Fotodiodos
(193)Los fotodiodos son un tipo de componentes de una gran familia de elementos semiconductores p-n. A veces se les conoce como fotosensores o fotodetectores. Estos elementos convierten la energía de los fotones, o la energía de la luz, en electricidad, a diferencia de los LED (diodos emisores de luz), que extraen electricidad para producirla. La primera aplicación que me viene a la mente son los paneles fotovoltaicos, pero para ello existe una familia especial de fotodiodos, llamados células solares. Otra aplicación de los fotosensores es su uso en sensores de crepúsculo, en lámparas que se encienden automáticamente cuando cae la noche, o en sensores que funcionan con un diodo láser que ilumina directamente el conector de fotodiodo. Una solución de este tipo se encuentra, por ejemplo, en cortinas láser utilizadas en la industria, gracias a las cuales pueden detectar la interrupción del rayo láser y así informar al sistema de control, por ejemplo, sobre la presencia de una persona en la zona de peligro, por ejemplo, cerca de un robot industrial en funcionamiento. También se utilizan en contadores y circuitos de control o conmutación, pero también como detectores de luz infrarroja, distanciómetros o para comunicación por fibra óptica.
Uso de los fotodiodos
El uso predeterminado de fotodiodos es la función de detector. Gracias al uso de este tipo de elemento en el sistema electrónico, el usuario puede medir el nivel de intensidad de la luz que incide sobre el fotodiodo. Para que esto suceda, el conector p-n del fotosensor en el sistema debe tener polarización inversa. Esto significa que la capa de barrera del conector se agrandará y se dificultará la difusión de los portadores mayoritarios en el área con el tipo opuesto de dopaje. Sin embargo, si los fotones de energía suficientemente alta caen en el conector p-n de los fotodiodos, pueden eliminar electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Si esto ocurre a una distancia suficientemente grande del conector p-n, el electrón, junto con el agujero que se forma así, tendrá tiempo suficiente para recombinarse. Sin embargo, si esto ocurre lo suficientemente cerca del conector p-n, un electrón será atraído por el pin con un potencial positivo y el agujero será atraído por el pin con un potencial negativo. Luego, una corriente fluirá a través de un circuito eléctrico simple usando un fotodiodo. Si más fotones caen sobre el fotosensor por unidad de tiempo, se crearán más pares hueco-electrón, de modo que el elemento generará una corriente de mayor intensidad. Gracias a este principio de funcionamiento, el fotodiodo (o de hecho el sistema de medición que lo utiliza como sensor) es capaz de medir la intensidad de la luz que incide sobre él.
Cuando se habla de fotodiodos, a menudo se pueden encontrar las características de este tipo de componentes, que se dibujan en el diagrama de intensidad, expresadas en amperios [A], dependiendo del voltaje, se da en voltios [V]. Como la polarización del fotodiodo suele ser inversa y la corriente producida por ella fluye en la dirección inversa, ambos valores se presentarán como negativos y la parte más importante del gráfico estará en el tercer cuadrante del sistema de coordenadas. Tal gráfico muestra un aumento en la intensidad de la corriente con un aumento en la diferencia de voltaje entre los terminales del fotodiodo, pero solo en un rango muy estrecho, contando desde la diferencia de potencial cero, y luego este valor se estabiliza muy rápidamente. Un aumento adicional en la diferencia de voltaje tiene solo un efecto mínimo sobre el aumento de la corriente que fluye a través del diodo en la dirección inversa, porque el aumento en la intensidad de la corriente depende principalmente de la cantidad de luz que cae sobre el conector del fotodiodo. Por esta razón, en sus características, se pueden notar varias líneas que determinan las formas de onda de intensidad de corriente, dependiendo del valor de la diferencia de voltaje aplicado en sus terminales, para diferentes intensidades de la luz incidente en su unión. Para los fotodiodos, la dependencia de la corriente que fluye a través de ellos de la intensidad de la luz es casi lineal. En el caso de que no incida luz en el conector del fotodiodo, aún puede observar un valor insignificante de la corriente que fluye, que se conoce como corriente negra. Esto se debe a la energía térmica que, cuando se suministra a los electrones en la banda de valencia, puede eliminarlos en la banda de conducción en pequeñas cantidades.
El fotodiodo también puede funcionar en modo fotovoltaico. Entonces no se aplica ninguna diferencia de potencial externa a los pines del conector p-n. El flujo de corriente, y de hecho un portador minoritario, se produce como resultado de la exposición del fotodiodo a la luz.
Fotodiodo PIN
Una variación especial del fotodiodo, que utiliza el conector p-n, es el fotodiodo PIN. Tiene una amplia zona de semiconductores no dopados, es decir, utiliza en su estructura un semiconductor intrínseco ubicado entre la región de semiconductores en la región de semiconductores de tipo P. Gracias a esto, la capa de barrera tiene un gran espesor, lo que hace que la capacidad e inercia de tal fotodiodo relativamente corto. Esto da como resultado una reacción muy rápida a los cambios en la intensidad de la luz.
Fotodiodo de avalancha
También hay un fotodiodo llamado avalancha. Su estructura y principio de funcionamiento son casi idénticos a los de un fotodiodo estándar. La diferencia es que puede polarizarse con un voltaje inverso muy alto. Los electrones que se eliminan en la banda de conducción como resultado de la incidencia de fotones en el conector del fotodiodo se aceleran hasta tal punto que provocan la eliminación de los siguientes. Este es el llamado efecto de avalancha. De esta manera, se puede detectar incluso la menor cantidad de luz incidente en el conector del fotosensor.
Parámetros de los fotodiodos
Los fotodiodos se caracterizan por varios parámetros clave que deben tenerse en cuenta al seleccionar el elemento apropiado para una aplicación determinada. El primero es el voltaje inverso máximo del fotodiodo. Por lo general, varía de unas pocas a varias docenas de voltios. Exceder este parámetro puede causar el llamado pinchazo del diodo, y consecuentemente su daño irreversible. También vale la pena tener en cuenta el tamaño de la corriente oscura, que se da en nanoamperios [nA]. Este es un valor muy pequeño, pero puede desempeñar un papel importante en algunas aplicaciones. Otro parámetro que no se debe ignorar es la longitud de onda que el diodo es capaz de detectar, así como la longitud de onda en el punto de máxima sensibilidad por la que se produce el cambio en el valor de la corriente producida por el fotodiodo en función de la intensidad de la luz. incidente en su cruce será el mayor. No seleccionar este parámetro para una aplicación determinada o para elementos que ya se utilizan en el sistema, puede llevar a una situación en la que el diodo no "verá" la señal de la longitud de onda deseada, y es posible que todo el sistema no funcione correctamente. Algunos LED pueden tener un filtro de infrarrojos para reaccionar solo a una longitud de onda invisible para el ojo humano. Otro factor importante es el ángulo de visión del fotodiodo, que puede variar desde 10°, por ejemplo, en el caso de sensores que cooperan con un diodo láser, hasta 150° en el caso de sensores de crepúsculo. El resultado del producto de la cantidad de corriente producida por el fotodiodo y el voltaje aplicado a sus terminales es el valor de la potencia óptica, que también suele ser proporcionada por los fabricantes. Su unidad básica es el vatio [W].
Los fotodiodos, como la mayoría de los demás componentes electrónicos, se pueden encontrar en forma de elementos montados en la superficie, los llamados SMD u orificio pasante, llamado THT. También afecta el tipo de cerramiento en el que se colocará. Uno de los más populares son, por ejemplo, 0805, DIL (Dual In Line), 3mm o TO5.
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