Los fundamentos de los fotodiodos y fototransistores y su aplicación

Hay una clase de problemas de diseño que pueden resolverse fácilmente utilizando la visión humana. Considere la posibilidad de detectar la ubicación adecuada del papel en una impresora. Para un humano es fácil ver la alineación, pero para un microprocesador es difícil verificarla. La cámara de un teléfono móvil necesita medir la luz ambiental para determinar si es necesario activar el flash. ¿Cómo se puede evaluar el nivel de oxígeno en sangre de forma no invasiva?

La solución a estos problemas de diseño es el uso de fotodiodos o fototransistores. Estos dispositivos optoelectrónicos convierten la luz (fotones) en señales eléctricas y permiten así que un microprocesador (o microcontrolador) para "ver". Esto le permite controlar la posición y la alineación de los objetos, determinar la intensidad de la luz y medir las propiedades físicas de los materiales en función de su interacción con la luz.

Este artículo explica la teoría de funcionamiento tanto de los fotodiodos como de los fototransistores y proporciona a los diseñadores los conocimientos básicos para su aplicación. Los dispositivos de Advanced Photonix, Inc. Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd., Marktech Optoelectronics y NTE Electronics.

El espectro óptico utilizado normalmente para los fotodiodos y los fototransistores

Los fotodiodos y los fototransistores son sensibles a una serie de longitudes de onda ópticas. En algunos casos, se trata de una consideración de diseño, por ejemplo, para que la operación sea invisible al ojo humano. El diseñador debe conocer el espectro óptico para adaptar los dispositivos a la aplicación.

El espectro óptico se extiende desde el infrarrojo (IR) de mayor longitud de onda hasta el ultravioleta (UV) de menor longitud de onda (Figura 1). Las longitudes de onda visibles están en el medio.

Figura 1: Parte del espectro electromagnético, el espectro óptico abarca desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, con el espectro visible en medio. La tabla enumera las longitudes de onda visibles y sus frecuencias asociadas. (Fuente de las imágenes: Once Lighting (arriba) y Art Pini (abajo))

La mayoría de los dispositivos optoelectrónicos se especifican utilizando sus longitudes de onda operativas en nanómetros (nm); rara vez se utilizan los valores de frecuencia.

Los fotodiodos de silicio (Si) suelen ser sensibles a la luz visible. Los dispositivos sensibles a los infrarrojos utilizan antimonida de indio (InSb), arseniuro de indio y galio (InGaAs), germanio (Ge) o teluro de mercurio y cadmio (HgCdTe). Los dispositivos sensibles a los rayos UV suelen utilizar carburo de silicio (SiC).

El fotodiodo

El fotodiodo es una unión P-N o PIN de dos elementos que se expone a la luz a través de un cuerpo o cubierta transparente. Cuando la luz incide en la unión, se desarrolla una corriente o una tensión según el modo de funcionamiento. El fotodiodo funciona en cualquiera de los tres modos en función de la polarización que se le aplique. Se trata de los modos fotovoltaico, fotoconductor o diodo de avalancha.

Si el fotodiodo no está polarizado, funciona en modo fotovoltaico y produce una pequeña tensión de salida cuando se ilumina con una fuente de luz. En este modo, el fotodiodo actúa como una célula solar. El modo fotovoltaico es útil en aplicaciones de baja frecuencia, generalmente por debajo de 350 kilohercios (kHz), con bajas intensidades de luz. La tensión de salida es baja, y la salida del fotodiodo requiere un amplificador en la mayoría de los casos.

El modo fotoconductor requiere que el fotodiodo esté en polarización inversa. La polarización inversa aplicada generará una región de agotamiento en la unión P-N. Cuanto mayor sea el sesgo, más amplia será la región de agotamiento. La región de agotamiento más amplia da lugar a una capacitancia reducida, en comparación con el diodo no polarizado, lo que da lugar a tiempos de respuesta más rápidos. Este modo tiene niveles de ruido más altos y puede requerir la limitación del ancho de banda para controlarlos.

Si se aumenta más la polarización inversa, el fotodiodo funciona en modo de diodo de avalancha. En este modo, los fotodiodos operan en una condición de alto sesgo inverso, lo que permite la multiplicación de cada par electrón-orifico foto-producido debido a la ruptura de avalancha. Esto da lugar a una ganancia interna y a una mayor sensibilidad en el fotodiodo. Este modo es un funcionamiento similar al de un tubo fotomultiplicador.

En la mayoría de las aplicaciones, el fotodiodo funciona en modo fotoconductor con una polarización inversa (Figura 2).

Figura 2: El fotodiodo con polarización inversa produce una corriente proporcional a la intensidad de la luz debido a la creación de pares electrón-orificio en la región de agotamiento. Los círculos azules representan los electrones y los blancos los orificios. (Fuente de la imagen: Art Pini)

La unión del fotodiodo sin iluminación y con polarización inversa tiene una zona de agotamiento con pocos portadores libres. Parece un condensador cargado. Existe una pequeña corriente causada por la ionización excitada térmicamente, llamada corriente "oscura". Un fotodiodo ideal tendría una corriente oscura nula. La corriente oscura y los niveles de ruido térmico son proporcionales a la temperatura del diodo. La corriente oscura puede ocultar la fotocorriente debido a niveles de luz extremadamente bajos, por lo que deben seleccionarse dispositivos que tengan bajas corrientes oscuras.

Cuando la luz incide en la capa de agotamiento con suficiente energía, ioniza los átomos de la estructura cristalina y genera pares de electrones-huecos. El campo eléctrico existente, debido a la polarización, hará que los electrones se desplacen hacia el cátodo y los huecos hacia el ánodo, dando lugar a una fotocorriente. Cuanto mayor sea la intensidad de la luz, mayor será la fotocorriente. La característica corriente-voltaje del fotodiodo en polarización inversa lo muestra en la figura 3.

Figura 3: El diagrama V-I característico del fotodiodo en polarización inversa muestra los cambios incrementales en la corriente del diodo en función del nivel de luz. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El gráfico representa la corriente inversa del diodo en función de la tensión de polarización inversa aplicada con la intensidad de la luz como parámetro. Obsérvese que el aumento de los niveles de luz produce un incremento proporcional de los niveles de corriente inversa. Esta es la base del uso de fotodiodos para medir la intensidad de la luz. La tensión de polarización, cuando es superior a 0.5 voltios, tiene poco efecto sobre la fotocorriente. La corriente inversa puede convertirse en una tensión aplicándola a un amplificador de transimpedancia.

Tipos de fotodiodos

La variedad de aplicaciones de detección y medición de la luz ha dado lugar a diversos tipos de fotodiodos. El fotodiodo básico es la unión P-N planar. Estos dispositivos ofrecen el mejor rendimiento en modo fotovoltaico no sesgado. También son los dispositivos más rentables.

El 002-151-001 de Advanced Photonix, Inc. es un ejemplo de fotodiodo/fotodetector de InGaAs de difusión planar (Figura 4). Se presenta en un paquete de dispositivo de montaje superficial (SMD) que mide 1.6 x 3.2 x 1.1 milímetros (mm), con una apertura óptica activa de 0.05 mm de diámetro.

Figura 4: El 002-151-001 es un fotodiodo SMD P-N de difusión plana que mide 1.6 x 3.2 x 1.1 mm. Tiene un rango espectral de 800 a 1700 nm. (Fuente de la imagen: Advanced Photonix)

Este fotodiodo de InGaAs tiene un rango espectral de 800 a 1700 nm, cubriendo el espectro IR. Su corriente oscura es inferior a 1 nanoamperio (nA). Su respuesta espectral, que especifica la salida de corriente para una entrada de potencia óptica específica, suele ser de 1 amperio por vatio (A/W). Está destinado a aplicaciones como la detección industrial, la seguridad y las comunicaciones.

El diodo PIN se forma intercalando una capa semiconductora intrínseca de alta resistividad entre las capas de tipo P y N de un diodo convencional; de ahí que el nombre PIN refleje la estructura del diodo.

La inserción de la capa intrínseca aumenta el ancho efectivo de la capa de agotamiento de los diodos, lo que se traduce en una menor capacitancia y una mayor tensión de ruptura. La menor capacitancia aumenta efectivamente la velocidad del fotodiodo. La mayor región de agotamiento ofrece un mayor volumen de generación de huecos de electrones inducidos por fotones y una mayor eficiencia cuántica.

El VBP104SR de Vishay Semiconductor Opto Division es un fotodiodo PIN de silicio que cubre el rango espectral de 430 a 1100 nm (del violeta al IR cercano). Tiene una corriente oscura típica de 2 nA y una gran área ópticamente sensible de 4.4 mm² (Figura 5).

Figura 5: El Vishay VBP104SR es un fotodiodo PIN con una gran ventana de detección óptica destinado a la fotodetección de alta velocidad. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductors)

El fotodiodo de avalancha (APD) es funcionalmente similar a un tubo fotomultiplicador, ya que utiliza el efecto de avalancha para crear ganancia en el diodo. En presencia de un alto sesgo inverso, cada par orificio-electrón genera pares adicionales por medio de la ruptura de avalancha. Esto se traduce en una ganancia en forma de una mayor fotocorriente por fotón de luz. Esto hace que el APD sea una opción ideal para la sensibilidad a la luz baja.

Un ejemplo de APD es el C30737LH-500-92C de Excelitas Technologies. Tiene un rango espectral de 500 a 1000 nm (cian a IR cercano) con un pico de respuesta a 905 nm (IR). Tiene una respuesta espectral de 60 A/W a 900 nm con una corriente oscura inferior a 1 nA. Está pensado para aplicaciones de gran ancho de banda, como la detección y el alcance de la luz en el automóvil (LiDAR) y la comunicación óptica (Figura 6).

Figura 6: El fotodiodo de avalancha C30737LH-500-92C es un fotodiodo de gran ancho de banda destinado a aplicaciones como LiDAR y comunicaciones ópticas. (Fuente de la imagen: Excelitas Technology)

Fotodiodos Schottky

El fotodiodo Schottky se basa en una unión metal-semiconductor. El lado metálico de la unión forma el electrodo anódico, mientras que el lado semiconductor de tipo N es el cátodo. Los fotones atraviesan una capa metálica parcialmente transparente y son absorbidos en el semiconductor de tipo N, liberando pares de portadores cargados. Estos portadores de carga libre son barridos fuera de la capa de agotamiento por el campo eléctrico aplicado y forman la fotocorriente.

Una característica significativa de estos diodos es su tiempo de respuesta muy rápido. Por lo general, emplean pequeñas estructuras de unión de diodos que son capaces de responder rápidamente. En el mercado existen fotodiodos Schottky con anchos de banda en el rango de los gigahercios (GHz). Esto los hace ideales para los enlaces de comunicaciones ópticas de gran ancho de banda.

Un ejemplo de fotodiodo Schottky es el fotosensor GUVB-S11SD de Genicom Co. (Figura 7). Este fotodiodo sensible a la luz ultravioleta está destinado a aplicaciones como la indexación UV. Utiliza un material basado en el nitruro de aluminio y galio (AlGaN) y tiene un rango de sensibilidad espectral de 240 a 320 nm en el espectro UV. El dispositivo es espectralmente sensible y ciego a la luz visible, una característica útil en entornos muy iluminados. Tiene una corriente oscura inferior a 1 nA y una capacidad de respuesta de 0.11 A/W.

Figura 7: El GUVB-S11SD es un fotosensor sensible a los rayos UV basado en AlGaN con un área óptica activa de 0.076 mm². (Fuente de la imagen: Genicom Co, Ltd.)

Fototransistores

El fototransistor es un dispositivo semiconductor de unión similar al fotodiodo, ya que genera una corriente proporcional a la intensidad de la luz. Podría considerarse como un fotodiodo con un amplificador de corriente incorporado. El fototransistor es un transistor NPN en el que la conexión de la base se sustituye por una fuente óptica. La unión base-colector está en polarización inversa y expuesta a la luz exterior a través de una ventana transparente. La unión base-colector se hace a propósito lo más grande posible para maximizar la fotocorriente. La unión base-emisor está polarizada hacia delante, siendo su corriente de colector una función del nivel de luz incidente. La luz suministra la corriente de base, que se amplifica mediante la acción normal del transistor. En ausencia de luz, fluye una pequeña corriente oscura, como en el fotodiodo.

El Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T es un fototransistor NPN con una sensibilidad espectral de 400 a 1100 nm (del visible al infrarrojo cercano), y un pico de respuesta fotográfica a 880 nm (Figura 8).

Figura 8: El fototransistor MTD8600N4-T produce una corriente de colector proporcional al nivel de luz incidente. Obsérvese que la corriente de colector es un orden de magnitud superior a la de un fotodiodo debido a la amplificación de corriente del transistor. (Fuente de la imagen: Marktech Optoelectronics)

Este fototransistor está alojado en una lata metálica con una cúpula transparente. El gráfico es de la corriente de colector en función de la tensión de colector a emisor, con la irradiación de luz como parámetro. Las corrientes de colector son significativamente más altas que la corriente en un fotodiodo debido a la amplificación de la corriente en el transistor.

Los fototransistores están disponibles en muchos estilos de paquetes. Por ejemplo, el fototransistor NTE Electronics NTE3034A NPN utiliza un paquete de epoxi moldeado que recibe la luz por el lado. También responde al visible y al IR cercano con un pico de respuesta fotográfica a 880 nm.

Conclusión:

La detección de la luz mediante fototransistores y fotodiodos es uno de los medios por los que los microprocesadores o microcontroladores dan sentido al mundo físico e implementan algoritmos de control o análisis en consecuencia. El fototransistor se utiliza en las mismas aplicaciones que el fotodiodo, aunque cada uno tiene sus respectivas ventajas. El fototransistor ofrece un nivel de corriente de salida más alto que el fotodiodo, mientras que el fotodiodo tiene la ventaja de funcionar a frecuencias más altas.