OPTOELECTRÓNICA I. Veamos inicialmente el comportamiento de la JPN ante la incidencia de fotones.

Transcripción

1 OPTOELECTRÓNICA I DETECTORES DE JUNTURA P-N: Veamos inicialmente el comportamiento de la JPN ante la incidencia de fotones. Queremos que los fotones actúen en la zona de deplexión. Por lo tanto hacemos la zona p+ muy delgada para que los fotones la atraviesen con cierta facilidad. En la fig. 1 se observa una representación corpuscular de la Juntura PN. En la fig.2 se observa la zona de carga espacial, el campo eléctrico y el potencial en función de la distancia x. Fig. 1 Esquema de la juntura PN Fig. 2 Zona de carga espacial, campo eléctrico y potencial en la zona de deplexión. En la fig.3 se detalla la construcción real de esta juntura, la cual constituye un fotodiodo.

2 Fig. 3 Fotodiodo planar de Si. Si los fotones incidentes tiene una energía E=h.f mayor o igual que Eg (energía de la banda prohibida), el fotón penetra en el semiconductor (SC) generando un par electrón-hueco. El campo de la zona de carga espacial arrastra a los portadores como minoritarios, o sea a los huecos los devuelve hacia la zona p y a los electrones los retorna hacia la zona N. En este sentido, los fotones que penetran en el fotodiodo hasta la zona de deplexión generan pares electrón-hueco que son inmediatamente separados por el campo eléctrico. Aumentando así la concentración de huecos en la zona P y la de electrones en la zona N. Todo esto es como si disminuyese la barrera de potencial de equilibrio. Si hacemos un cortocircuito exterior circulará una corriente originada por este efecto (fotocorriente). Si al fotodiodo bajo condiciones de iluminación lo dejamos en circuito abierto, aparece en bornes un potencial, que es el potencial fotovoltaico. Los portadores que son generados fuera de la zona de deplexión, deben primero difundirse hacia la juntura deben primero difundirse hacia la juntura para luego ser arrastrados por el campo. Si se recombinan antes son perdidos por la fotocorriente. Así, la fotocorriente consta de un término debido al campo eléctrico de la región de carga espacial y a una corriente de difusión de las zonas neutras.

3 La fotocorriente IP (llamada también corriente fotónica por originarse en los fotones incidentes) es, en el caso de que la zona p+ sea mucho más delgada que la profundidad de penetración 1/α λ de las radiaciones: Donde:. 1 exp α λ. w / 1 α λ. L α λ : coeficiente de absorción, depende de la longitud de onda de la radiación incidente. L : longitud de difusión de huecos en la zona N. : flujo de fotones. : ancho de la zona de deplexión. Un modelo circuital equivalente de cual se puede deducir las propiedades de la célula se muestra en la fig.4 Fig.4 Circuito equivalente de un fotodiodo. El flujo Φ incidente genera una corriente IP, la cual es proporcional al mismo y además es función de w y de λ de la radiación incidente. en la relación entre IP e IL (corriente por R L ) se debe considerar además las corriente por la Rsh, por el diodo por la C. Por ello, en general será, de acuerdo al circuito equivalente: Despreciando las corrientes ISH e IC (en el caso RL<<RSH) y para señal continua o de baja frecuencia): Por lo tanto es IL: corriente en la carga o de salida, viene dada por la ecuación siguiente: exp 1

4 Donde el segundo término es la corriente del diodo ID, con IS: corriente de saturación. VD: tensión del diodo. U T : tensión térmica=k.t/q : parámetro experimental (mide inyección de alto nivel y otros efectoes. Varía entre 1y3). Las propiedades de este fotoelemento se caracterizan principalmente por su tensión de vacio y su corriente de cortocircuito. En condiciones de cortocircuito: VD=0 IL=IP=I(cortocircuito)=fotocorriente=ICC En este caso observamos que la corriente de salida es directamente IP, la fotocorriente, o sea proporcional al flujo radiante incidente Φ, y siendo Φ=E.A se puede usar perfectamente este dispositivo como medidor de irradiancia. En condiciones de vacío, sin carga RL tenemos: IL=0 exp 1 0. ln 1 Fig. 5 Tensión de vacío y corriente de cortocircuito en un fotoelemento de Selenio y uno de Silicio en función de la iluminancia (sup. 6,4cm2)

5 Esta ecuación representa la ecuación normal del diodo en condiciones de iluminación. Si graficamos la fotocorriente IP y la tensión de vacío en función de la irradiancia obtenemos la curva de la figura 5. En este modelo el diodo es el único elemento no líneal, así solo cuando una proporción importante de la corriente generada por radiación pasa por el diodo, es decir IP>IL, entonces el dispositivo tiene una respuesta logarítmica. Para mediciones de intensidad luminosa es importante la proporcionalidad entre las señales ópticas y eléctricas. En la práctica dicha proporcionalidad se obtiene midiendo la ICC. Para recuperar la energía máxima de un fotoelemento la resistencia de carga RL ha de ser del orden de magnitud de la resistencia interna Ri=VD0/ICC. Podemos hacer una clasificación de los fotoelementos aquí tratados según funciones con o sin polarización externa. FOTOELEMENTO DETECTOR DE JUNTURA FUNCIONAMIENTO CON POLARIZACIÓN INVERSA FUNCIONAMIENTO SIN POLARIZACIÓN. FOTODIODO FOTOCÉLULA Las características de salida serían: Fig. 6 Característica de tensión corriente típica de un fotodiodo de unión

6 Este fotoelemento es una juntura PN y su comportamiento en condiciones de oscuridad es el de un diodo rectificador. Cuando se ilumina la curva es la misma pero desplazada en el valor de la corriente fotónica. Como puede observarse, esta corriente IP se aprecia en condiciones de polarización inversa, en cambio con polarización directa es despreciable. SENSIBILIDAD ESPECTRAL DE LOS DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS Fig. 7 Sensibilidad espectral de varios semiconductores y el ojo humano En la figura 7 se superponen en forma relativa la respuesta espectral o sensibilidad del ojo humano, de un detector de Si y la distribución espectral de la emisión de distintos tipos de LED. Como se puede apreciar, los LED prácticamente son monocromáticos con una respuesta espectral bastante aguda. También se observa que la mayoría está en el infrarrojo y en el visible. La curva espectral del fotodetector de Si es mucho más amplia y va prácticamente desde los 300nm hasta los 1300nm, siendo su valor máximo en el infrarrojo. Concluimos dos cosas muy importantes y son que: 1. La mayoría de los fotodetectores funcionan con valores máximo sen el infrarrojo y no en el visible; siendo el ancho de banda o la respuesta total mucho mayor en los detectores que en los emisores. 2. No es necesario que para que el dispositivo funcione como fotodetector el materia con que está construido sea del tipo directo. Por este motivo es que puede haber detectores de Si o Ge.

7 La baja respuesta de los detectores den la zona de longitudes de onda cortas del espectro se debe a que los fotones de onda corta son absorbidos cerca de la superficie de la celda y los pares electrón-hueco generados se pierden en su gran mayoría para la corriente fotoeléctrica a causa de la alta tasa de recombinación allí existente. Para aumentar la sensibilidad al ultravioleta algunos fabricantes de celdas han usado una juntura delgada, sin embargo se presenta el problema de que se incrementa la resistencia en serie, disminuyendo la eficiencia. Otra cuestión a tener en cuenta es que la superficie radiada de la celda debe tener un índice de reflexión muy bajo, para ello se la pinta con pintura antirreflectiva. Por último si comparamos estos detectores con los de vacío (fotocátodo) de la fig.1 veremos que estos últimos tienen mejor respuesta para longitudes de onda cortas. Prácticamente la sensibilidad no es lo lineal que se espera obtener teóricamente por los motivos ya enunciados, obteniéndose la curva: Fig. 8 Sensibilidad espectral de un fotodiodo. Cómo se puede mejorar la sensibilidad espectral: 1. Aumentando el ancho de la zona de carga espacial. 2. Reduciendo los centros de recombinación. 3. Mejorando la absorción de la superficie irradiada mediante pinturas antirreflectivas. 4. Colocando colectores de radiación externos, con lo cual se obtiene mayor área efectiva.

8 5. Para el caso de los fotodiodos: trabajando en las zonas cercanas a la ruptura por avalancha. Podemos analizar también la sensibilidad espectral de los fotodetectores, estudiando la eficiencia cuántica Q. Definimos Eficiencia Cuántica de un fotodetector de juntura como el número de electrones producidos por unidad de tiempo y que contribuyen a la fotocorriente, por el número de fotones incidentes por unidad de tiempo sobre el dispositivo. Donde: Nº e= número de electrones. Nº f= número de fotones T= tiempo Siendo: Resulta, con c=λ.f: º = º / º / í í ó º =. / =.h... =. h. Si como se vio anteriormente la fotocorriente IP(λ) es proporcional a φ(λ) IP λ =S λ φ λ Con S(λ)=cte para una λ y una unión dadas, será: λ =. λ /λ Podemos concluir que la eficiencia cuántica es constante para una determinada longitud de onda. Y además la sensibilidad espectral es proporcional a la longitud de onda hasta un valor límite, donde los fotones incidentes no tienen energía para hacer saltar Eg. λ = λ λ =.λ=k λ

9 La respuesta teórica de S(λ) es: λmax λ Para un flujo incidente no monocromático φ, de composición espectral tal que: = λ Se tendrá una fotocorriente IP, que a su vez es IP= λ, es constante para un determinado tipo de radiación incidente dado por λ y para un determinado detector dado por su S(λ). λ = λ. λ Como se vio la I CC (corriente de cortocircuito) es directamente proporcional a IP, la fotocorriente, o sea proporcional al flujo radiante incidente Φ, y siendo Φ=E.A con E irradiancia. La forma usual de medir esta ICC es mediante un amplificador operacional, aprovechando la condición de cortocircuito virtual en la entrada, como se ve en la figura siguiente:

10 Una juiciosa selección de componentes y relaciones nos permite disponer de un instrumento adecuado. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA: Fig. 9 Fotodiodo y amplificador operacional La sensibilidad del fotodiodo es afectada por las variaciones de temperatura ambiente. Esto es debido a que el coeficiente de absorción de la luz varía con la temperatura, esto es α λ =f(t). Como consecuencia, la curva de S(λ) se desplaza generalmente hacia las longitudes de onda mayores, como se ve en la figura 9. Para el silicio, según que λ>600nm o λ<600nm, la sensibilidad aumenta o disminuye respectivamente, con lo que el coeficiente de temperatura será positivo o negativo. Fig 10. Algunos fabricantes dan un coeficiente de temperatura promedio, que suele ser aproximadamente 0.1 a 0.2%/K. Esta variación tiene importancia solo en mediciones de precisión.

11 Fig. 1 Efecto de la temperatura sobre la sensibilidad espectral de un fotodiodo