¿Qué es un fotodiodo: principio de funcionamiento y sus características?

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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 foto-sensor. Estos diodos están especialmente diseñados para funcionar en condiciones de polarización inversa, lo que significa que el lado P del fotodiodo está asociado con el terminal negativo de la batería y el lado n está conectado al terminal positivo de la batería. Este diodo es muy complejo de iluminar, por lo que cuando la luz cae sobre el diodo, cambia fácilmente la luz en una corriente eléctrica. La celda solar también se marca como un fotodiodo de área grande porque convierte la energía solar en energía eléctrica . Sin embargo, la celda solar funciona solo con luz brillante.

¿Qué es el 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. Consta de filtros ópticos, lentes incorporados y también áreas de superficie. Estos diodos tienen un tiempo de respuesta lento cuando aumenta el área de superficie del fotodiodo. Los fotodiodos son similares a los diodos semiconductores normales, pero pueden ser visibles para permitir que la luz llegue a la parte delicada del dispositivo. Varios diodos destinados a utilizar exactamente como un fotodiodo también utilizará una unión PIN algo que 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 el terminal del cátodo, mientras que el extremo más largo del diodo es el terminal del ánodo. Consulte el siguiente diagrama esquemático para los lados del ánodo y del cátodo. Bajo la condición de polarización directa, la corriente convencional fluirá desde el ánodo al cátodo, siguiendo la flecha en el símbolo del diodo. La fotocorriente fluye en sentido inverso.

Tipos de fotodiodo

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



  • Fotodiodo PN
  • Diodo de foto 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

En la actualidad, el fotodiodo más utilizado es el tipo PIN. Este diodo reúne los 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 que se recolecte más luz y, además de esto, también ofrece una capacitancia menor. Consulte este enlace para obtener más información sobre el diodo PIN.


Fotodiodo de avalancha

Este tipo de diodo se utiliza en áreas de poca luz debido a sus altos niveles de ganancia. Genera altos niveles de ruido. Entonces esta tecnología no es apropiada para todas las aplicaciones. Consulte este enlace para obtener más información sobre el diodo Avalanche.

Fotodiodo Schottky

El fotodiodo Schottky utiliza el diodo Schottky, e incluye una pequeña unión de diodo, lo que significa que hay una pequeña capacitancia de unión, por lo que funciona a altas velocidades. Por lo tanto, este tipo de fotodiodo se utiliza 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 e inconvenientes. La selección de este diodo se puede realizar según la aplicación. Los diferentes parámetros que se deben considerar al seleccionar el fotodiodo incluyen principalmente ruido, longitud de onda, restricciones de polarización inversa, ganancia, etc. Los parámetros de rendimiento del fotodiodo incluyen capacidad de respuesta, eficiencia cuántica, tiempo de tránsito o tiempo de respuesta.

Estos diodos se utilizan ampliamente en aplicaciones donde se requiere la detección de la presencia de luz, color, posición, la intensidad. Las principales características de estos diodos incluyen las siguientes.

  • La linealidad del diodo es buena con respecto a la luz incidente.
  • El ruido es bajo.
  • La respuesta es amplia espectral
  • Robusto mecánicamente
  • Ligero y compacto
  • Larga vida

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

  • Para el material de 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 galio indio, 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

La construcción del fotodiodo se puede realizar utilizando dos semiconductores como el tipo P y el tipo N. En este diseño, la formación de material de tipo P puede realizarse a partir de la difusión del sustrato de tipo P que está ligeramente dopado. Entonces, la capa de iones P + se puede formar debido al método de difusión. Sobre el sustrato de tipo N, se puede hacer crecer la capa epitaxial de tipo N.

Construcción de fotodiodos

Construcción de fotodiodos

El desarrollo de una capa de difusión de P + puede realizarse sobre la capa epitaxial de tipo N fuertemente dopada. Los contactos están diseñados con metales para hacer 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 sobre ella, mientras que, en una superficie inactiva, los rayos de luz no pueden incidir. Y la superficie activa se puede cubrir con el material antirreflectante para que la energía de la luz no se pierda y la más alta se pueda convertir en corriente.

Trabajo de fotodiodo

El principio de funcionamiento de un fotodiodo es que, cuando un fotón de gran energía golpea el diodo, crea un par de agujeros de electrones. Este mecanismo también se denomina efecto fotoeléctrico interno. Si la absorción surge en la unión de la región de agotamiento, entonces los portadores se retiran de la unión por el campo eléctrico incorporado de la región de agotamiento.

Principio de funcionamiento del fotodiodo

Principio de funcionamiento del fotodiodo

Por lo tanto, los agujeros en la región se mueven hacia el ánodo y los electrones se mueven hacia el cátodo y se generará una fotocorriente. Toda la corriente a través del diodo es la suma de la ausencia de luz y la fotocorriente. Por lo tanto, la corriente ausente debe reducirse para maximizar la sensibilidad del dispositivo.

Modos de operacion

Los modos de funcionamiento del fotodiodo incluyen tres modos, a saber, modo fotovoltaico, modo fotoconductor y modo de diodo de avalancha.

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

Modo fotoconductor: El fotodiodo utilizado en este modo fotoconductor suele tener polarización inversa. La aplicación de voltaje inverso aumentará el ancho de la capa de agotamiento, lo que a su vez disminuye 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 operan en una condición de alta polarización inversa, lo que permite la multiplicación de una ruptura de avalancha en cada par de electrones y agujeros fotoproducidos. Este resultado es una ganancia interna en el fotodiodo, que aumenta lentamente la respuesta del dispositivo.

¿Por qué el fotodiodo funciona en sesgo inverso?

El fotodiodo opera en modo fotoconductor. Cuando el diodo está conectado en polarización inversa, entonces se puede aumentar el ancho de la capa de agotamiento. Entonces esto disminuirá la capacitancia de la unión y el tiempo de respuesta. De hecho, esta polarización provocará tiempos de respuesta más rápidos para el diodo. Entonces, la relación entre la fotocorriente y la iluminancia es linealmente proporcional.

¿Cuál es mejor fotodiodo o fototransistor?

Tanto el fotodiodo como el fototransistor se utilizan para convertir la energía de la luz en eléctrica. Sin embargo, el fototransistor responde mejor en comparación con el fotodiodo debido a la utilización del transistor.

El transistor cambia la corriente de base que se produce debido a la absorción de luz y, por lo tanto, se puede obtener una gran corriente de salida en todo el terminal del colector del transistor. La respuesta temporal de los fotodiodos es muy rápida 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 de fotodiodo vs fotorresistor.

Fotodiodo

Fototransistor

El dispositivo semiconductor que convierte la energía de la luz en corriente eléctrica se conoce como fotodiodo.El fototransistor se usa para cambiar la energía de la luz en una corriente eléctrica usando el transistor.
Genera tanto la corriente como el voltajeGenera corriente
El tiempo de respuesta es la velocidad.El tiempo de respuesta es lento
Es menos sensible en comparación con un fototransistor.Responde y genera una enorme corriente o / p.
Este diodo funciona en ambas condiciones de polarización.Este diodo funciona solo con polarización directa.
Se utiliza en un medidor de luz, planta de energía solar, etc.Se utiliza para detectar la luz.

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 nota la luz, permite que fluya algo de corriente a través de él. La suma de la corriente que suministra a través de este diodo puede ser directamente proporcional a la suma de la luz que se percibe a través del diodo.

Diagrama de circuito

Diagrama de circuito

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 iluminado a través de la luz, la corriente fluye desde el terminal del cátodo al terminal del ánodo.

Una vez que los fotodiodos se utilizan con circuitos exteriores, se unen a una fuente de energía dentro del circuito. Entonces, la cantidad de corriente generada a través de un fotodiodo será extremadamente pequeña, por lo que este valor no es suficiente para hacer un dispositivo electrónico.

Una vez que están conectados a una fuente de energía exterior, entrega más corriente hacia el circuito. En este circuito, la batería se utiliza como fuente de energía para ayudar a aumentar el valor de la corriente para que los dispositivos externos brinden un mejor rendimiento.

Eficiencia del fotodiodo

La eficiencia cuántica del fotodiodo se puede definir como la división de los fotones absorbidos que se donan a la fotocorriente. Para estos diodos, se asocia abiertamente con la responsividad 'S' sin efecto de una avalancha, entonces la fotocorriente se puede expresar como

I = S P = ηe / hv. PAG

Dónde,

‘Η’ es la eficiencia cuántica

'E' es la carga del electrón

'Hν' es la energía del fotón

La eficiencia cuántica de los fotodiodos es extremadamente alta. En algunos casos, estará por encima del 95%, sin embargo, cambia mucho 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 recubrimiento antirreflectante.

Responsividad

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

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 capacidad de respuesta será de 0,58 A / W.

Para fotomultiplicadores y fotodiodos de avalancha, hay un factor adicional para la multiplicación de la corriente interna, de modo que los valores posibles estarán por encima de 1 A / W. Generalmente, la multiplicación de la corriente no se incluye dentro de la eficiencia cuántica.

Fotodiodo PIN Vs Fotodiodo PN

Tanto los fotodiodos como PN y PIN se pueden obtener de muchos proveedores. La selección de un fotodiodo es muy importante al diseñar un circuito basado en el rendimiento requerido y las características.
Un fotodiodo PN no funciona con polarización inversa y, en consecuencia, es más apropiado para las aplicaciones de poca luz para mejorar el rendimiento del ruido.

El fotodiodo PIN que funciona en polarización inversa puede introducir una corriente de ruido para disminuir la relación S / N
Para las aplicaciones de alto rango dinámico, la polarización inversa dará un buen rendimiento.
Para aplicaciones de alto BW, la polarización inversa proporcionará un buen rendimiento, como la capacitancia entre las regiones de P & N y la capacidad de almacenamiento de carga es pequeña.

Ventajas

los ventajas del fotodiodo Incluya lo siguiente.

  • Menos resistencia
  • Velocidad de operación rápida y alta
  • Vida útil prolongada
  • Fotodetector más rápido
  • La respuesta espectral es buena
  • No usa alto voltaje
  • La respuesta de frecuencia es buena
  • Sólido y ligero
  • Es extremadamente sensible a la luz.
  • La corriente oscura es lías
  • Alta eficiencia cuántica
  • Menos ruido

Desventajas

los desventajas del fotodiodo Incluya lo siguiente.

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

Aplicaciones del fotodiodo

  • Las aplicaciones de los fotodiodos implican aplicaciones similares de fotodetectores como dispositivos de carga acoplada, fotoconductores y tubos fotomultiplicadores.
  • Estos diodos se utilizan en dispositivos electrónicos de consumo como detectores de humo , reproductores de discos compactos y televisores y controles remotos en VCR.
  • En otros dispositivos de consumo como radios reloj, fotómetros de cámara y alumbrado público, se utilizan con más frecuencia fotoconductores que 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 utilizan ampliamente en numerosas aplicaciones médicas como instrumentos para analizar muestras, detectores para tomografía computarizada, y también utilizados 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 las comunicaciones ópticas.

Características V-I del fotodiodo

Un fotodiodo funciona continuamente en modo de polarización inversa. Las características del fotodiodo se muestran claramente en la siguiente figura, que la fotocorriente es casi independiente de la tensión de polarización inversa que se aplica. Para luminancia cero, la fotocorriente es casi cero excluyendo la pequeña corriente oscura. Es del orden de los nanoamperios. A medida que aumenta la potencia óptica, la fotocorriente también aumenta linealmente. La fotocorriente máxima está incompleta por la disipación de potencia del fotodiodo.

Caracteristicas

Caracteristicas

Por lo tanto, se trata de 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 costosos. Esperamos que comprenda mejor este concepto. Además, cualquier consulta sobre este concepto o para implementar proyectos eléctricos y electrónicos para estudiantes de ingeniería . Por favor, dé sus valiosas sugerencias comentando en la sección de comentarios a continuación. Aquí hay una pregunta para ti, cuál es la función de un fotodiodo ?

Créditos fotográficos: