Qué es un fotodiodo: principio de funcionamiento y sus características

Un fotodiodo es un diodo de unión PN que consume energía luminosa para producir una corriente eléctrica. A veces también se le llama fotodetector, detector de luz y fotosensor. Estos diodos están especialmente diseñados para operar en condiciones de polarización inversa, esto significa que el lado P del fotodiodo está asociado con el terminal negativo de la batería y el lado n está conectado con el terminal positivo de la batería. Este diodo es muy sensible a la luz, por lo que cuando la luz cae sobre el diodo, convierte fácilmente la luz en corriente eléctrica. La celda solar también se conoce como fotodiodo de área grande porque convierte la energía solar en energía eléctrica. Sin embargo, la celda solar solo funciona con luz brillante.

¿Qué es un fotodiodo?

Un fotodiodo es un tipo de detector de luz, que se utiliza para convertir la luz en corriente o voltaje, según el modo de funcionamiento del dispositivo. Incluye filtros ópticos, lentes integrados y también superficies. Estos diodos tienen un tiempo de respuesta lento a medida que aumenta el área del fotodiodo. Los fotodiodos se parecen a los diodos semiconductores regulares, pero pueden ser visibles para permitir que la luz llegue a la parte delicada del dispositivo. Muchos diodos destinados a usarse exactamente como un fotodiodo también usarán una unión PIN en lugar de la unión PN habitual.

Algunos fotodiodos se verán como un diodo emisor de luz. Tienen dos terminales que vienen del final. El extremo más pequeño del diodo es la terminal del cátodo, mientras que el extremo más largo del diodo es la terminal del ánodo. Consulte el siguiente diagrama esquemático para los lados del ánodo y el cátodo. En la condición de polarización directa, la corriente convencional fluirá del ánodo al cátodo, siguiendo la flecha en el símbolo del diodo. La fotocorriente fluye en dirección opuesta.

Tipos de fotodiodos

Aunque hay muchos tipos de fotodiodos disponibles en el mercado y todos funcionan con los mismos principios básicos, aunque algunos se mejoran con otros efectos. El funcionamiento de los diferentes tipos de fotodiodos funciona de forma ligeramente diferente, pero el funcionamiento básico de estos diodos sigue siendo el mismo. Los tipos de fotodiodos se pueden clasificar según su construcción y funciones de la siguiente manera.

• fotodiodo PN
• Fotodiodo Schottky
• Fotodiodo PIN
• fotodiodo de avalancha

fotodiodo PN

El primer tipo de fotodiodo desarrollado es el tipo PN. En comparación con otros tipos, su rendimiento no es avanzado, pero en la actualidad se utiliza en varias aplicaciones. La fotodetección ocurre principalmente en la región de agotamiento del diodo. Este diodo es bastante pequeño pero su sensibilidad no es muy grande en comparación con otros. Consulte este enlace para obtener más información sobre el diodo PN.

Fotodiodo PIN

Actualmente, el fotodiodo más utilizado es el de tipo PIN. Este diodo recolecta fotones de luz con más fuerza en comparación con el fotodiodo PN estándar porque el área intrínseca amplia entre las regiones P y N permite recolectar más luz y, además, también ofrece una capacitancia más baja. Consulte este enlace para obtener más información sobre el diodo PIN.

fotodiodo de avalancha

Este tipo de diodo se usa en áreas con poca luz debido a sus altos niveles de ganancia. Genera altos niveles de ruido. Por lo tanto, esta tecnología no es adecuada para todas las aplicaciones. Consulte este enlace para obtener más información sobre el diodo de avalancha.

Fotodiodo Schottky

El fotodiodo Schottky usa el diodo Schottky e incluye una unión de diodo pequeña, lo que significa que hay una capacitancia de unión pequeña, por lo que funciona a altas velocidades. Por lo tanto, este tipo de fotodiodo se usa con frecuencia en sistemas de comunicación óptica de alto ancho de banda (BW), como enlaces de fibra óptica. Consulte este enlace para obtener más información sobre el diodo Schottky.

Cada tipo de fotodiodo tiene sus propias ventajas y desventajas. La selección de este diodo se puede hacer de acuerdo a la aplicación. Los diversos parámetros a considerar al seleccionar el fotodiodo incluyen ruido, longitud de onda, restricciones de polarización inversa, ganancia, etc. Los parámetros de rendimiento del fotodiodo incluyen reactividad, eficiencia cuántica, tiempo de tránsito o tiempo de respuesta.

Estos diodos son muy utilizados en aplicaciones donde se requiere la detección de la presencia de luz, color, posición, intensidad. Las principales características de estos diodos son las siguientes.

• La linealidad del diodo es buena con respecto a la luz incidente.
• El ruido es bajo.
• La respuesta es de amplio espectro.
• Mecánicamente robusto
• Ligero y compacto
• Larga vida

Los materiales necesarios para hacer un fotodiodo y el rango de longitud de onda del espectro electromagnético incluyen los siguientes

• Para el silicio, el rango de longitud de onda del espectro electromagnético será (190-1100) nm
• Para material de germanio, el rango de longitud de onda del espectro electromagnético será (400-1700) nm
• Para el material de arseniuro de indio y galio, el rango de longitud de onda del espectro electromagnético será (800-2600) nm
• Para material de sulfuro de plomo (II), el rango de longitud de onda del espectro electromagnético será <1000-3500) nm
• Para mercurio, material de telururo de cadmio, el rango de longitud de onda del espectro electromagnético será (400-14000) nm

Debido a su mejor banda prohibida, los fotodiodos basados ​​en Si producen menos ruido que los fotodiodos basados ​​en Ge.

Construcción

El fotodiodo se fabrica utilizando semiconductores de tipo P y tipo N. En este diseño, la formación del material de tipo P puede ocurrir a partir de la difusión del sustrato de tipo P que está ligeramente dopado. Por lo tanto, la capa de iones P+ se puede formar por el método de difusión. En el sustrato de tipo N, se puede hacer crecer la capa epitaxial de tipo N.

El desarrollo de una capa de difusión P+ se puede realizar en la capa epitaxial fuertemente dopada de tipo N. Los contactos están diseñados con metales para formar dos terminales como ánodo y cátodo. La región frontal del diodo se puede separar en dos tipos como superficies activas y no activas.

El diseño de la superficie no activa se puede realizar con dióxido de silicio (SiO2). En una superficie activa, los rayos de luz pueden incidir en ella, mientras que en una superficie no activa, los rayos de luz no pueden incidir en ella. Y la superficie activa se puede cubrir con el material antirreflectante para que la energía de la luz no se pierda y la mayor parte se pueda transformar en corriente.

Funcionamiento del fotodiodo

El principio de funcionamiento de un fotodiodo es que cuando un fotón de suficiente energía golpea el diodo, crea un par electrón-hueco. Este mecanismo también se denomina efecto fotoeléctrico interior. Si ocurre absorción en la unión de la región de agotamiento, entonces los portadores son removidos de la unión por el campo eléctrico integrado de la región de agotamiento.

Por lo tanto, los huecos en la región se mueven hacia el ánodo y los electrones se mueven hacia el cátodo, y se generará una fotocorriente. La corriente total a través del diodo es la suma de la ausencia de luz y la fotocorriente. Por lo tanto, es necesario reducir la corriente ausente para maximizar la sensibilidad del dispositivo.

Modos de funcionamiento

Los modos de trabajo del fotodiodo incluyen tres modos, a saber, modo fotovoltaico, modo fotoconductor, un modo de diodo de avalancha

Modo fotovoltaico: Este modo también se denomina modo de polarización cero, en el que el fotodiodo iluminado produce un voltaje. Proporciona un rango dinámico muy pequeño y una necesidad no lineal del voltaje formado.

Modo fotoconductor: El fotodiodo utilizado en este modo fotoconductor es más generalmente polarizado inversamente. La aplicación de voltaje inverso aumentará el ancho de la capa de agotamiento, lo que a su vez disminuirá el tiempo de respuesta y la capacitancia de la unión. Este modo es demasiado rápido y muestra ruido electrónico

Modo de diodo de avalancha: Los diodos de avalancha funcionan en una condición de polarización inversa alta, lo que permite que una ruptura de avalancha se multiplique con cada par de huecos de electrones fotoproducidos. Este resultado es una ganancia interna en el fotodiodo, que aumenta lentamente la respuesta del dispositivo.

¿Por qué el fotodiodo opera en polarización inversa?

El fotodiodo funciona en modo fotoconductor. Cuando el diodo está conectado en polarización inversa, se puede aumentar el ancho de la capa de agotamiento. Por lo tanto, esto disminuirá la capacitancia de la unión y el tiempo de respuesta. De hecho, este sesgo dará como resultado tiempos de respuesta más rápidos para el diodo. Así, la relación entre la fotocorriente y la iluminancia es linealmente proporcional.

¿Cuál es el mejor fotodiodo o fototransistor?

El fotodiodo y el fototransistor se utilizan para convertir la energía luminosa en electricidad. Sin embargo, el fototransistor es más reactivo que el fotodiodo debido al uso del transistor.

El transistor cambia la corriente de base que causa la absorción de la luz y, por lo tanto, se puede obtener una gran corriente de salida a través del terminal colector del transistor. El tiempo de respuesta de los fotodiodos es muy rápido en comparación con el fototransistor. Por tanto, es aplicable cuando se produce una fluctuación en el circuito. Para una mejor comprensión, aquí hemos enumerado algunos puntos del fotodiodo frente al fotorresistor.

Circuito de fotodiodo

El diagrama de circuito del fotodiodo se muestra a continuación. Este circuito se puede construir con una resistencia de 10k y un fotodiodo. Una vez que el fotodiodo detecta la luz, permite que fluya algo de corriente a través de él. La cantidad de corriente que fluye a través de este diodo puede ser directamente proporcional a la cantidad de luz que se ve a través del diodo.

Conexión de un fotodiodo en un circuito externo

En cualquier aplicación, el fotodiodo funciona en modo de polarización inversa. El terminal del ánodo del circuito se puede conectar a tierra mientras que el terminal del cátodo se conecta a la fuente de alimentación. Una vez iluminada por la luz, la corriente fluye desde la terminal del cátodo a la terminal del ánodo.

Una vez que los fotodiodos se utilizan con circuitos externos, se asocian con una fuente de alimentación en el circuito. Por lo tanto, la cantidad de corriente generada a través de un fotodiodo será extremadamente pequeña, por lo que este valor no es suficiente para fabricar un dispositivo electrónico.

Una vez que están conectados a una fuente de alimentación externa, esto proporciona más corriente al circuito. En este circuito, la batería se usa como fuente de energía para ayudar a aumentar el valor actual para que los dispositivos externos funcionen mejor.

Eficiencia de los fotodiodos

La eficiencia cuántica del fotodiodo se puede definir como la división de los fotones absorbidos que da la fotocorriente. Para estos diodos está abiertamente asociado con la sensibilidad 'S' sin efecto de avalancha, entonces la fotocorriente se puede expresar como

I =SP= ηe/hv . PAGS

Dónde,

'η' es el rendimiento cuántico

'e' es la carga del electrón

'hν' es la energía del fotón

La eficiencia cuántica de los fotodiodos es extremadamente alta. En algunos casos será superior al 95%, pero cambia drásticamente a lo largo de la longitud de onda. La alta eficiencia cuántica requiere el control de los reflejos además de una alta eficiencia interna como un revestimiento antirreflectante.

Reactividad

La sensibilidad de un fotodiodo es la relación entre la fotocorriente que se genera y la potencia óptica absorbida, se puede determinar en la sección lineal de la respuesta. En los fotodiodos, normalmente es máxima en una región de longitud de onda donde la energía del fotón es bastante más alta que la energía de la banda prohibida y disminuye en la región de la banda prohibida donde la absorción disminuye.

El cálculo del fotodiodo se puede realizar en base a la siguiente ecuación

R = η (e/hv)

Aquí, en la ecuación anterior, 'h ν' es la energía del fotón; 'η' es la eficiencia del cuanto y 'e' la carga del elemental. Por ejemplo, la eficiencia cuántica de un fotodiodo es del 90% a una longitud de onda de 800 nm, entonces la sensibilidad será de 0,58 A/W.

Para fotomultiplicadores y fotodiodos de avalancha, existe un factor adicional para la multiplicación de corriente interna, por lo que los posibles valores serán superiores a 1 A/W. Generalmente, la multiplicación de corriente no está incluida en la eficiencia cuántica.

Fotodiodo PIN Vs Fotodiodo PN

Los fotodiodos como PN y PIN se pueden obtener de muchos proveedores. La selección de un fotodiodo es muy importante cuando se diseña un circuito en función del rendimiento y las características requeridas.
Un fotodiodo PN no funciona con polarización inversa y, por lo tanto, es más adecuado para aplicaciones con poca luz para mejorar el rendimiento del ruido.

El fotodiodo PIN que opera en polarización inversa puede introducir corriente de ruido para disminuir la relación S/N
Para aplicaciones de alto rango dinámico, la polarización inversa brindará un buen rendimiento
Para aplicaciones de ancho de banda alto, la polarización inversa proporcionará un buen rendimiento ya que la capacitancia entre las regiones P&N y el almacenamiento de capacitancia de carga es baja.

Ventajas

los ventajas del fotodiodo Incluya lo siguiente.

• menos resistencia
• Velocidad de operación rápida y alta
• Larga esperanza de vida.
• Fotodetector más rápido.
• La respuesta espectral es buena.
• No utiliza alto voltaje.
• La respuesta de frecuencia es buena.
• Sólido y ligero.
• Es extremadamente sensible a la luz.
• La corriente oscura es menor.
• Alta eficiencia cuántica.
• Menos ruido.

Desventajas

los desventajas del fotodiodo Incluya lo siguiente.

• La estabilidad de la temperatura es mala.
• El cambio en la corriente es extremadamente pequeño, por lo que puede no ser suficiente para impulsar el circuito.
• El área activa es pequeña.
• El fotodiodo de unión PN habitual presenta un tiempo de respuesta alto.
• Tiene menos sensibilidad.
• Funciona principalmente en función de la temperatura.
• Utiliza un voltaje compensado.

Aplicaciones de fotodiodos

• Las aplicaciones de los fotodiodos involucran aplicaciones similares de fotodetectores como dispositivos de carga acoplada, fotoconductores y tubos fotomultiplicadores.
• Estos diodos se utilizan en productos electrónicos de consumo, como detectores de humo, reproductores de discos compactos, televisores y controles remotos de VCR.
• En otros dispositivos de consumo, como radiorreloj, fotómetros de cámara y farolas, los fotoconductores se utilizan con más frecuencia que los fotodiodos.
• Los fotodiodos se utilizan con frecuencia para la medición exacta de la intensidad de la luz en la ciencia y la industria. Generalmente, tienen una respuesta mejorada y más lineal que los fotoconductores.
• Los fotodiodos también se usan ampliamente en muchas aplicaciones médicas, como instrumentos de análisis de muestras, detectores para tomografías computarizadas y también se usan en monitores de gases en sangre.
• Estos diodos son mucho más rápidos y complejos que los diodos de unión PN normales y, por lo tanto, se utilizan con frecuencia para la regulación de la iluminación y en las comunicaciones ópticas.

VI Características del fotodiodo

Un fotodiodo opera continuamente en un modo de polarización inversa. Las características del fotodiodo se muestran claramente en la siguiente figura, que la fotocorriente es casi independiente del voltaje de polarización inversa que se aplica. Para luminancia cero, la fotocorriente es casi cero, excepto por una pequeña corriente oscura. Es del orden de un nanoamperio. A medida que aumenta la potencia óptica, la fotocorriente también aumenta linealmente. La fotocorriente máxima está incompleta por la disipación de energía del fotodiodo.

Así, es el principio de funcionamiento del fotodiodo, características y aplicaciones. Los dispositivos optoelectrónicos como los fotodiodos están disponibles en diferentes tipos que se utilizan en casi todos los dispositivos electrónicos. Estos diodos se utilizan con fuentes de luz IR como neón, LED láser y fluorescentes. En comparación con otros diodos de detección de luz, estos diodos no son caros. Esperamos que tenga una mejor comprensión de este concepto. Además, cualquier duda referente a este concepto oa implementar proyectos eléctricos y electrónicos click para estudiantes de ingeniería. Por favor dé sus valiosas sugerencias comentando en la sección de comentarios a continuación. Aquí hay una pregunta para ti, cual es la funcion de un fotodiodo?

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