diodo.

Vsalida = - IfotoRf,b

Por ejemplo, si la fotocorriente del diodo fuese 1 A y la resistencia de realimentacin 1 M, latensin de salida sera -1 V.

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Figura 23. Circuitos con fotodiodo. (a) Circuito simple; (b) un amplificador operacional

inversor que proporciona polarizacin constante al fotodiodo.

En este punto conviene resumir las relaciones entre el rea del detector y algunas de sus

caractersticas importantes. En el fotodiodo, la corriente de seal y la capacidad de la unin

aumentan casi linealmente con el rea efectiva. La corriente de ruido es proporcional a; sinembargo, la corriente oscura aumenta normalmente ms rpidamente que el rea, como

consecuencia de aumentar la probabilidad de incluir imperfecciones en la lmina. Resumiendo :

al aumentar el rea de deteccin: (1) aumenta la relacin S/N(seal-ruido) en un factorrea /;(2) puede realmente disminuir la relacin Iseal / Ioscura y (3) aumenta la capacidad de la unin

aproximadamente en 1.1. Esto disminuye la respuesta en frecuencia de un circuito simple como

el que se muestra en la Figura 23(a),pero no afecta a la respuesta en frecuencia en la Figura 23(b)

si el punto b (entrada no inversora) est conectado a tierra.

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FOTODIODO DE AVALANCHA.

El fotodiodo de avalancha es un fotodiodo especial que trabaja en la regin de ruptura en

avalancha para obtener una amplificacin de corriente interna. Con relacin a la Figura 24, la

generacin de par electrn-hueco y la separacin es la misma que la descrita en las subseccionesanteriores. Los electrones separados se desplazan hacia la regin de avalancha donde un campo

electrosttico elevado los acelera hasta una velocidad muy elevada. Cuando los electrones

acelerados se recombinan o chocan hay una gran posibilidad de que se cree un nuevo par porionizacin por impacto. El segundo par tambin se separa y estos nuevos electrones repiten el

proceso. El proceso contina hasta que todos los portadores abandonan la regin de avalancha.

Deesta forma puede generarse un nmero considerable de portadores por la absorcin de un solofotn. El fotodiodo de avalancha puede considerarse como el equivalente en estado slido de un

fototubo multip1icador.

Figura 24. Proceso de avalancha en un fotodiodo de avalancha.

Los fotodiodos de avalancha se fabrican con rendimientos cunticos de 100 a l GHz, ypotencias equivalentes de ruido de 10

-12W /{Hz

1/2). Como su respuesta espectral es similar a la

de los fotodiodos y fototransistores, son probablemente los ms rpidos, los ms sensibles y los

de banda ms ancha entre los fotodetectores disponibles. El fotodiodo de avalancha tambin tienesus desventajas; entre ellas est que la ganancia es sensible a la temperatura; microplasma o

pequeas zonas de ruptura; el ruido aumenta ms rpidamente que la ganancia a la seal, y

existen problemas de polarizacin debido ala dependencia de la ganancia.

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Los fotodiodos PIN son extremadamente estables, tienen cero coeficiente de temperatura para

< 800 nm, y operan sobre 100 db con distorsin menor a 1 %. Esto se aplica en los circuitos deservosistemas como el de la figura 26, este circuito esta mas limitado por la estabilidad de los

componentes mecnicos que por los fotodiodos. El lazo esta formado por el amplificador A1 y la

realimentacin ptica de D1 a D2 la cual estabiliza la intensidad de Ie2 siendo esta proporcional a

VREF. Si el DIVISOR DEL HAZ es estable, entonces la relacin de Ie3 a Ie2 es constante y VOUTes linealmente proporcional a VREF. Lo anterior es verdad aun cuando Ie1 disminuya ya que el

servo formado por A1, D1 , D2 aumenta la corriente por D1 para compensar la degradacin. Como

las tierras 1 y 2 no es la misma esto nos permite un acoplamiento lineal ptico (optoaislador).Con Ie3 estable, la incidencia de luz a D3 mantendr una relacin directa con la transmitancia de

cualquier material insertado entre el divisor del haz y D3, haciendo un transmisometro ptico. Siel material lo ponemos entre el divisor y D2, Ie3 permanecer proporcional a la atenuacin. Si

ponemos un amplificador A2 lograremos un VOUT proporcional a lo que aparece en el diodo D3.

Esta figura puede funciona como un medidor de densidad ptico.

Figura 26. Medidor ptico de densidad.

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