Un fotodiodo es un diodo semiconductor sensible a la radiación de fotones , como la luz visible, la radiación infrarroja o ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma . [1] Produce una corriente eléctrica cuando absorbe fotones. Esto se puede utilizar para aplicaciones de detección y medición, o para la generación de energía eléctrica en células solares . Los fotodiodos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en todo el espectro electromagnético, desde fotocélulas de luz visible hasta espectrómetros de rayos gamma.
Un fotodiodo es una estructura PIN o unión p–n . Cuando un fotón de suficiente energía golpea el diodo, crea un par electrón - hueco . Este mecanismo también se conoce como efecto fotoeléctrico interno . Si la absorción ocurre en la región de agotamiento de la unión , o a una longitud de difusión de distancia de ella, estos portadores son barridos de la unión por el campo eléctrico incorporado de la región de agotamiento. De este modo, los huecos se mueven hacia el ánodo y los electrones hacia el cátodo , y se produce una fotocorriente . La corriente total a través del fotodiodo es la suma de la corriente oscura (corriente que pasa en ausencia de luz) y la fotocorriente, por lo que la corriente oscura debe minimizarse para maximizar la sensibilidad del dispositivo. [2]
En primer orden, para una distribución espectral dada, la fotocorriente es linealmente proporcional a la irradiancia . [3]
En el modo fotovoltaico ( polarización cero ), la fotocorriente fluye hacia el ánodo a través de un cortocircuito hacia el cátodo. Si el circuito está abierto o tiene una impedancia de carga que restringe la salida de la fotocorriente del dispositivo, se genera un voltaje en la dirección que polariza directamente el diodo, es decir, el ánodo es positivo con respecto al cátodo. Si el circuito está en cortocircuito o la impedancia es baja, una corriente directa consumirá toda o parte de la fotocorriente. Este modo explota el efecto fotovoltaico , que es la base de las células solares : una célula solar tradicional es simplemente un fotodiodo de gran superficie. Para una salida de potencia óptima, la célula fotovoltaica se hará funcionar a un voltaje que provoque solo una pequeña corriente directa en comparación con la fotocorriente. [3]
En el modo fotoconductor, el diodo está polarizado en sentido inverso , es decir, el cátodo se activa en sentido positivo con respecto al ánodo. Esto reduce el tiempo de respuesta porque la polarización inversa adicional aumenta el ancho de la capa de agotamiento, lo que disminuye la capacitancia de la unión y aumenta la región con un campo eléctrico que hará que los electrones se recolecten rápidamente. La polarización inversa también crea una corriente oscura sin muchos cambios en la fotocorriente.
Aunque este modo es más rápido, el modo fotoconductor puede exhibir más ruido electrónico debido a efectos de corriente oscura o avalancha. [4] La corriente de fuga de un buen diodo PIN es tan baja (<1 nA) que el ruido de Johnson-Nyquist de la resistencia de carga en un circuito típico a menudo domina.
Los fotodiodos de avalancha son fotodiodos con una estructura optimizada para operar con alta polarización inversa, acercándose al voltaje de ruptura inversa. Esto permite que cada portadora fotogenerada se multiplique por la ruptura de avalancha , lo que da como resultado una ganancia interna dentro del fotodiodo, lo que aumenta la capacidad de respuesta efectiva del dispositivo. [5]
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Un fototransistor es un transistor sensible a la luz. Un tipo común de fototransistor, el fototransistor bipolar , es en esencia un transistor bipolar encerrado en una caja transparente para que la luz pueda llegar a la unión base-colector . Fue inventado por John N. Shive en Bell Labs en 1948 [6] : 205 pero no fue anunciado hasta 1950. [7] Los electrones que son generados por los fotones en la unión base-colector se inyectan en la base, y esta corriente del fotodiodo es amplificada por la ganancia de corriente del transistor β (o h fe ). Si se utilizan los cables de base y colector y el emisor se deja desconectado, el fototransistor se convierte en un fotodiodo. Si bien los fototransistores tienen una mayor capacidad de respuesta a la luz, no pueden detectar niveles bajos de luz mejor que los fotodiodos. [ cita requerida ] Los fototransistores también tienen tiempos de respuesta significativamente más largos. Otro tipo de fototransistor, el fototransistor de efecto de campo (también conocido como fotoFET), es un transistor de efecto de campo sensible a la luz. A diferencia de los transistores fotobipolares, los fotoFET controlan la corriente de drenaje-fuente mediante la creación de un voltaje de compuerta.
Un solaristor es un fototransistor de dos terminales sin compuerta. En 2018, investigadores del ICN2 demostraron una clase compacta de fototransistores de dos terminales o solaristores . El concepto novedoso es un dispositivo de transistor y fuente de alimentación dos en uno que funciona con energía solar aprovechando un efecto memresistivo en el flujo de portadores fotogenerados. [8]
El material utilizado para fabricar un fotodiodo es fundamental para definir sus propiedades, porque sólo los fotones con suficiente energía para excitar a los electrones a través de la banda prohibida del material producirán fotocorrientes significativas.
Los materiales comúnmente utilizados para producir fotodiodos se enumeran en la siguiente tabla. [9]
Debido a su mayor ancho de banda, los fotodiodos basados en silicio generan menos ruido que los fotodiodos basados en germanio.
Los materiales binarios, como el MoS 2 y el grafeno, surgieron como nuevos materiales para la producción de fotodiodos. [10]
Cualquier unión p-n, si se ilumina, es potencialmente un fotodiodo. Los dispositivos semiconductores, como diodos, transistores y circuitos integrados, contienen uniones p-n y no funcionarán correctamente si se iluminan con luz no deseada. [11] [12] Esto se evita encapsulando los dispositivos en carcasas opacas. Si estas carcasas no son completamente opacas a la radiación de alta energía (ultravioleta, rayos X, rayos gamma), los diodos, transistores y circuitos integrados pueden funcionar mal [13] debido a las fotocorrientes inducidas. La radiación de fondo del encapsulado también es significativa. [14] El endurecimiento por radiación mitiga estos efectos.
En algunos casos, el efecto es realmente deseado, por ejemplo, para utilizar LED como dispositivos sensibles a la luz (ver LED como sensor de luz ) o incluso para la recolección de energía , a veces llamados diodos emisores de luz y absorbentes de luz (LEAD). [15]
Los parámetros de rendimiento críticos de un fotodiodo incluyen la respuesta espectral, la corriente oscura, el tiempo de respuesta y la potencia equivalente al ruido.
Cuando se utiliza un fotodiodo en un sistema de comunicación óptica, todos estos parámetros contribuyen a la sensibilidad del receptor óptico, que es la potencia de entrada mínima requerida para que el receptor logre una tasa de error de bits específica .
Los fotodiodos P–n se utilizan en aplicaciones similares a otros fotodetectores , como fotoconductores , dispositivos acoplados a carga (CCD) y tubos fotomultiplicadores . Pueden utilizarse para generar una salida que depende de la iluminación (analógica para medición) o para cambiar el estado de los circuitos (digital, ya sea para control y conmutación o para procesamiento de señales digitales).
Los fotodiodos se utilizan en dispositivos electrónicos de consumo , como reproductores de CD , detectores de humo , dispositivos médicos [17] y receptores para dispositivos de control remoto por infrarrojos que se utilizan para controlar equipos, desde televisores hasta aires acondicionados. Para muchas aplicaciones, se pueden utilizar fotodiodos o fotoconductores. Cualquier tipo de fotosensor se puede utilizar para medir la luz, como en los fotómetros de cámara , o para responder a los niveles de luz, como en el encendido del alumbrado público después del anochecer.
Se pueden utilizar fotosensores de todo tipo para responder a la luz incidente o a una fuente de luz que forme parte del mismo circuito o sistema. Un fotodiodo se combina a menudo en un único componente con un emisor de luz, normalmente un diodo emisor de luz (LED), ya sea para detectar la presencia de una obstrucción mecánica al haz ( interruptor óptico ranurado ) o para acoplar dos circuitos digitales o analógicos manteniendo un aislamiento eléctrico extremadamente alto entre ellos, a menudo por seguridad ( optoacoplador ). La combinación de LED y fotodiodo también se utiliza en muchos sistemas de sensores para caracterizar diferentes tipos de productos en función de su absorbancia óptica .
Los fotodiodos se utilizan a menudo para medir con precisión la intensidad de la luz en la ciencia y la industria. Por lo general, tienen una respuesta más lineal que los fotoconductores.
También se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones médicas, como detectores para tomografía computarizada (acoplados a centelleadores ), instrumentos para analizar muestras ( inmunoensayo ) y oxímetros de pulso .
Los diodos PIN son mucho más rápidos y sensibles que los diodos de unión p–n y, por lo tanto, se utilizan a menudo para comunicaciones ópticas y en la regulación de la iluminación.
Los fotodiodos P–n no se utilizan para medir intensidades de luz extremadamente bajas. En cambio, si se necesita una alta sensibilidad, se utilizan fotodiodos de avalancha , dispositivos intensificados acoplados a carga o tubos fotomultiplicadores para aplicaciones como astronomía , espectroscopia , equipos de visión nocturna y telémetros láser .
Ventajas en comparación con los fotomultiplicadores : [18]
Desventajas frente a los fotomultiplicadores :
El fotodiodo pinned (PPD) tiene un implante superficial (P+ o N+) en una capa de difusión de tipo N o tipo P, respectivamente, sobre una capa de sustrato de tipo P o tipo N (respectivamente), de modo que la capa de difusión intermedia puede quedar completamente desprovista de portadores mayoritarios, como la región base de un transistor de unión bipolar . El PPD (normalmente PNP) se utiliza en sensores de píxeles activos CMOS ; una variante precursora de triple unión NPNP con el condensador de búfer MOS y el esquema de iluminación de luz de fondo con transferencia de carga completa y sin retraso de imagen fue inventada por Sony en 1975. Este esquema se utilizó ampliamente en muchas aplicaciones de dispositivos de transferencia de carga.
Los primeros sensores de imagen de dispositivos acoplados por carga sufrieron un retraso de obturación . Esto se explicó en gran medida con la reinvención del fotodiodo pinned. [20] Fue desarrollado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. [20] [21] Sony en 1975 reconoció que el retraso se puede eliminar si los portadores de señal se pueden transferir del fotodiodo al CCD. Esto condujo a su invención del fotodiodo pinned, una estructura de fotodetector con bajo retraso, bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura . [20] Fue informado públicamente por primera vez por Teranishi e Ishihara con A. Kohono, E. Oda y K. Arai en 1982, con la adición de una estructura anti-blooming. [20] [22] La nueva estructura de fotodetector inventada por Sony en 1975, desarrollada por NEC en 1982 y por Kodak en 1984 recibió el nombre de "fotodiodo fijado" (PPD) por BC Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los sensores CCD, convirtiéndose en un elemento fijo en las cámaras de vídeo electrónicas de consumo y luego en las cámaras fotográficas digitales . [20]
En 1995, un equipo conjunto de JPL y Kodak fabricó por primera vez un sensor de imagen CMOS con tecnología PPD de bajo voltaje . El sensor CMOS con tecnología PPD fue perfeccionado y perfeccionado por RM Guidash en 1997, K. Yonemoto y H. Sumi en 2000, e I. Inoue en 2003. Esto permitió que los sensores CMOS alcanzaran un rendimiento de imagen equivalente al de los sensores CCD y, posteriormente, los superaran.
Una matriz unidimensional de cientos o miles de fotodiodos se puede utilizar como sensor de posición , por ejemplo, como parte de un sensor de ángulo. [23] Una matriz bidimensional se utiliza en sensores de imagen y ratones ópticos .
En algunas aplicaciones, las matrices de fotodiodos permiten una lectura paralela de alta velocidad, en lugar de integrar electrónica de escaneo como en un dispositivo acoplado por carga (CCD) o un sensor CMOS . El chip de ratón óptico que se muestra en la foto tiene acceso paralelo (no multiplexado) a los 16 fotodiodos en su matriz de 4 × 4.
El sensor de píxeles pasivos (PPS) es un tipo de matriz de fotodiodos. Fue el precursor del sensor de píxeles activos (APS). [20] Un sensor de píxeles pasivos consta de píxeles pasivos que se leen sin amplificación , y cada píxel consta de un fotodiodo y un interruptor MOSFET . [24] En una matriz de fotodiodos, los píxeles contienen una unión p-n , un condensador integrado y MOSFET como transistores de selección . G. Weckler propuso una matriz de fotodiodos en 1968, anterior al CCD. [25] Esta fue la base del PPS. [20]
El ruido de los conjuntos de fotodiodos a veces limita el rendimiento. En la década de 1970 no era posible fabricar sensores de píxeles activos con un tamaño de píxel práctico debido a la tecnología de microlitografía limitada en ese momento. [25]
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Se descubrió que las partículas alfa emitidas por la desintegración radiactiva natural del uranio, el torio y los isótopos hijos presentes como impurezas en los materiales de embalaje eran la causa principal de la [tasa de errores suaves] en [memorias de acceso aleatorio dinámicas].
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