Fotodiodos
(194)Os fotodíodos são um tipo de componente de uma grande família de elementos semicondutores p-n. São conhecidos às vezes por fotossensores ou fotodetetores. Estes elementos convertem a energia dos fotões, energia da luz, em eletricidade, ao contrário dos LED (díodos emissores de luz), que usam eletricidade para produzir luz. A primeira aplicação que nos vem à cabeça são os painéis fotovoltaicos, mas para isso existe uma família especial de fotodíodos, chamados de células solares. Outra aplicação dos fotossensores é o seu uso em sensores crepusculares, lâmpadas que se acendem automaticamente quando anoitece ou em sensores que funcionam com um díodo laser que ilumina diretamente a junção do fotodíodo. Uma solução deste tipo pode ser encontrada, por exemplo em cortinas laser utilizadas na indústria e graças às quais se pode detetar a interrupção do raio laser e assim informar o sistema de controlo, por exemplo, da presença de uma pessoa numa zona de perigo perto de um robô industrial em funcionamento. Também são utilizados em contadores e circuitos de controlo ou de comutação, mas também como detetores de luz infravermelha, distanciómetros ou para comunicação por fibra ótica.
Uso dos fotodíodos
O uso pré-definido dos fotodíodos é na função de detetor. Graças ao uso deste tipo de elemento no sistema eletrónico, o utilizador pode medir o nível de intensidade da luz que incide sobre o fotodíodo. Para que isto aconteça, a junção p-n do fotossensor no sistema deve ter uma polarização inversa. Isto significa que a camada da barreira da junção aumentará e dificultará a difusão dos portadores maioritários na área com o tipo de dopagem oposta. No entanto, se incidirem fotões de energia suficientemente elevada na junção p-n dos fotodíodos, estes podem remover eletrões da banda de valência para a banda de condução. Se isto ocorrer a uma distância suficientemente grande da junção p-n, o eletrão, juntamente com a lacuna que se forma, terão tempo de se recombinar. No entanto, se isto ocorrer suficientemente perto da junção p-n, o eletrão será atraído pelo pino com um potencial positivo e a lacuna será atraída pelo pino com potencial negativo. Em consequência fluirá uma corrente através de um circuito elétrico simples usando o fotodíodo. Se mais fotões incidirem no fotossensor por unidade de tempo, serão criados mais pares de eletrão-lacuna de forma que o elemento irá gerar uma corrente de maior intensidade. Graças a este princípio de funcionamento, o fotodíodo (ou na verdade o sistema de medição que o utiliza como sensor) consegue medir a intensidade da luz que incide sobre ele.
Quando se fala de fotodíodos, encontram-se muitas vezes as características deste tipo de componentes desenhadas num diagrama de intensidade, expressas em ampere [A], em função da sua tensão que é dada em volt [V]. Como a polarização do fotodíodo é geralmente inversa e a corrente produzida por ele flui no sentido inverso, ambos os valores serão apresentados como negativos e a parte mais importante do gráfico estará no terceiro quadrante do sistema de coordenadas. Tal gráfico mostra um aumento na intensidade da corrente com um aumento da diferença de tensão entre os terminais do fotodíodo, mas apenas numa faixa muito estreita contando a partir da diferença de potencial nula, e em seguida este valor estabiliza muito rapidamente. Um aumento adicional na diferença de tensão tem apenas um efeito mínimo sobre o aumento da corrente que flui através do díodo no sentido inverso porque o aumento na intensidade da corrente depende principalmente da quantidade de luz que incide sobre a junção do fotodíodo. Por esta razão, é possível notar nas suas caraterísticas várias linhas que determinam as formas de onda da intensidade de corrente dependendo do valor da diferença de tensão aplicada nos seus terminais para diferentes intensidades da luz que incide na sua junção. Para os fotodíodos, a dependência da corrente que flui através deles, da intensidade da luz é quase linear. Caso nenhuma luz incida na junção do fotodíodo, pode-se ainda observar um valor insignificante de fluxo de corrente conhecido como corrente escura. Isto deve-se à energia térmica que, quando fornecida aos eletrões na banda de valência, pode eliminá-los na banda de condução em pequenas quantidades.
O fotodíodo também pode funcionar em modo fotovoltaico. Nesse caso, não se aplica nenhuma diferença de potencial externa aos pinos da junção p-n. O fluxo de corrente, na verdade um portador minoritário, ocorre como resultado da exposição do fotodíodo à luz.
Fotodíodo PIN
Uma variação especial do fotodíodo que usa a junção p-n, é o fotodíodo PIN. Possui uma vasta zona de semicondutores não dopados, ou seja, utiliza na sua estrutura um semicondutor intrínseco não dopado localizado entre as regiões dos semicondutores dopados p e n. Assim, a camada de barreira tem uma grande espessura, o que faz com que a capacidade e a inércia deste fotodíodo seja relativamente curta. Isto tem como resultado uma reação muito rápida às mudanças na intensidade da luz.
Fotodiodo de avalanche
Existe também um fotodíodo denominado de avalanche. A sua estrutura e o seu princípio de funcionamento são quase idênticos aos de um fotodíodo padrão. A diferença é que este pode ser polarizado com uma tensão inversa muito alta. Os eletrões que são eliminados na banda de condução como resultado da incidência de fotões na junção do fotodíodo são acelerados a tal ponto que provocam a eliminação dos seguintes. Este é o chamado efeito de avalanche. Desta forma, mesmo a menor quantidade de luz incidente pode ser detetada na junção do fotossensor.
Parâmetros dos fotodíodos
Os fotodíodos caraterizam-se por vários parâmetros-chave que devem ser tidos em conta ao selecionar o elemento adequado para uma determinada aplicação. O primeiro é a tensão inversa máxima do fotodíodo. Geralmente varia entre algumas e várias dezenas de volt. Ultrapassar este parâmetro pode “queimar o díodo” danificando-o de forma irreversível. Também vale a pena ter em conta o valor da corrente escura que é dado em nanoampere [nA]. Este valor é muito pequeno, mas pode desempenhar um papel importante em algumas aplicações. Outro parâmetro que não deve ser ignorado é o comprimento de onda que o díodo é capaz de detetar, bem como o comprimento de onda no ponto de máxima sensibilidade no qual se obtém o maior valor da corrente produzida pelo fotodíodo em função da intensidade da luz que incide na sua junção. Não ter em atenção este parâmetro para uma determinada aplicação ou para elementos que já sejam utilizados no sistema pode levar a uma situação em que o díodo não "verá" o sinal do comprimento de onda desejado e é possível que todo o sistema não funcione corretamente. Alguns LED podem ter um filtro de infravermelhos para reagir apenas num comprimento de onda invisível ao olho humano. Outro fator importante é o ângulo de visão do fotodíodo, que pode variar por exemplo desde os 10°, no caso de sensores que funcionam com um díodo laser, até 150° no caso de sensores crepusculares. O resultado do produto da quantidade de corrente produzida no fotodíodo pela tensão aplicada nos seus terminais é o valor da potência ótica que é também normalmente fornecida pelos fabricantes. A sua unidade básica é o watt [W].
Os fotodíodos, tal como a maioria dos outros componentes eletrónicos, podem ser encontrados na forma de elementos montados em superfície, os chamados SMD, ou montados através de furos de passagem, os chamados THT. Também é importante o tipo de encapsulamento em que eles são colocados. Os mais populares são por exemplo o 0805, DIL (Dual In Line), 3mm ou TO5.
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