detectores de juntura p

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.
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.
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/αλ de las radiaciones:
. 1 exp
αλ . w /1 αλ . L Donde:
•
•
•
•
αλ : 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 RL) 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&
"#$
Donde el segundo término es la corriente del diodo ID, con
•
•
•
•
IS: corriente de saturación.
VD: tensión del diodo.
UT: 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 (
,-.
/ 10
!0 "#$ . ln 5
% 16
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)
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
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.
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.
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.
7
8º/9
8º:/9
Donde:
•
•
•
Nº e= número de electrones.
Nº f= número de fotones
T= tiempo
Siendo:
8º: =
;<=>í? @A :ABCD E<FE@<9 G. 9
=
;<=>í? @ B< :D9ó<
ℎ. :
8º = . 9/I
Resulta, con c=λ.f:
7=
. ℎ. F
G. I. G
Si como se vio anteriormente la fotocorriente IP(λ) es proporcional a φ(λ)
IPλ = Sλφλ
Con S(λ)=cte para una λ y una unión dadas, será:
7λ = M. 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
= M ′ . λ = k ′ λ
Nλ
La respuesta teórica de S(λ) es:
λMAX
λ
Para un flujo incidente no monocromático φ, de composición espectral tal que:
N = P Nλ
Se tendrá una fotocorriente IP, que a su vez es IP=∑ λ, es constante para un
determinado tipo de radiación incidente dado por Nλ y para un determinado
detector dado por su S(λ).
λ = λ. Nλ
Como se vio la ICC (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:
Fig. 9 Fotodiodo y amplificador operacional
Una juiciosa selección de componentes y relaciones nos permite disponer de un
instrumento adecuado.
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA:
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 αλ=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.
Fig. 1 Efecto de la temperatura sobre la sensibilidad espectral de un
fotodiodo