Fotodiodos de silicio

Apuntes universitarios (VI): fotodiodos de silicio

Comparto con vosotros una nueva entrega de mis trabajos universitarios, en este caso habla de fotodiodos de silicio. El tema central de todos los apuntes, como ya sabeis, se refiere a la Instrumentación en Química.

 

Detectores de radiación

Los detectores de radiación convierten la energía radiante en una señal eléctrica. Dos tipos:

Detectores de fotones, tienen una superficie activa que es capaz de adsorber radiación. Son usados para medir radiación UV, visible e IR cercano. Cuando se utilizan para radiación de longitud de onda mayor de 3μm se deben enfriar a temperatura de hielo seco o nitrógeno líquido para evitar interferencias del ruido térmico de fondo. Difieren de los detectores de calor en que la señal eléctrica es consecuencia de una serie de sucesos individuales (absorción de fotones individuales), cuya probabilidad se puede describir estadísticamente. Por el contrario, los térmicos, que se emplean en la detección de la radiación IR, responden a la potencia promedio de la radiación incidente.

Existen distintos tipos de detectores de fotones:

1) Células fotovoltaicas, la energía radiante genera una corriente en la interfase entre una capa semiconductora y un metal.

2) Fototubos, la radiación causa la emisión de electrones de una superficie sólida fotosensible.

3) Tubos fotomultiplicadores, que contienen una superficie fotoemisora, así como varias superficies adicionales que emiten una cascada de electrones, cuando son alcanzados por los electrones procedentes del área fotosensible.

4) Detectores de fotoconductividad, en los que la absorción de radiación por un semiconductor produce electrones y huecos, dando lugar a un incremento de la conductividad.

5) Fotodiodos de silicio, los fotones aumentan la conductancia a través de una unión pn polarizada inversamente.

6) Detectores de transferencia de carga, en los que se recogen y miden las cargas desarrolladas en un cristal de silicio como resultado de la absorción de fotones.

Los diodos de silicio son más sensibles que un fototubo vacío, pero menos que un tubo fotomultiplicador. Presentan un intervalo espectral de 190 a 1100 nm aproximadamente.

Silicio

Símbolo Si, número atómico 14 y peso atómico 28,086. Es el elemento electropositivo más abundante de la corteza terrestre. Es un metaloide con marcado lustre metálico y sumamente quebradizo. Por lo regular, es tetravalente en sus compuestos, aunque algunas veces es divalente, y es netamente electropositivo en su comportamiento químico.

El silicio se parece a los metales en su comportamiento químico. Es casi tan electropositivo como el estaño y mucho más positivo que el germanio o el plomo. De acuerdo con este carácter más bien metálico, forma iones tetrapositivos y diversos compuestos covalentes.

Por su abundancia, el silicio excede en mucho a cualquier otro elemento, con excepción del oxígeno. Constituye el 27.72% de la corteza sólida de la Tierra.

Es un elemento del grupo IV, tiene 4 electrones de valencia disponibles para formar enlace. En un cristal de silicio, cada uno de estos electrones se dispone de manera que forme un enlace covalente con un electrón de otro átomo de silicio. En principio no hay electrones libres en silicio cristalino y cabrá esperar que fuera aislante. Pero, a temperatura ambiente hay suficiente agitación térmica como para liberar ocasionalmente algún electrón de su enlace, y se mueva libremente por la red cristalina. La excitación térmica del electrón deja una región cargada positivamente y localizada, denominada hueco. Los huecos al igual que los electrones son móviles. La conducción en un semiconductor supone el movimiento de los electrones térmicos en un sentido y el de lo huecos en sentido opuesto.

Silicio como semiconductor

En su forma más pura, el silicio es un semiconductor intrínseco, aunque la intensidad de su semiconducción se ve enormemente incrementada al introducir pequeñas cantidades conocidas de impurezas, mediante el dopado.

Un semiconductor se dopa con un elemento del grupo V (Ar o Sb). Cuando un átomo de este elemento reemplaza en la red a un átomo de silicio introduce en la red cristalina un electrón no enlazado. Un semiconductor que ha sido dopado de esta forma contiene electrones no enlazantes se denomina de tipo n, porque los electrones cargados negativamente son transportadores mayoritarios de cargas, siendo los huecos los transportadores minoritarios.

Un semiconductor tipo p, se obtiene cuando se dopa silicio con un elemento del grupo III, que sólo tiene 3 electrones de valencia. En este caso los huecos positivos se forman cuando los electrones del átomo de silicio adyacentes van a parar al orbital vacante del átomo de la impureza. El movimiento de huecos, constituye una corriente en la que los transportadores mayoritarios son positivos. Los huecos son menos móviles que los electrones libres, por tanto, la conductividad de un semiconductor tipo p es menor que la de un semiconductor tipo n.

¿Qué es un fotodiodo?

El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina). Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga.

Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el sentido de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal.

La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente.

A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño.

corte transversal de un fotodiodo

Más en detalle

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. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad.

Un fotodiodo es una unión P-N o estructura P-I-N. Cuando una luz de suficiente energía llega al 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, o a una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente.

El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor.

Longitud de onda (nm): Silicio 190–1100; Germanio 800–1700; Indio galio arsénico (InGaAs) 800–2600; sulfuro de plomo <1000-3500

También es posible la fabricación de fotodiodos para su uso en el campo de los infrarrojos medios (longitud de onda entre 5 y 20 µm), pero estos requieren refrigeración por nitrógeno líquido.

Fotodiodo de silicio

Diodo semiconductor: diodo no lineal que presenta una alta conductividad en unas direcciones que en otras. Se fabrica generando regiones adyacentes del tipo p y tipo n en un único cristal de silicio, la interfase de estas regiones se denomina unión p-n.

Propiedades se unión p-n

Unión que se forma por difusión de un exceso de impureza de tipo p, en un pequeño chip de silicio que se ha dopado con una impureza de tipo n. Una unión de esta clase permite un movimiento de huecos desde la región p a n y movimiento de electrones en sentido opuesto. Al difundirse los electrones y huecos en direcciones distintas, se crea una región despoblada de portadores de carga móviles, y por tanto, de una resistencia elevada. Esta zona se denomina zona de despoblación.

 

 

figura 1, polarización directa de la unión p-n

 

 

 

figura 2, polarización inversa de la unión p-n

 

Debido al existencia de una separación de la carga a través de esta zona, se forma una diferencia de potencial entre ambos lados de la región que causa la migración de los electrones y huecos en dirección opuesta. La corriente obtenida queda neutralizada con la corriente producida por la migración de los portadores en el campo eléctrico y en consecuencia, no hay corriente neta a través de la unión p-n. Para diodos de silicio la caída de tensión es de 0,6 V.

La figura 1, mecanismo de conducción cuando, al aplicar un potencial, la región p se vuelve positiva con respecto a n, proceso denominado polarización directa. En este caso huecos positivos de la región p y exceso de electrones de n, que son los portadores mayoritarios de ambas regiones, se mueven bajo la influencia del campo eléctrico hacia la zona de unión p-n, donde pueden combinarse entre sí, de forma que se anulen unos con otros. La terminal negativa de la batería introduce nuevos electrones en la región n, los cuales pueden continuar el proceso de conducción, por otro lado, la terminal positiva extrae electrones de p, creándose nuevos huecos que pueden migrar libremente a la unión p-n.

La figura 2, diodo inversamente polarizado, los transportadores mayoritarios de cada región se alejan de la unión p-n para formar la zona de despolarización, que contiene pocas cargas. Sólo la pequeña concentración de transportes minoritarios presentes en cada región se dirigen a la unión p-n y de esta forma originan una corriente, por eso, la conductividad en condiciones de polarización inversa es 10^-6– 10^-8 veces inferior a la polarización directa.

Figura 3: (a) Esquema de un fotodiodo de unión p–n polarizado en inversa.(b) Densidad de carga espacial en el diodo en la región de agotamiento. Na yNd son las concentraciones de impurezas dopantes, por unidad de volumen, en las regiones p y n, respectivamente. (c) Campo eléctrico en la región de agotamiento

 

Un fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares huecos-electrón en la proximidad de la unión.

El máximo de la curva de respuesta espectral de un fototransistor típico se halla en 850 nm, aproximadamente.

La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un amplificador. En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del fotodiodo se halla en el margen comprendido entre el submicroamperio y las decenas de microamperios, pudiendo añadirse a la pastilla un amplificador por un coste mínimo.

Si representáramos la intensidad frente a la tensión para diodos semiconductores: con polarización directa la intensidad aumenta casi exponencialmente con la tensión. Cuando aumenta la tensión inversa, se alcanza una tensión de ruptura, para la cual, la corriente inversa toma de forma brusca valores muy altos. En este caso, electrones y huecos, formados al romperse los enlaces covalentes del semiconductor, son acelerados por el campo originando más electrones y huecos por colisión. Si la conducción es demasiado elevada, se puede producir un calentamiento y deteriodo del diodo. La tensión a la que se produce el aumento brusco de corriente en condiciones de polarización inversa, se denomina tensión Zener de ruptura.

Fotodiodo PIN

La luz entra al diodo por una ventana muy pequeña y es absorbida por el material intrínseco, el cual agrega la energía suficiente para lograr que los electrones se muevan de la banda de valencia a la banda de conducción y se generen portadores de carga eléctrica que permiten que una corriente fluya a través del diodo.

Un fotodiodo de Si de tipo PIN es un diodo de Si con una unión de Si-intrínseco (semiconductor Si sin impurezas) entre dos láminas o zonas de tipo Si-p y Si-n.

Los diodos PIN requieren bajas tensiones para su funcionamiento, pero deben utilizar buenos amplificadores. Presentan tiempos de vida relativamente altos. Que podrían reducir únicamente por factores externos y son los más indicados para el uso en la segunda y tercera ventana de transmisión (1300 y 1550 nm).

El fotodiodo p-n tiene menor sensibilidad y es más lento que el p-i-n

Existen también otros tipos de fotodiodos como por ejemplo el de avalancha, el cual es cientos de veces más sensible que el p-i-n, debido a que cada par electrón-hueco generado por la potencia óptica incidente crea más pares electrón-hueco, pero su uso está presente en las aplicaciones donde la alta ganancia es un parámetro importante.

 

Figura 4: (a) Estructura esquemática de un fotodiodo pin. (b) Densidad de carga espacial en el fotodiodo. (c) Campo eléctrico en el fotodiodo. (d) Polarización inversa del fotodiodo pin.

Características de los diodos

• Alta sensibilidad a la λ de trabajo
• Alta velocidad de respuesta
• Ancho de banda alto
• Añadir poco ruido al circuito receptor
• Compatibles con las dimensiones de la aplicación (p.e.FO)
• Poca dependencia con la temperatura
• Tiempo de vida alto
• Coste

Ventajas de los diodos frente a otros detectores

• Bajo coste
• Bajo consumo de potencia
• Poca generación de calor
• Larga duración y compacidad

Bibliografía

Skoog, D.A., Holler, F.J., and Nieman, T.A., Principios de Análisis Instrumental, McGraw-Hill, Madrid (2001), 5ª ed.
http://es.wikipedia.org/wiki/Fotodiodo
http://www.unicrom.com/Tut_fotodiodo.asp
http://laimbio08.escet.urjc.es/docencia/FOTONICA/figuras_fotodiodo.pdf
http://www.lenntech.com/espanol/tabla-peiodica/Si.htm
http://www.acredit.ece.buap.mx/_DOCUMENT%20COMPROBAT%20DE%20AUTOEVALUAC/17_IA%2045%20C.8.1.2/Memorias%20FCE/dcircuit/S5-DC-02.pdf

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