Dispositivos optoelectricos

DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS

Introducción
Este apunte es una introducción general y elemental a diversos dispositivos opto-electrónicos, es decir dispositivos que convierten señales ópticas en señales electrónicas, o viceversa.

Los dispositivos que serán analizados son los siguientes:

• Fotodetectores: □ Fotodiodo
□ Fotodiodo PIN
□Fotodiodo de Avalancha
□ Fototransistor
□ Fotoacoplador
□ Fotoresistencia (LDR)

• Celda Fotoeléctrica o Fotovoltaica

• Sensores de Imagen: □ Sensor CCD
□ Sensor CMOS

• Dispositivos generadores de Luz: □ Diodo emisor de Luz (LED)
□ Diodo láser

•Displays LCD

Fotodiodo
Un fotodiodo es un diodo PN construido de modo tal que la luz pueda alcanzar la juntura PN y generar portadores debido al efecto fotoeléctrico. De este modo, se producirá una corriente eléctrica proporcional a la luz incidente.
El símbolo del fotodiodo se ilustra en la Fig. 1. Fig. 1
Al polarizar inversamente el fotodiodo la corriente generada ópticamente puedeser fácilmente detectada, ya que su magnitud es superior a la corriente de fuga inversa del diodo. En este contexto, la corriente de fuga inversa del diodo, que está presente aún en ausencia de luz, se denomina “corriente de oscuridad”.
El material empleado en la fabricación del fotodiodo define sus propiedades de absorción de luz, según se aprecia en la siguiente Tabla:

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

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Diodo PIN
Un diodo PIN es un diodo con una región ancha de semiconductor intrínseco entre las zonas tipo P y tipo N. El diodo PIN obedece la ecuación del diodo de juntura PN solamente para señales muy lentas. A altas frecuencias el diodo PIN se asemeja a un resistor casi ideal, incluso para señales mucho mayores a 28mVpp.

En un diodo PIN la regiónde vaciamiento se extiende casi exclusivamente dentro de la región intrínseca debido al “efecto de juntura asimétrica”. Esta zona de vaciamiento es además mucho más grande que en un diodo PN y básicamente constante en tamaño, independientemente de la polarización aplicada al diodo. Esto implica que el diodo PIN tiene una mayor área en la cual se pueden generar los pares electrón hueco debido alefecto fotoeléctrico. Por esta razón, y debido a su alta velocidad de respuesta, muchas veces se utilizan fotodetectores PIN para aplicaciones optoelectrónicas.

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Fotodiodo de avalancha
Los fotodiodos de avalancha (APD, Avalanche Photodiode) son fotodetectores especialmente diseñados para medir luz de muy baja intensidad. En los APD la luz externa incide en una zona intrínseca,generando portadores libres, al igual que en un fotodiodo PIN. Pero estos portadores son luego acelerados por un campo eléctrico muy intenso, provocando un efecto de “avalancha” debido al cual cada portador original es acelerado y al chocar con la red provoca la creación de nuevos portadores. El voltaje de polarización inversa es típicamente de 100-200 V y la ganancia por efecto de avalancha es delorden 100 veces.

Algunos APD de silicio emplean un dopaje alternativo y otras técnicas que permiten aplicar un voltaje mayor (>1500V) antes de alcanzar el efecto de avalancha y, por tanto, una ganancia mayor (>1000). En general, cuanto mayor es el voltaje en inversa, mayor es la ganancia.

Si se requiere una ganancia muy alta (de 105 a 106) algunos APDs pueden operar con una tensión en...