Fundamentos

República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular Para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada
Núcleo Sucre - Sede Cumaná
FOTO – DETECTORES.
Profesora:
ING. Melusina Gil
Bachilleres:
Heriuzka DV. López F./ C.I: 27.876.595.
Eucaris DV. García V./ C.I: 25.352.622.
Annelys DV. Serrano G. /C. I:27. 690.236.
José M. Gonzales E. / P: 6.893.044
Deivis J. Rodriguez G. / C.I:
ING. De Telecomunicaciones
7º Semestre, Sección 01
Cumaná, Noviembre de 2019.
1
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN
5
CONCEPTOS BÁSICOS
6
1.1 PRINCIPIOS ÓPTICOS (FOTODETECTORES, PIN Y AVALANCHA) 7-9
1.2 RUIDO EN EL FOTODETECTOR
9-10
1.2.1 FUENTES DE RUIDO
10- 11
1.2.2 RELACIÓN SEÑAL – RUIDO
11
1.3 RESPUESTA EN TIEMPO DEL DETECTOR
11-12
1.4 RUIDO DE MULTIPLICACIÓN DE AVALANCHA
12-13
1.5
EFECTO
DE
LA
TEMPERATURA
EN
AVALANCHA
1.6 COMPARACION DE LOS FOTO-DETECTORES
LA
GANANCIA
DE
13
14-15
CONCLUSIÓN
16
BIBLIOGRAFÍA
17
2
LISTA DE CUADROS
N°
1
PÁG.
CUADRO COMPARATIVO
14
FOTO-DETECTOR PIN
2
CUADRO COMPARATIVO
15
FOTO-DETECTOR AVALANCHA (APD)
3
LISTA DE IMAGENES
N°
1
PRINCIPIOS FÍSICOS
FIGURA 1.
PÁG.
7
(FOTODETECTOR).
2
3
FIGURA 2.
(ESQUEMA FOTO- DETECTOR
PIN).
FIGURA 3.
8
8
(CAPAS DEL FOTO-DETECTOR PIN).
FIGURA 4
4
9
(ESQUEMA DEL FOTO-DETETOR PIN).
4
INTRODUCCIÓN
Las transmisiones en las comunicaciones, deben efectuarse de manera
directa sin ningún tipo de intervención del medio al momento de emitir y recibir
la señal en su línea de propagación, cuya modulación se realiza con la
intención de optimizar la señal en la amplificación de ancho de banda. Sin
embargo, el ancho de bando se divide en canales adecuando y usando
técnicas de modulación, donde cada uno tendrá una señal diferente.
La implementación de las comunicaciones por medio de fotones usando
como fuentes lumínicas, los diodos laser y los leds, son de un tamaño pequeño
para ser componente de los sistemas fibro- ópticos. Partiendo de aquí se
inician los foto-detectores que se encargan de responder a cualquier tipo de
radiación óptica en el rango de la luz visible e infrarrojo para convertir las
señales luminosas en pulsos eléctricos, la información emitida y recibida de
modo que no necesite de ningún tipo de contacto físico con el medio, pero se
debe hacer de manera directa, los cuales están compuestos por elemento
altamente sensibles que se encuentran en un estado sólidos, capaces de
soportar vibraciones, sin necesidad de calentarse y discriminando la luz del
ambiente.
Así los elementos fotosensibles, están adaptados a un sistema óptico
capaz de detectar un haz de luz enviado por el dispositivo fotonico ideal, para
convertir la señal en un pulso eléctrico siempre que éste sea equivalente a la
presencia o ausencia de los factores de recepción del sistema.
5
CONCEPTOS BÁSICOS
 Eficiencia Cuántica: Probabilidad de que un fotón incidente genere
una carga.
 Sensibilidad Espectral: Es el espectro de absorción modulado por la
eficiencia cuántica.
 Capacidad de Respuesta: Fotocorriente generada por cada Watt de
luz incidente.
 Relación señal/ruido: Cociente entre la intensidad de luz incidente y
el nivel de ruido.
 Rango Dinámico: Cociente entre las intensidades máxima y mínima
detectables. Es importante el rango en que la fotocorriente tiene una
relación lineal con la intensidad de luz incidente (capacidad de
respuesta constante).
 Velocidad de Respuesta: Depende del tipo de detector, su estructura,
diseño, RC, etc.
6
1.1 PRINCIPIOS ÓPTICOS (FOTODETECTORES, PIN Y AVALANCHA)
En la fibra óptica existen sensores, que se encargan producir una señal
que dependerá de alguna radiación electromagnética o de la luz recibida.
Estos sensores son conocidos como fotodetectores los cuales surgen al dopar
dos materiales semiconductores con impurezas en él; siendo portadores de
carga negativa y positivas(NP).
Normalmente la energia que producen estos dispositivos ocasionan un
reordenamiento de las cargas que inciden positiva o negativamente, de
acuerdo a su zona de operación poseen una capacidad de juntura la cual al
momento de incidir en el dispositivo excita las moleculas con una energia mayo
a la inicial (se muestra en la figura 1).
Figura 1. (Fotodetector).
 Avalancha
Es un dispositivo, el cual produce tensiones inversas que están muy cerca
de la tensión umbral del este foto- detector, aumentando la intensidad del
campo eléctrico en la conocida zona de depleción, moviendo un par de
electrones huecos, adquiriendo zonas de energía para producir nuevos
portadores con efecto avalancha (Figura 2).
7
Figura 2. (Esquema Foto- Detector PIN).
Considerado semiconductores en los cuales el voltaje de la tensión
inversa es ± entre 100 y 200 V (silicio), logrando un efecto en la ganancia de
corriente cerca de los 100, ocasionado por el impacto de ionización que tienen
estos dispositivos dopando alternativamente los materiales para lograr un
mayor voltaje. Al producir una mayor tensión, mayor será la ganancia
produciendo el efecto avalancha.
 PIN
Existen tres capas que conforman este foto-detector: primera es de tipo
N, la intermedia es el material intrínseco y la tercer es de tipo N, finalmente
formando en foto- detector (Figura 3). La capa intrínseca es sustituida por
una capa tipo P con alta resistividad o por na capa N con las mismas
características de resistividad (v).
Figura 3. (Capas del Foto-detector PIN)
El fotodetector PIN, tiene una capa intrínseca se encarga de optimizar
la eficiencia de su naturaleza cuántica y su margen de frecuencia
(modificándola); obteniendo una mayor velocidad en su respuesta. Las
8
mejoras en este permiten no solo una mejor respuesta en su detector, sino que
ensancha la zona de depleción logrando una menor reducción de la capacidad
de juntura obteniendo así un mayor ancho de banda igualando los posibles
niveles de sensibilidad en referencia al foto- detector PN (su esquema
mostrado en la figura 4).
Figura 4 (Esquema del Foto-detetor PIN).
1.2 RUIDO EN EL FOTODETECTOR.
Las radiaciones electromagnéticas en la emisión de electrones y/o
fotones, ocurre por medio de la transformación de energía cinética que
ocasiona que estas partículas en movimiento se intercambien de manera
simultánea. Este intercambio de energía presente en el sistema ocasiona
fuentes de ruido alterando las señales que se desean transmitir.
De esta manera se determina, que la fuente de ruido inicial es de tipo
térmico, producido por la agitación de las portadoras de carga que tienen los
conductores (ruido Johnson – Nyquist), matemáticamente se explica con la
distribución Gaussiana dada de la relación:
9



Donde:
𝑇 : Es la temperatura.
𝐵𝑤 : Es el ancho de banda.
𝑅𝑠ℎ : La resistencia de Shunt del foto- detector (típicamente > 10 MΩ).
1.2.1 FUENTES DE RUIDO
La tensión y la corriente generada en los distintos fotodetectores poseen
un carácter aleatorio, el valor de este se encarga de fluctuar el valor promedio
definido por la fotocorriente; las fluctuaciones originas en ellos son conocidas
como ruidos, caracterizadas por tener una desviación estandarizada, el valor
promedio de ello debe ser igual a 0 para disminuir el daño en el sistema
empleado.
De esta manera se determinan cuatro tipos de fuentes de ruidos en los
fotodetectores tales como:

Ruido de fotones: Se relaciona con la aleatoriedad del dispositivo,
presentes en el detector de fotones debido a que se relaciona con la
fórmula de la distribución de Poisson; donde la potencia óptica y el
intervalo de tiempo se encargan de la detección obteniendo la varianza
la SNR para este aumentando el limite a de manera proporcional al
número de fotones que aumentan en el medio.
Fórmula de Poisson:

Ruido Foto-eléctrico: Un fotón posee la capacidad de generar un fotoelectrón hueco, se utilizan medidas probabilísticas para cono en qué
10
punto falla la conversión, gracias a su carácter aleatorio el cual
contribuye a la fuente de ruido.

Ruido de Ganancia:
Por cada fotón existente, está presente un
numero aleatorio que representa la ganancia de la(as) portadoras,
donde en proceso de amplificación es aleatorio, al ocurrir esto la
varianza de fotocorriente se obtiene al considerar el valor medio que
posee la ganancia.

Ruido del Circuito Receptor: el circuito utilizado contribuye a los
componentes del receptor; es decir, la fuente de ruido presente se
encarga de alterar la relación señal – ruido considerando a la resistencia
y capacitancia (juntura y empaquetado) del foto-detector, donde se
polariza y amplifica en relación a dicha capacitancia y resistencia,
depreciando la resistencia para algún propósito practico.
1.2.3 RELACIÓN SEÑAL – RUIDO
Cuando se requiere de despreciar el ruido térmico producido y a su vez
el ruido de baja frecuencia existente, se realiza una comparación estadística
de la relación señal – ruido; cabe destacar que para mejorar esta relación se
necesita aumentar la intensidad de la luz (fotones) detectada, el amplificador
que es usado en la salida del foto-detector intentara amplificar el ruido
existente.
1.3 RESPUESTA EN TIEMPO DEL DETECTOR
La transformación de las señales luminosas depende de un tipo de
detector óptico para poder convertirse en señales de tipo eléctricas; para los
sistemas de transmisión el receptor se encarga de amplificar dicha señal en
11
su salida y posteriormente demodularla obteniendo la información necesaria;
esto se logra al completar una secuencia de pulsos (unos y ceros).
Se consideran a este tipo de dispositivos muy rápidos y de alta
sensibilidad con pequeñas dimensiones; debido a que la corriente que circula
es de un orden de los nanoamperios, requiriendo una amplificación adecuada
en la señal, de esta manera en la sensibilidad de ellos cae la responsabilidad
de la repuesta en tiempo de la transmisión.
La señal deseada posee una unidad de concentración de un tipo de
sustancia (elementos químicos: InGaAs) en la fase móvil que se encuentra en
el detector; al determinar el área de la señal de salida del receptor bajo la
unidad de mV; obteniendo estos valores gracias al valor integrad en el área de
pico bajo unidades específicas, además se puede multiplicar la altura del pico
máximo, por la anchura de la mitad que tiene la altura, donde su porcentajes
estará por debajo del 6% del área de trabajo del dispositivo.
Cabe destacar que al momento de tener un medio de respuesta relativo
se expresa la sensibilidad que tiene el detector como una relación de la
sustancia presente en el contorno, en función de la igualdad de las masas.
Estas especificaciones solo aplican al momento de realizar cálculos manuales
o graficar el sistema a manera de estudio y comprensión analítica debido a
que la perspectiva de un sistema en cuanto a su comportamiento es de manera
desigual y solo se plantea de manera hipotética para asemejar cualquier
variación que pueda existir.
1.4 RUIDO DE MULTIPLICACIÓN DE AVALANCHA.
El ruido generado producido por la altas frecuencia del sistema son un
modo de generadores de ruido o fuentes de los mismo; ocasionado por el
aumento de la ganancia en el diodo avalancha; matemáticamente se explica
12
como la relación entre la velocidad de ionización respecto al impacto que sufre
los agujeros que se encuentran en los electrones (electrones huecos);
pretendiendo así minimizar y limitar los factores de energía no requerida.
Al aumentar la tensión inversa del diodo avalancha; en la tensión de
ruptura los electrones en movimiento aceleran su trayectoria produciendo un
choque entrando en un modo de limitación. Los electrones que chocan y a su
vez rebotan cambian la velocidad en su trayectoria, generando dos electrones
libres, estos aceleran nuevamente contra un electrón de algún enlace
covalente cediendo su energía y repitiendo el proceso de manera mecánica;
ocasionando la multiplicación por Avalancha, le energía generada es negativa
muy superior a la estimada para soportar dentro del sistema (-100mA),
estropeando el diodo de esta manera no se encuentra en manera operativa
debido a la gran intensidad.
1.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA GANANCIA DE
AVALANCHA
El efecto de un diodo avalancha es la limitación del espacio de carga
que tienen los electrones, en dependencia de la intensidad del campo
eléctrico, la temperatura y el perfil de dopaje de los materiales presentes,
debido a que la ganancia depende de la tensión inversa, siendo necesario
controlar dicha tensión para estabilizar la ganancia producida ( entre 105 y
106) esta multiplicación puede superar la tensión de ruptura, necesitando
limitar
y disminuir rápidamente la corriente que circula provocando la
detección de fotones (suponiendo que estos se encuentran no iluminados).
13
1.6 COMPARACION DE LOS FOTO-DETECTORES
 FOTO- DETECTOR DE PIN.
Parametro
Simbolo Unidades
Silicio (Si)
Germanio
InGaAs
(Ge)
Longitud de
onda
𝝀
Nm
400 -1100
800-1650
1100 - 1700
R
A/W
0,4 – 0,6
0,4 – 0,5
0,75 – 0,95
𝑰𝑫
Na
1 - 10
50 – 500
0,5 – 2,0
𝒕𝒓
Ns
0,5 - 1
0,1 – 0,5
0,05 – 0,5
𝑩
GHz
0,3 – 0,7
0,5 – 3
1–2
𝑽𝑩
V
5
5 - 10
5
(rango)
Sensibilidad
Corriente de
Oscuridad
Tiempo de
subida
Ancho de
banda
Voltaje de
Polarizacion
Tabla N°1: Foto-detector PIN.
 FOTODETECTOR AVALANCHA
Parametro
Longitud de
onda (rango)
Simbolo
Unidades
Silicio (Si)
𝝀
Nm
400 -1100
Germanio
InGaAs
(Ge)
800-1650
1100 - 1700
14
Ganancia de
Avalancha
Corriente de
Oscuridad
Tiempo de
subida
G
A/W
20 – 400
50 – 200
10 - 40
𝑰𝑫
Na
0,1 – 1
50 – 500
10 – 50
𝒕𝒓
Ns
0,1 – 2
0,5 – 0,8
0,1 – 0,5
𝑮𝑩
GHz
100 – 400
2 – 10
20 - 250
𝑽𝑩
V
150 - 400
20 – 40
20 - 30
Ganancia por
Ancho de
banda
Voltaje de
Polarización
Tabla N°2: Foto-detector Avalancha (APD´s).
15
CONCLUSIÓN
Los sistemas de comunicaciones que usan un haz de luz para su
propagación en el medio; con la ayuda de una guía de onda; donde los
elementos naturales presentes en el sistema son netamente puros; en cuanto
a sus características para emisión y recepción de información, esta debe ser
proporcional al ancho de banda, conocida como una relación de el mismo.
En las comunicaciones para establecer una conexión con el mínimo de
errores, se requieren una serie de componente como son los fotodetectores la
importancia de estos radica en que convierten las señales ópticas en señales
eléctricas, recuperando la información transmitida por medio de dichos
sistemas. Siendo estos de alta sensibilidad obteniendo una respuesta
inmediata, particularmente son compatibles con el núcleo de la fibra óptica.
En necesario reconocer que estos dispositivos son de un tamaño casi
diminuto, permitiendo que su implementación sea eficaz siempre que se
realice de manera minuciosa. Además, estos fotodetectores se polarizan en
sentido directo, por ello la luz incidente no tendrá efecto sobre el
comportándose como un diodo semiconductor, solo respondiendo a los
cambios de oscuridad a iluminación y viceversa teniendo una mayor velocidad.
De esta manera los fotodetectores se encargan de mejorar la calidad del
sistema y evitar cierta implementación de componentes externos que pueden
derivar al mal uso y funcionamiento del sistema.
16
BIBLIOGRAFÍA
 https://es.wikipedia.org/wiki/Fotodetector
 http://materias.fi.uba.ar/6625/Clases/Dispositivos_Optoelectronicos.pdf
 http://profesores.fib.unam.mx/NATANAEL/docs/articulos/Ruido_fotodet
ectores.pdf
 Sistemas de Comunicaciones Electrónicas (Cuarta Edición): Wayne
Tomasi (1996).
 Donald E. Neamen. Física de Semiconductores y Dispositivos. Mc Graw
Hill. 3° Edición.
17