El fotodiodo

El Fotodiodo.

Los fotodiodos de silicio están construidos de wafers de cristal de silicio simple semejantes a aquellos usados en la fabricación de circuitos integrados. La principal diferencia es que los fotodiodos requieren de un silicio mucho mas puro. La pureza del silicio esta relacionada directamente con la resistividad del mismo, a mayor resistividad, mayor pureza del silicio.

Una delgada capa de material “P” se forma en la superficie frontal del dispositivo por difusión térmica o implantación del material de dopado apropiado, (generalmente Boro). 

La interfase entre la capa “p” y la capa “n” es conocida como unión PN. Se aplican pequeños contactos metálicos a la superficie frontal del dispositivo y toda la parte posterior del mismo. 

Recordando el funcionamiento del diodo.

Polarización Directa.

Cuando el voltaje aumenta hasta un valor de alrededor de 0.6V, una corriente de avance medible se establece a través del diodo. Cuando el voltaje sube un poco de 0.6 V, la corriente a través del diodo crece rápidamente.

Polarización inversa.

La llamamos corriente inversa de saturación. Un diodo bien hecho tiene una corriente inversa típica de IS = 10 -9 a IS=10 -12 A.

Cuando el voltaje alcanza un valor negativo alto en magnitud, conocido como voltaje de ruptura VR, el diodo comienza a conducir en el sentido inverso. En este caso, la corriente aumenta súbitamente y se vuelve muy alta en la dirección negativa. Un voltaje de ruptura típico en diodos ordinarios es un VR = 50 V.

Polarización inversa.

En esta configuración los electrones de la región N son atraídos por el terminal positivo y los huecos de la región P son atraídos por el terminal negativo de la batería. Por lo tanto los electrones y huecos se alejan de la frontera y se ensancha su zona/región de agotamiento (deplexión, vacío).

Regresando con el fotodiodo.

Las características de la unión PN son bien conocidas, sin embargo, las uniones de fotodiodos son inusuales debido a que la capa superior tipo “p” es muy delgada. El grosor de esta capa está determinado por la longitud de onda de la radiación que será detectada. En las cercanías de la unión PN el silicio llega a estar completamente vació de cargas eléctricas. 

Esta se conoce como la “región de vació”. La profundidad de la región de vació puede variar de acuerdo al voltaje inverso que se le aplique a la unión. Cuando la región de vació alcanza la parte posterior del diodo, el fotodiodo se dice que esta completamente vaciado. 

La región de vació es importante para el desempeño del fotodiodo dado que la mayor parte de su sensitividad se origina allí.

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión P-N, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga.

Si la unión esta polarizada directamente, el incremento neto será relativamente insignificante , la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal.

Cuando un haz de luz de suficiente energía incide en el diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. 

Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, estos portadores son retirados de la unión, produciendo una fotocorriente.

Los electrones y los huecos son separados pasando los electrones a la región “n” y lo huecos a la región “p”, esto da como resultado una corriente eléctrica generada por la luz (generalmente abreviad como Isc). 

La migración de electrones y huecos a sus respetivas regiones es llamado “El efecto fotovoltaico”. 

Los fotodiodos de silicio son mas útiles como generadores de corriente, sin embargo también se genera un voltaje debido a la iluminación.

La longitud de onda de radiación a ser detectada es un parámetro importante, el silicio llega a ser transparente para longitudes de onda mayores que 1100 nM. Por lo tanto no es apto para usarse con longitudes de onda mas allá de esta. 

La luz ultravioleta por el contrario se absorte en los primeros 100 nM del grosor del silicio. Aun la preparación más cuidadosa de la superficie deja algunos daños, lo cual reduce la eficiencia de recolección para esta longitud de onda (λ).

Si se producen pares electrón-hueco fuera de la zona desierta, tendrán una elevada probabilidad de recombinación, en cuyo caso no habrá fotocorriente disponible. Por tanto, es necesario que la parte superior de la capa p sea tan delgada como sea posible y la región desierta efectiva tan ancha como sea posible, para llevar al máximo el rendimiento cuántico. La región desierta puede ensancharse aumentando la polarización inversa del diodo. Aumentando la polarización inversa también disminuye el tiempo de tránsito que tardan los electrones y los huecos en alcanzar los extremos.

Se observará que la fotocorriente es solo ligeramente dependiente de la tensión inversa por lo cual el dispositivo presenta una alta resistencia dinámica, característica de un generador de corriente. 

También, a una polarización inversa constante, la fotocorriente de salida es lineal más allá de 10 decadas de la radiación incidente.

También, a una polarización inversa constante, la fotocorriente de salida es lineal conforme si incrementa la radiación incidente, (modo de corriente).

El dispositivo puede también operar sin polarización externa, es decir, en circuito abierto sobre una línea de corriente constante horizontal. 

Esto se denomina (modo de tensión), es decir, polarización de corriente constante y tensión sensible a las variaciones de luz.

Comparación de la sensibilidad relativa de el ojo humano y un fotodiodo.

Un fotodiodo de silicio, tiene un ancho de banda de respuesta espectral infrarroja de 730 a 1100 nm y un máximo de 940 nm.

En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del fotodiodo se halla en el margen comprendido en microamperios, por lo tanto requieren un buen amplificador.

La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un amplificador.