TRANSDUCTORES OPTOELECTRONICOS

Transcripción

1 TRANSDUCTORES OPTOELECTRONICOS Hay dos aspectos relacionados con la luz que se utilizan, juntos o separados, para explicar muchos fenómenos relacionados con ella. Fenómenos ópticos, tales como la interferencia y la difracción, se explican con la teoría ondulatoria, en forma similar que con las ondas de radio. Sin embargo, la mayoría de los fenómenos estudiados en este tema se explican mejor con la teoría cuántica, donde se considera la luz como partícula. De acuerdo con esta teoría, la luz consiste en cuantos discretos o paquetes llamados fotones. Estos son partículas sin carga, cada una de las cuales tiene una energía que depende sólo de su frecuencia o longitud de onda, dada por: siendo: c E = hf = h λ E = energía en ev. h = constante de Planck, X (ev)(s). f = frecuencia, en Hz. c = velocidad de la luz, 3X10 8 m/s. λ = longitud de onda, en m 2. Se observará en la Ecuación anterior que cuando la longitud de onda de la luz decrece, su energía aumenta. Este fenómeno se observa en el espectro electromagnético. La energía exacta, asociada con una longitud de onda determinada de luz, puede calcularse usando la ecuación: E ( ev ) 1,240 = λ Las unidades de longitud de onda, generalmente se expresan en nanometros (nm) (10-9 m), angstroms (Å)(10-8 m). La emisión de fotones procedentes de los átomos, obedece también a las ecuaciones anteriores, es decir, cuando un electrón cae de un nivel alto de energía a otro inferior, se emite un fotón cuya energía es igual a la diferencia de energía de los dos niveles. En la Figura 1 se muestran las líneas características de emisión en tales transiciones, para varios elementos. Los fotones también son absorbidos en una variedad de materiales. Si la energía de un fotón entrante es superior al intervalo de energía inherente del material, los electrones de valencia del material pueden ser excitados a la banda de conducción, con lo cual se crean electrones y huecos libres, portadores de corriente. Este proceso es el funcionamiento básico de los fotodetectores. La Tabla 1 muestra el intervalo típico de energía para varios materiales, entre los usados para la fabricación de fotodetectores. También es conveniente hacer referencia a la absorción de fotones en distintos materiales fotoconductores. La absorción de fotones se refiere mas bien a su atenuación que al proceso de conversión en otra forma de energía. Cuando un fotón que viaja a la velocidad de la luz choca con un átomo, se aniquila y toda su energía se transfiere al átomo. Por tanto, un simple fotón, no importa con cuánta energía, no puede crear más que un par electrón-hueco. Sin embargo, si el par es de una energía adecuada, puede crear más portadores por colisión con otros átomos. ( nm) U2-T1 Introducción - 1

2 Tabla 1. Intervalo de energía óptica para Varios materiales fotodetectores. Figura 1. espectro de emisión atómica de Los elementos. Alguna energía de un fotón puede transformarse en calor, pero es más importante considerar el caso en que el fotón con una energía adecuada es absorbido en la estructura de un fotodetector y libera un electrón de valencia, completando así la conversión de energía radiante en energía eléctrica. El coeficiente de absorción se define como la medida del promedio de disminución de la intensidad del haz de fotones, al pasar por una determinada sustancia. La Figura 2 muestra un gráfico del coeficiente de absorción para el silicio. Para explicar las unidades del coeficiente de absorción se hace referencia a la fórmula de la intensidad de atenuación y a un simple ejemplo. La intensidad final de un haz de luz que atraviesa un medio es: I = I o e -ax U2-T1 Introducción - 2

3 siendo, I = intensidad a una distancia x de la superficie (o de otro punto de referencia). I o = intensidad de la luz incidente. a = coeficiente de absorción, cm -1. x = distancia recorrida en el material, cm. La transmisión es I/I o. Figura 2. Coeficiente de absorción del silicio. Con relación a la Fig. 2 se observa que a una longitud de onda de 370 nm, el coeficiente de absorción del Si es 10 5 cm -1. Una de las formas más simples de emplear la ecuación anterior es tener en cuenta que cuando ax = 1, e -ax = e -1 = 0,37 ó I = 0,37 Io. Es decir, el haz incidente se reduce a 37 % de su valor, cuando ax = 1. En este ejemplo, ax será 1, cuando x = 10-3 cm, es decir, -(a) (x) = -(10 +5 cm -1 )(10-5 cm) = -1 cm, 10-5 cm = 100 nm, con lo cual se ve que los fotones de una radiación ultravioleta, que son aproximadamente de una longitud de onda de 370 nm, se reducen al 37 % de su intensidad original, sólo a 100 nm, que es muy cerca de la superficie del silicio. Para resumir, la Fig. 2 muestra cómo la absorción de un fotón aumenta rápidamente al aproximarse al ultravioleta, y ésta es la razón por la que la respuesta de los fotodetectores cae en la banda ultravioleta. Pero, simplemente invirtiendo el signo del coeficiente de absorción, puede usarse para medir directamente la profundidad para la cual la intensidad original se reduce a 37 %; un coeficiente de absorción de l0 3 cm -1, en la Fig. 6-3 corresponde a 63 % de absorción (100-37, en tanto por ciento de transmisión) a una profundidad de 10-3 cm. U2-T1 Introducción - 3

4 La medida de la emisión de luz, de la absorción, o de la reflexión se emplea frecuentemente para determinar la composición y/o la densidad de una sustancia desconocida. Como ejemplo de utilidad de los estudios de emisión, la composición de un gas desconocido puede deducirse calentando una muestra hasta que, emita luz, y registrando las distintas longitudes de onda emitidas con una instrumentación óptica adecuada. Por medio de unas tablas de emisión y absorción puede determinarse la composición de la muestra. En los estudios de absorción o reflexión, el haz luminoso se sitúa dé forma que pueda pasar a través del medio y se registra el promedio de luz que se transmite o que se refleja. Esta técnica emplea para medir la concentración y el tamaño de partículas extrañas en los sistemas de acondicionamiento de aire, para eliminar frutos en mal estado, y en la elaboración de granos y alimentos; en un oxímetro médico se puede medir el promedio de oxígeno en la sangre. A menudo se observa alternativamente una fuente de luz estándar antes y después de pasar por el medio que se analiza, proporcionando electrónicamente una salida igual a la diferencia entre las dos señales. CLASIFICACION DE LOS TRANSDUCTORES OPTOELECTRONICOS FOTODETECTORES 1. FOTORESISTENCIA (FOTOCONDUCTOR DE UNA PIEZA). 2. FOTODIODOS. +. FOTODIODO pn. +. FOTODIODO pin. +. FOTODIODO DE AVALANCHA. 3. FOTOTRANSISTOR. 4. FOTOFET. 5. FOTOTIRISTOR (LASCR). 6. FOTOCELDA. FUENTES LUMINOSAS 1. LAMPARAS 2. LED 3. Ir LED 4. DIODO LASER 5. DISPLAYS FOTODETECTORES PARAMETROS BASICOS DEL FOTODETECTOR El fotodetector o transductor es el corazón de casi todos los sistemas optoelectrónicos, por lo tanto, la selección del mejor detector, en una aplicación determinada, es de suma importancia. Esto no quiere decir que no sea importante la fuente luminosa del sistema, pero a veces la fuente es natural. Como el sol. Los fotodetectores pueden dividirse en dos categorías. U2-T1 Introducción - 4

5 1. Detectores térmicos. En los que la radiación es absorbida y transformada en calor, con lo que el detector responde a un cambio de temperatura (energía). 2. Detectores cuánticos, que responden directamente a los fotones incidentes. Este grupo se divide en los siguientes subgrupos: a. Fotoemisivo, cuando los fotones incidentes liberan electrones de la superficie del detector. Este fenómeno generalmente ocurre en el vacío, en un fotodiodo de vacío o fototubo multiplicador. b. Fotoconductivo, en que la conductividad del fotosensor varía con la luz incidente. 1. Fotoconductores intrínsecos, tales como fotorresistores generalmente intrínsecos. 2. Fotoconductores dopados, tales como fotodiodos. c. Fotovoltaicos, en que se genera una tensión al incidir la luz, sin polarización exterior. Un ejemplo de este tipo son las células solares; sin embargo, el funcionamiento del fotodiodo también se basa en este efecto. Hay cuatro características básicas que son importantes para hacer una selección óptima de los fotodetectores (sensores). 1. Responsividad; Se refiere a la sensibilidad del detector, o salida por unidad de luz de entrada. Tal como salida en amperios/flujo radiante de entrada, en vatios. 2. Respuesta espectral. Indica la habilidad del detector para responder a radiaciones de diferentes longitudes de onda. Por ejemplo, si la salida de una fuente espectral está comprendida entre los 400 y 800 nm con un pico en la zona media, el detector deberá tener una respuesta espectral similar, o al menos deberá tener un solape apreciable. 3. Respuesta en frecuencia o velocidad con la cual el detector puede responder a una radiación modulada. 4. Ruido. Se refiere a las fluctuaciones aleatorias de las corrientes o tensiones de salida (se emplea el término corriente oscura para indicar la c.c. de salida del fotodetector en la oscuridad, mientras que la corriente de ruido es una corriente alterna aleatoria). El ruido es directamente proporcional a la raíz cuadrada del área del detector. La relación señal-ruido del detector se obtiene dividiendo I señal por I ruido, para una entrada y condición de funcionamiento dadas. Normalmente se indican dos factores de calidad para especificar el comportamiento de un fotodetector. Primero, la potencia equivalente de ruido (NEP), definida como la potencia necesaria para producir una relación señal-ruido de 1, con un ancho de banda de ruido de 1 Hz. Esto es una medida del mínimo nivel de señal detectable. corriente NEP para un fotodiodo = respuesta 1 2 de ruido( A Hz ) de corriente( A W ) siendo las unidades vatios por raíz cuadrada de hertzios (W/Hz 1/2 ). Cuanto más bajo sea NEP, menor será el límite de detección. Con un ancho de banda de 1 Hz y una entrada de detector de W, un NEP de (W /Hz 1/2 ) significaría que la señal de salida del detector no es discernible de ruido. El segundo factor de calidad es la detectividad (D) y la denominada D* U2-T1 Introducción - 5

6 (léase D asterisco). La detectividad se define como la relación señal-ruido producida por vatio de flujo radiante, incidente en el detector. D = 1 Hz 1 2 NEP W Es más popular la notación D*, que es independiente del ancho de banda del detector y del área A. D* = D A (cm)(hz 1/2 ) / W Por lo tanto, D* = NEP A Así pues, D* es un factor de calidad que expresa el comportamiento del detector solamente en función de su estructura, y permite una comparación entre detectores de áreas distintas. U2-T1 Introducción - 6