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. Este 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 con 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 distancia de difusión de ella, estos portadores son barridos de la unión por el campo eléctrico incorporado de la región de agotamiento. Así, 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 se debe minimizar la corriente oscura 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, lo que restringe la salida de la fotocorriente del dispositivo, se acumula 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 aprovecha 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 energía óptima, la celda fotovoltaica funcionará a un voltaje que cause solo una pequeña corriente directa en comparación con la fotocorriente. [3]
En el modo fotoconductor, el diodo tiene polarización inversa , es decir, con el cátodo impulsado en 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 recojan 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 presentar más ruido electrónico debido a corrientes oscuras o efectos de avalancha. [4] La corriente de fuga de un diodo PIN en buen estado es tan baja (<1 nA) que a menudo domina el ruido Johnson-Nyquist de la resistencia de carga en un circuito típico.
Los fotodiodos de avalancha son fotodiodos con estructura optimizada para funcionar con alta polarización inversa, acercándose al voltaje de ruptura inversa. Esto permite que cada portadora fotogenerada se multiplique por la 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 (más famoso por su máquina de ondas ) en los Laboratorios Bell en 1948 [6] : 205 pero no se anunció hasta 1950. [7] Los electrones generados por 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 hfe ) . Si se utilizan los cables de la base y del 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 necesaria ] 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 creando un voltaje de compuerta.
Un solaristor es un fototransistor sin puerta de dos terminales. En 2018, investigadores del ICN2 demostraron una clase compacta de fototransistores o solaristores de dos terminales . El novedoso concepto es una fuente de energía dos en uno más un dispositivo transistor que funciona con energía solar explotando 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 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 banda prohibida, 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 está iluminada, es potencialmente un fotodiodo. Los dispositivos semiconductores como diodos, transistores y circuitos integrados contienen uniones p-n y no funcionarán correctamente si están iluminados por radiación electromagnética (luz) no deseada de longitud de onda adecuada para producir una fotocorriente. [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 procedente del embalaje también es importante. [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 y absorbentes de luz (LEAD). [15]
Los parámetros críticos de rendimiento de un fotodiodo incluyen la capacidad de 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 alcance una tasa de error de bits específica .
Los fotodiodos P – n se utilizan en aplicaciones similares a otros fotodetectores , como fotoconductores , dispositivos de carga acoplada (CCD) y tubos fotomultiplicadores . Se pueden utilizar para generar una salida que depende de la iluminación (analógica para medición) o para cambiar el estado del circuito (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 discos compactos , detectores de humo , dispositivos médicos [17] y receptores de dispositivos de control remoto por infrarrojos utilizados para controlar equipos desde televisores hasta acondicionadores de aire. Para muchas aplicaciones se pueden utilizar fotodiodos o fotoconductores. Cualquiera de los tipos de fotosensor se puede utilizar para medir la luz, como en los fotómetros de las cámaras , o para responder a los niveles de luz, como al encender el 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 suele combinarse 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 del haz ( interruptor óptico ranurado ) o para acoplar dos circuitos digitales o analógicos. manteniendo al mismo tiempo 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. Generalmente tienen una respuesta más lineal que los fotoconductores.
También se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones médicas, como detectores para tomografía computarizada (junto con 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 alta sensibilidad, se utilizan fotodiodos de avalancha , dispositivos de carga acoplada intensificada o tubos fotomultiplicadores para aplicaciones como astronomía , espectroscopia , equipos de visión nocturna y telémetro láser .
Ventajas frente a los fotomultiplicadores : [18]
Desventajas en comparación con los fotomultiplicadores :
El fotodiodo fijado (PPD) tiene un implante poco profundo (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 estar completamente agotados de portadores mayoritarios, como la región base de un transistor de unión bipolar . El PPD (normalmente PNP) se utiliza en sensores CMOS de píxeles activos ; Sony inventó en 1975 una variante precursora de triple unión NPNP con el condensador buffer MOS y el esquema de iluminación de retroiluminación con transferencia de carga completa y sin retraso de imagen. Este esquema se usó ampliamente en muchas aplicaciones de dispositivos de transferencia de carga.
"Los primeros sensores de imagen de los dispositivos con carga acoplada sufrían un retraso del obturador ". Esto se explicó en gran medida con la reinvención del fotodiodo fijado. [20] Fue desarrollado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. [20] [21] Sony reconoció en 1975 que el retraso se puede eliminar si las portadoras de señal pudieran transferirse del fotodiodo al CCD. Esto los llevó a la invención del fotodiodo fijado, 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-floración. [20] [22] La nueva estructura de fotodetector inventada por Sony en 1975, desarrollada por NEC en 1982 por Kodak en 1984 recibió el nombre de "fotodiodo fijado" (PPD) por BC Burkey en Kodak en 1984. En 1987, comenzó el PPD para incorporarse en la mayoría de los sensores CCD, convirtiéndose en un elemento fijo de las cámaras de vídeo electrónicas de consumo y luego de las cámaras fotográficas digitales . [20]
En 1994, Eric Fossum , mientras trabajaba en el Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA , explicó en público una mejora del sensor CMOS : la integración del fotodiodo fijado. Un sensor de imagen CMOS con tecnología PPD de bajo voltaje fue fabricado por primera vez en 1995 por un equipo conjunto de JPL y Kodak que incluía a Fossum junto con PPK Lee, RC Gee, RM Guidash y TH Lee. Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores de imagen CMOS. 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 llevó a que los sensores CMOS alcanzaran un rendimiento de imagen a la par de los sensores CCD, y más tarde superando los sensores CCD. [20]
Como sensor de posición se puede utilizar una matriz unidimensional de cientos o miles de fotodiodos , por ejemplo como parte de un sensor de ángulo. [23] Se utiliza una matriz bidimensional 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 componentes electrónicos de escaneo como en un dispositivo de carga acoplada (CCD) o un sensor CMOS . El chip del mouse 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 es a veces una limitación del rendimiento. En la década de 1970 no era posible fabricar sensores de píxeles activos con un tamaño de píxel práctico, debido a la limitada tecnología de microlitografía de la época. [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 dominante de [tasa de error leve] en [memorias dinámicas de acceso aleatorio].
