Teoría Básica Del Funcionamiento De Los Fotodiodos - Fotodiodo PIN / PN Y Fotodiodo De Avalancha

Hay varios tipos diferentes de fotodiodo: todos utilizan el mismo principio cuántico básico, pero la aplicación de la teoría de funcionamiento es ligeramente diferente para cada tipo.

Las diferencias en el funcionamiento de los distintos tipos de fotodiodo permiten utilizar sus características individuales de diferentes maneras, y de esta forma se pueden maximizar sus ventajas y obtener el mejor funcionamiento de los circuitos, para lo cual es necesario tener una comprensión básica de la forma real en que funcionan.

Teoría básica del funcionamiento de los fotodiodos

La energía lumínica puede considerarse en términos de fotones o paquetes de luz. Cuando un fotón de suficiente energía entra en la región de agotamiento de un diodo semiconductor, puede golpear un átomo con suficiente energía para liberar el electrón de la estructura atómica.

Esto crea un electrón libre y un agujero (es decir, un átomo con un espacio para un electrón). El electrón está cargado negativamente, mientras que el agujero está cargado positivamente.

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Los electrones y los agujeros pueden permanecer libres, u otros electrones pueden combinarse con los agujeros para formar átomos completos de nuevo en la red cristalina. Sin embargo, es posible que los electrones y los agujeros permanezcan libres y sean alejados de la región de agotamiento por un campo externo. De esta manera la corriente a través del diodo cambiará y se producirá una fotocorriente.

Funcionamiento del fotodiodo PIN / PN

El fotodiodo se opera bajo un moderado sesgo inverso. Esto mantiene la capa de agotamiento libre de cualquier portador y normalmente no fluirá ninguna corriente. Sin embargo, cuando un fotón de luz entra en la región intrínseca puede golpear un átomo en la red cristalina y desplazar un electrón. De esta manera se genera un par de agujeros-electrones.

El agujero y el electrón entonces migrarán en direcciones opuestas bajo la acción del campo eléctrico a través de la región intrínseca y se puede ver que fluye una pequeña corriente. Se encuentra que el tamaño de la corriente es proporcional a la cantidad de luz que entra en la región intrínseca. Cuanta más luz, mayor es el número de pares de electrones que se generan y mayor es la corriente que fluye.

El funcionamiento de los diodos bajo el sesgo inverso aumenta la sensibilidad, ya que amplía la capa de agotamiento en la que se produce la acción de la foto. De esta manera, el aumento del sesgo inverso tiene el efecto de aumentar el área activa del fotodiodo y refuerza lo que se puede denominar como la fotocorriente.

También es posible operar los fotodiodos en condiciones de sesgo cero en lo que se denomina modo fotovoltaico. En el sesgo cero, la luz que cae sobre el diodo causa una corriente a través del dispositivo, que conduce a un sesgo hacia adelante que a su vez induce "corriente oscura" en la dirección opuesta a la fotocorriente. Esto se llama el efecto fotovoltaico, y es la base de las células solares.

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Por lo tanto, es posible construir una célula solar utilizando un gran número de fotodiodos individuales. Además, cuando se utilizan fotodiodos en una célula solar, los diodos se hacen más grandes para que haya una mayor área activa, y son capaces de manejar corrientes más altas.

En el caso de los que se utilizan para aplicaciones de datos, la velocidad es normalmente muy importante y las uniones de los diodos son más pequeñas para reducir los efectos de la capacitancia.

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Cuando no se expone a la luz, el fotodiodo sigue una característica V-I normal que se espera de un diodo. En la dirección inversa no fluye prácticamente ninguna corriente, pero en la dirección hacia delante aumenta constantemente, especialmente después de alcanzar la tensión de rodilla o de encendido.

Esto se modifica en presencia de la luz. Cuando se utiliza como fotodiodo se puede ver que el mayor efecto se observa en la dirección inversa. Aquí se notan los mayores cambios, y la corriente normal hacia adelante no enmascara los efectos debidos a la luz.

Funcionamiento del fotodiodo de avalancha

La luz entra en la región sin dopaje del fotodiodo de la avalancha y causa la generación de pares de agujeros-electrones. Bajo la acción del campo eléctrico los electrones migran hacia la región de la avalancha.

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Aquí el campo eléctrico causa que su velocidad aumente hasta el punto de que las colisiones con la red cristalina crean más pares de electrones huecos. A su vez, estos electrones pueden colisionar con la red cristalina para crear aún más pares de electrones huecos. De esta manera, un solo electrón creado por la luz en la región no dopada puede dar lugar a la creación de muchos más.

El fotodiodo de avalancha tiene varias diferencias cuando se compara con el diodo PIN ordinario. El proceso de avalancha significa que un solo electrón producido por la luz en la región no dopada se multiplica varias veces por el proceso de avalancha.

Como resultado, el fotodiodo de avalancha es mucho más sensible. Sin embargo, se ha descubierto que no es tan lineal, y además el proceso de avalancha significa que la señal resultante es mucho más ruidosa que la de un diodo p-i-n.

La estructura del diodo de avalancha también es más complicada. Se requiere un anillo de protección tipo n alrededor de la unión p-n para minimizar el campo eléctrico alrededor del borde de la unión.

También se ha descubierto que la ganancia de corriente depende no sólo del sesgo aplicado, sino también de las fluctuaciones térmicas. Como resultado, es necesario asegurar que los dispositivos se colocan en un disipador de calor adecuado.

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Los diferentes tipos de fotodiodos tienen modos de funcionamiento ligeramente diferentes, pero todos dependen del mismo principio básico de funcionamiento. Como los diferentes tipos tienen características diferentes, se puede elegir el tipo adecuado para que se ajuste mejor a las necesidades del circuito en cuestión.