Qué es un fotoconductor : Funcionamiento y sus aplicaciones

Generalmente, los materiales se clasifican en tres categorías principales en función de su capacidad para conducir la corriente eléctrica a través de ellos como semiconductores, conductores y aislantes. Así, la principal disparidad dentro de la conductividad de estos materiales se crea a partir de la diferencia dentro de su estructura de bandas de energía. Cuando la luz incide sobre los materiales, la conductividad de éstos aumenta significativamente y se conoce como material fotoconductor. El aumento de la conductividad se denomina fotoconductividad, que se observa principalmente en los semiconductores. Este artículo trata de una visión general de fotoconductor o fotoconductividad.

¿Qué es el fotoconductor/fotoconductividad?

Un fotoconductor o fotoconductividad es un fenómeno eléctrico y óptico en el que un material se vuelve más conductor eléctricamente debido a la absorción de radiación electromagnética como la luz infrarroja, la luz ultravioleta, la luz visible o la radiación gamma. Cuando un material semiconductor absorbe la luz, aumenta el número de portadores de carga y su conductividad eléctrica.

Una vez que se utiliza una resistencia de carga y una tensión de polarización con el semiconductor en serie, se puede medir una caída de tensión a través de la resistencia de carga, mientras que el cambio en la conductividad eléctrica del material modifica la corriente que fluye por el circuito.

Los materiales fotoconductores son, por ejemplo, el polímero conductor polivinilcarbazol, que se utiliza ampliamente en las fotocopias, y el material de sulfuro de plomo, que se utiliza en aplicaciones de detección de infrarrojos, como los misiles rusos Atoll, Sidewinder de EE.UU., y el selenio, que se utiliza en la primera xerografía y la televisión.

Construcción del fotoconductor y principio de funcionamiento

A continuación se muestra la construcción del fotoconductor. El fotoconductor incluye un material sensible a la luz que está dispuesto en forma de tira larga en zigzag a través de una base que tiene forma de disco. Los terminales de conexión están fijados al material conductor en cada lado de la tira. Así, el material sensible a la luz es una tira ancha entre los dos conductores y se utiliza una cubierta de plástico transparente para su protección.

En la fabricación de células fotoconductoras se utilizan dos materiales como CdSe (seleniuro de cadmio) y CdS (sulfuro de cadmio). Estos dos materiales responden con bastante lentitud a los cambios en la intensidad de la luz. Así, el tiempo de respuesta del CdSe es de aproximadamente 10 ms, mientras que, para el CdS, puede ser de 100 ms.

Otra diferencia principal entre estos dos materiales es la sensibilidad a la temperatura, ya que la resistencia de una célula de CdSe cambia enormemente con los cambios de temperatura ambiente; sin embargo, la resistencia del sulfuro de cadmio permanece bastante estable.

Al igual que con todos los demás tipos de dispositivos, hay que tener cuidado de que la disipación de energía no sea extrema. La respuesta espectral de una célula de CdS está relacionada con la del ojo humano, ya que responde rápidamente a la luz visible.

Funcionamiento del fotoconductor

Una vez que el rayo de luz incide en la superficie de un material fotoconductor, proporciona la energía suficiente para que los electrones del material se alejen de sus átomos. Por lo tanto, se pueden crear portadores de carga libres, como agujeros y electrones, dentro del material, y su resistencia disminuirá. Esto se llama efecto fotoconductor.

La fotoconductividad en los semiconductores

La fotoconductividad es el aumento de la conductividad que se observa principalmente en los semiconductores. Para entender este mecanismo en detalle, hay que tener en cuenta la estructura interna básica de los semiconductores. En el diagrama de bandas de energía de los semiconductores, el número de portadores de carga, como los electrones, dentro de la banda de conducción es significativamente bajo en comparación con los conductores. Pero también hay portadores de carga como los huecos dentro de la banda de valencia.

Se conocen como vacantes que dejan los electrones y se trasladan a la banda de conducción. El siguiente diagrama muestra los portadores de carga dentro de un semiconductor. La conducción de la corriente dentro de un semiconductor tiene lugar mediante electrones y huecos dentro de la banda de valencia. Los semiconductores pueden ser de dos tipos: intrínsecos y extrínsecos. Los semiconductores puros son intrínsecos y cuando se añaden impurezas a un semiconductor para aumentar su conductividad se conocen como extrínsecos. Aquí, la impureza que se añade puede aumentar el número de electrones o el número de huecos.

Una vez que los rayos de luz caen sobre el material semiconductor, los electrones de la banda de valencia absorben los fotones y saltan inmediatamente a la banda de conducción dejando huecos. Por tanto, el aumento del número de electrones y huecos en ambas bandas aumentará la conductividad del material. Por tanto, el aumento de la conductividad se debe principalmente a la caída de luz sobre el material, lo que se conoce como fotoconductividad.

Ganancia fotoconductora

La ganancia fotoconductora puede definirse como la relación entre la tasa de flujo de electrones por cada segundo y la tasa de generación de pares electrón-hueco en el dispositivo. Sin embargo, la tasa de flujo de electrones por cada segundo es = ∆i/e. Aquí, la ganancia fotoconductora también puede definirse como la relación entre el tiempo de vida de los portadores de carga minoritarios y el tiempo de tránsito.

Ventajas e inconvenientes

El ventajas de un fotoconductor son las siguientes

• Depende principalmente de la luz, por lo que su resistencia disminuirá una vez que la luz caiga sobre él y aumenta en la oscuridad.
• Son baratos y están disponibles en diferentes tamaños y formas
• Necesitan menos potencia y voltaje para su funcionamiento.
• Se utilizan para hacer circuitos sencillos

El desventajas de un fotoconductor incluyen las siguientes.

• Son menos sensibles que los fototransistores o los fotodiodos.
• Cuando se utiliza el sulfuro de cadmio (CdS) en la construcción de un fotorresistor, éste es peligroso para la atmósfera. Por ello, sólo son accesibles en los países preferidos.
• Una vez que la tensión aplicada aumenta el voltaje máximo, entonces causará daños en el fotoconductor.
• Su tiempo de respuesta es muy lento, como 10 segundos o 100 milisegundos.
• Es sensible a la temperatura
• Estas características son no lineales

¿Para qué sirve un fotoconductor?

Los fotoconductores se utilizan en algunas aplicaciones prácticas como las siguientes

Fotodiodo

El fotodiodo es un tipo especial de diodo en el que se forma una ventana para que la luz de una frecuencia adecuada caiga sobre el fotodiodo. Así, se forman nuevos pares de electrones-huecos que intervienen en la conductividad.

Fotoresistencia

Una fotorresistencia se fabrica con materiales fotoconductores. Una vez que la luz con la frecuencia adecuada cae sobre el fotorresistor, se forman los pares de portadores de carga que mejoran la conductividad del resistor al mismo tiempo, la resistividad disminuirá. Por tanto, la fotorresistencia responde a la luz incidente.

• Estos materiales se utilizan principalmente para detectar la radiación infrarroja en aplicaciones militares, desde el guiado de misiles hasta los objetivos que generan calor.
• La fotoconductividad se utiliza en el proceso de xerografía o fotocopia, que antes utilizaba selenio, pero ahora se basa en polímeros fotoconductores.
• Algunos fotoconductores se utilizan en farolas, medidores de luz de cámaras, radios de reloj, sistemas nanofotónicos, detectores de infrarrojos y dispositivos fotosensores de baja dimensión.
• Los fotoconductores se utilizan para los detectores de imágenes de rayos X
• Se utilizan para el control de los relés
• Se utilizan para encender y apagar transistores.
• Se pueden utilizar con un circuito de disparo Schmitt basado en un op-amp.
• Se utilizan para controlar el nivel de flujo de corriente dentro de un LED.

¿Por qué se utiliza el selenio en los fotoconductores?

El selenio es un fotoconductor, por lo que tiene la capacidad de transformar la energía de la luz en electricidad.

¿Cuál es el fotoconductor de alto rendimiento que se utiliza para la imagen térmica?

El teluro de cadmio y mercurio se utiliza para la obtención de imágenes térmicas incluso a menor temperatura y con la máxima precisión.

¿Cuál es el tiempo de respuesta de la fotoconductividad?

El tiempo de respuesta de la fotoconductividad oscila entre unos pocos nanosegundos y unos pocos minutos y se mide a partir del decaimiento de la fotocorriente.

¿Qué es un modo fotovoltaico?

El modo fotovoltaico también se denomina modo de polaridad cero porque no se da ningún potencial inverso exterior al dispositivo, pero el flujo de portadores de carga minoritarios se producirá una vez que el dispositivo se exponga a la luz.

¿Cómo se utiliza la energía fotovoltaica?

La energía fotovoltaica es una fuente de energía renovable que utiliza la radiación solar para generar electricidad. Esta energía se utiliza para recargar una batería o alimentar diferentes equipos.

¿Cómo se mide la fotoconductividad?

Para medir la fotoconductividad, se utilizan dos mediciones: la directa, con un electrómetro, y la indirecta, con la evolución temporal de los efectos fotorrefractivos.

Fotoconductor vs Fotodetector

La principal diferencia entre fotoconductores y fotodetectores es que un fotoconductor es un dispositivo o un material que utiliza o presenta fotoconductividad, mientras que un fotodetector es un dispositivo utilizado para detectar la radiación electromagnética.

Fotoconductor vs fotodiodo

La diferencia entre fotoconductor y fotodiodo es la siguiente

Así pues, se trata de una visión general de un fotoconductor o fotoconductividad y su funcionamiento con aplicaciones. Las características del fotoconductor son: la eficiencia cuántica y la sensibilidad espectral son altas, la ganancia fotoconductora es alta, la velocidad de respuesta es alta y hay menos materiales de ruido. He aquí una pregunta para ti, ¿cuál es la diferencia entre fotoconductor y fotovoltaico?