Fotodetector

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Un fotodetector recuperado de una unidad de CD-ROM. El fotodetector contiene tres fotodiodos, visibles en el centro de la fotografía.

Un fotodetector es un sensor que genera una señal eléctrica dependiente de la luz u otra radiación electromagnética que recibe. Algunos están basados en el efecto fotoeléctrico, otros en el fotovoltaico, otros en el fotoelectroquímico y otros en la fotoconductividad.[1]​ Los fotodetectores basados en semiconductores suelen fotodetectores tienen una unión p-n que convierte los fotones de luz en corriente. Los fotones absorbidos forman pares electrón-hueco en la región de agotamiento. Los fotodiodos y los fototransistores son algunos ejemplos de fotodetectores. Las células solares convierten parte de la energía luminosa absorbida en energía eléctrica.

Tipos[editar]

Entre otros, incluyen:

Detectores para fibra óptica[editar]

En los sistemas de comunicación por fibra óptica se utilizan fundamentalmente dos tipos de detectores de luz en el extremo receptor. La débil señal óptica que llega al final de la fibra debe se convertida a una señal eléctrica, antes de que continúe su paso por etapas de amplificación, demodulación, demultiplexaje, etc. Un detector de luz es, entonces, el primer elemento de la cadena de dispositivos que propiamente conforman al equipo receptor.

Los dos tipos de detectores que se emplean son, ambos, fotodiodos. De acuerdo con lo dicho, su función es transformar la potencia óptica de entrada a una corriente eléctrica de salida.

Funcionamiento[editar]

Al igual que las fuentes luminosas, los detectores ópticos están fabricados con semiconductores de estado sólido, que sobre la base de la teoría de las uniones P-N generan un flujo de corriente cuando captan un fotón; su grado de respuesta depende de los materiales empleados y de la longitud de onda de trabajo. La explicación de los principios físicos bajo los cuales funcionan los fotodiodos es un análisis amplio en electrónica por lo que nos limitaremos simplemente a mencionar algunos aspectos relacionados con dichos detectores ópticos.

Entre otros parámetros de operación, es deseable que los fotodiodos sean altamente eficientes, que tengan un bajo nivel de ruido, un amplio ancho de banda (es decir, que respondan de manera uniforme y rápida en todas las longitudes de onda de la señal), que sean poco sensibles a las variaciones de temperatura, baratos, pequeños, etc.

La eficiencia de un fotodiodo está relacionada con su responsividad, es decir, la cantidad de electrones que es capaz de generar en relación con los fotones recibidos. Dicho de otra forma, es la corriente eléctrica que entrega a la salida en relación con la potencia óptica de entrada.

Tipos[editar]

Los tipos de fotodiodos que se emplean son el fotodetector PIN y el fotodiodo de avalancha (APD).[2]​> La responsividad de un fotodiodo de avalancha es mayor que la de un fotodector PIN. Sin embargo, el primero es más sensible a los cambios de temperatura y más caro que el segundo. El detector PIN se usa más comúnmente en enlaces de corta distancia y el APD es muy útil en transmisiones de larga distancia, donde la señal óptica de llegada es muy débil y se requiere alta responsividad. Por lo que se refiere a la velocidad de respuesta, ambos fotodiodos pueden trabajar actualmente a velocidades muy altas de transmisión digital.

Propiedades[editar]

Hay una serie de métricas de rendimiento, también llamadas figuras de mérito, por las que se caracterizan y comparan los fotodetectores[3][4]

  • Respuesta espectral: La respuesta de un fotodetector en función de la frecuencia de los fotones.
  • Eficiencia cuántica: El número de portadores (electrones o huecos) generados por fotón.
  • Responsividad: La corriente de salida dividida por la potencia luminosa total que incide sobre el fotodetector.
  • Potencia equivalente al ruido: La cantidad de potencia luminosa necesaria para generar una señal comparable en tamaño al ruido del dispositivo.
  • Detectividad: La raíz cuadrada del área del detector dividida por la potencia equivalente al ruido.
  • Ganancia: La corriente de salida de un fotodetector dividida por la corriente producida directamente por los fotones que inciden en los detectores, es decir, la ganancia de corriente incorporada.
  • Corriente oscura: La corriente que fluye a través de un fotodetector incluso en ausencia de luz.
  • Tiempo de respuesta: El tiempo necesario para que un fotodetector pase del 10% al 90% de la salida final.
  • Espectro de ruido: La tensión o corriente de ruido intrínseca en función de la frecuencia. Se puede representar en forma de densidad espectral de ruido.
  • No linealidad: La salida de RF está limitada por la no linealidad del fotodetector[5]

Rango de frecuencias[editar]

En 2014 una técnica para ampliar el rango de frecuencia de los fotodetectores basados en semiconductores a longitudes de onda más largas y de menor energía. La adición de una fuente de luz al dispositivo "cebó" de forma efectiva el detector para que, en presencia de longitudes de onda largas, se disparara a longitudes de onda que, de otro modo, carecerían de energía para hacerlo.[6]​.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Haugan, H. J.; Elhamri, S.; Szmulowicz, F.; Ullrich, B.; Brown, G. J.; Mitchel, W. C. (2008). «Estudio de los portadores de fondo residuales en las superredes InAs/GaSb del infrarrojo medio para el funcionamiento del detector sin refrigeración». Applied Physics Letters 92 (7): 071102. Bibcode:2008ApPhL..92g1102H. doi:10.1063/1.2884264. 
  2. «Fotodetector | Cabezas de fotómetro | Detectores ópticos - LISUN». es.lisungroup.com. Consultado el 24 de diciembre de 2021. 
  3. Donati, S. «Photodetectors». unipv.it. Prentice Hall. Consultado el 1 de junio de 2016. 
  4. Yotter, R.A.; Wilson, D.M. (June 2003). «A review of photodetectors for sensing light-emitting reporters in biological systems». IEEE Sensors Journal 3 (3): 288-303. Bibcode:2003ISenJ...3..288Y. doi:10.1109/JSEN.2003.814651. 
  5. Hu, Yue (1 de octubre de 2014). osapublishing.org/jlt/abstract.cfm?uri=jlt-32-20-3710 «Modelación de las fuentes de no linealidad en un fotodetector de pines simple». Journal of Lightwave Technology 32 (20): 3710-3720. Bibcode:2014JLwT...32.3710H. doi:10.1109/JLT.2014.2315740. 
  6. Claycombe, Ann (14 de abril de 2014). «La investigación descubre que los semiconductores "sintonizables" permitirán mejorar los detectores y las células solares». Rdmag.com. Consultado el 24 de agosto de 2014.