¿Qué es un Fotodiodo?
Los fotodiodos son dispositivos fundamentales para la detección de luz, ya que generan una corriente eléctrica en respuesta a la radiación lumínica incidente.
Los fotodiodos se basan en la propiedad del efecto fotoeléctrico, en el cual los electrones son liberados en un material semiconductor cuando es expuesto a la luz. Estos electrones liberados generan una corriente eléctrica proporcional a la intensidad de la luz incidente.
Estos componentes son ampliamente utilizados en equipos de comunicación óptica, como en las redes de fibra óptica, para detectar y convertir las señales ópticas en señales eléctricas. Además, los fotodiodos se emplean en dispositivos médicos, como en la medición de la concentración de gases en análisis clínicos y en aplicaciones de imagen médica.
Existen diferentes tipos de fotodiodos, como los fotodiodos de unión PN, que son los más comunes, los fotodiodos de unión PIN, que ofrecen una mayor sensibilidad, y los fotodiodos de avalancha, que proporcionan una amplificación interna de la señal luminosa.
Usos de los Fotodiodos
Entre las aplicaciones típicas de los fotodiodos se encuentran los puntos de captación en reproductores de CD/DVD, mandos a distancia de televisión y comunicaciones ópticas. En particular, el tipo de unión PIN, con su alta fotosensibilidad, se utiliza en sistemas de comunicación óptica de telecomunicaciones, pero también se utiliza ampliamente en aplicaciones.
De las tres estructuras de fotodiodos, éste es el tipo más utilizado. Otras aplicaciones son las máquinas tomográficas de rayos X en equipos médicos.
Principio de los Fotodiodos
Los fotodiodos utilizan el fenómeno físico de que cuando se irradia luz sobre el elemento, los electrones de la unión semiconductora se excitan y la cantidad de luz puede detectarse midiendo la corriente.
La longitud de onda de la luz que puede detectarse depende del material del diodo, que debe seleccionarse en función de la longitud de onda de aplicación. Los principales materiales utilizados son el silicio, el germanio y el sulfuro de plomo.
1. Tipo de Unión PN
Cuando la capa de agotamiento en el límite entre los semiconductores de tipo P y N se irradia con luz, los electrones fluyen hacia el semiconductor de tipo N y se producen huecos en el semiconductor de tipo P como resultado de la transferencia de electrones. Durante la irradiación de luz, se produce este flujo de electrones y huecos, y el flujo de electrones se detecta como una corriente, pero la velocidad de respuesta se caracteriza por un tiempo de respuesta algo lento.
2. Tipo de Unión PIN
La estructura más utilizada para los fotodiodos debido a su bajo ruido de fondo, también conocido como corriente oscura, que consiste en un semiconductor de tipo P, un semiconductor de tipo I y un semiconductor de tipo N, que se unen en secuencia.
Una característica de esta estructura es que, al aplicar una tensión de polarización inversa al semiconductor de tipo I, los electrones excitados fluyen suavemente hacia el semiconductor de tipo N, lo que se traduce en una mayor velocidad de respuesta.
3. Tipo de Unión de Avalancha
Este tipo se caracteriza por la división de la capa semiconductora de tipo P en capa p+, capa p- y capa p en secuencia desde el punto de electrodo de la capa semiconductora de tipo P. Debido a su función de amplificación por avalancha (avalancha de electrones), tiene la propiedad de poder detectar luz muy débil con una respuesta ultrarrápida. Se suelen utilizar con tensiones elevadas y se conocen por las siglas APD.
Más información sobre los Fotodiodos
1. Circuitos de Aplicación de los Fotodiodos
Los fotodiodos tienen una gran dependencia de la temperatura cuando ambos electrodos están abiertos, y cuando están en cortocircuito, la relación entre la intensidad de la luz y la corriente no es lineal, lo que dificulta su aplicación tal cual. Por lo tanto, para las aplicaciones que miden la luminosidad, como los medidores de iluminancia y los exposímetros, se utiliza una configuración de circuito en la que el cátodo del fotodiodos se conecta al terminal de entrada inversor del amplificador operacional y el ánodo al terminal no inversor, y se inserta una resistencia de realimentación Rf entre el terminal de salida y el terminal de entrada inversor del amplificador operacional.
En este circuito, la corriente de cortocircuito Is x resistencia de realimentación Rf correspondiente a la intensidad luminosa se convierte en la tensión de salida del amplificador operacional (el terminal de entrada inversor es la tensión de referencia), y la tensión en ambos extremos del fotodiodos (entre ánodo y cátodo) se convierte en 0 V, es decir, equivalente a un estado en el que ambos extremos están en cortocircuito (cortocircuito imaginario).
La corriente de cortocircuito Is es, por tanto, proporcional a la intensidad de la luz, por lo que la tensión de salida del amplificador operacional puede expresarse como la intensidad de la luz. En un circuito real, se conecta un condensador Cf para garantizar un retardo de respuesta debido a la capacitancia del fotodiodos, acelerando así la velocidad de respuesta.
2. Características de Sensibilidad Espectral de los Fotodiodos
Los fotodiodos de silicio emiten corriente para la luz con longitudes de onda de 320 nm a 1100 nm, pero son particularmente sensibles en la región del infrarrojo cercano, de 800 nm a 1000 nm. El rango visible humano va de 380 nm a 720 nm, con un pico de sensibilidad en torno a 550 nm, lo que difiere de las características de sensibilidad espectral de los fotodiodos de silicio.
Por lo tanto, la salida de los fotodiodos de silicio no puede tratarse con la misma luminosidad. Por ejemplo, la salida de un fotodiodo de silicio aumenta en un entorno con alta radiación infrarroja cercana, pero la zona es invisible para el ojo humano, por lo que no parece brillante.
Por este motivo, las características de respuesta espectral de los fotodiodos de silicio deben ajustarse a las características de sensibilidad del ojo humano cuando se utilizan como sensores en medidores de iluminancia. En este caso, se instala un filtro de corrección de la sensibilidad visual en la superficie del fotodiodo de silicio.
El germanio y el InGaAs también se utilizan para aplicaciones de longitud de onda distintas a las del silicio. Esto se debe a las diferentes energías de banda prohibida de las distintas propiedades de los materiales, siendo el InGaAs un material especialmente adecuado para aplicaciones de longitud de onda superiores a 1 µm.