Tema de discusión: Fotodiodo PIN
¿Qué es el fotodiodo PIN?
Un fotodiodo es un diodo de unión PN que opera en polarización inversa. Como sugiere el nombre, el fotodiodo PIN es un tipo particular de fotodiodo en el que se coloca una capa intrínseca entre una capa de tipo p muy dopada y una capa de tipo n muy dopada. A medida que la resistividad disminuye con un aumento de la impureza y viceversa, las capas pyn tienen una resistividad muy baja, mientras que la resistividad en la capa I es muy alta. El fotodiodo PIN tiene una gran región de agotamiento que se utiliza en la recepción de luz.
Fotodiodo PIN Símbolo
La representación simbólica del fotodiodo PIN es la misma que la del diodo de unión pn estándar, excepto por las flechas hacia abajo sobre el diodo, que indican luz.
Estructura del fotodiodo PIN
El fotodiodo PIN consta de tres capas: capa p, capa I o intrínseca y capa n. La capa P está dopada con una impureza trivalente y la capa N está dopada con una impureza pentavalente. La capa I está sin dopar o muy poco dopada. El terminal P actúa como ánodo y el terminal N actúa como cátodo. A diferencia del general Diodo de unión PN, el ancho de la capa intrínseca en el fotodiodo PIN es mayor.
Puede construirse de dos formas:
- Estructura plana: En este tipo de estructura, se fabrica una película epitaxial delgada sobre la capa p.
- Estructura Mesa: En este tipo de estructura, las capas semiconductoras ya dopadas crecen sobre la capa intrínseca.
Diagrama del circuito del fotodiodo PIN
El fotodiodo PIN funciona como fotodetector solo cuando funciona en polarización inversa. El ánodo está conectado con el terminal negativo de la batería. El lado positivo de la batería está conectado al cátodo a través de una resistencia.
Funcionamiento del fotodiodo pin | Principio de funcionamiento del fotodiodo PIN
- Cuando se aplica polarización inversa al dispositivo, la región de agotamiento comienza a expandirse en la capa intrínseca. El ancho va aumentando hasta alcanzar el grosor de la capa I.
- Como resultado, la región de agotamiento queda libre de cualquier portador de carga móvil. Entonces no fluye corriente. En este punto, no tiene lugar ninguna recombinación de huecos de electrones en la región de agotamiento.
- Cuando la luz de suficiente energía ( h? ≥ energía de banda prohibida del semiconductor) entra en la región I, cada fotón absorbido genera un par electrón-hueco. Estos pares experimentan una fuerte fuerza debido al campo eléctrico de barrera presente en la región de agotamiento. Esta fuerza separa los pares y los portadores de carga se mueven en direcciones opuestas y se genera corriente. Así, la energía óptica se convierte en energía eléctrica.
- Como la corriente se genera a partir de la energía luminosa, se denomina corriente fotoeléctrica y escrito como Ip.
Características del fotodiodo PIN
- Resistividad: Ofrece baja resistividad en capas P y N (menos de 1 kΩ / cm) y alta resistividad en la capa I (hasta 100 kΩ / cm)
- Capacitancia: Como la capacitancia es inversamente proporcional al espacio entre las capas P y N, la capacitancia en este fotodiodo es menor que la del diodo estándar.
Dónde ?0= valor dieléctrico del espacio libre
?r= constante dieléctrica del semiconductor
A = área de la capa intrínseca
d = ancho de la región de agotamiento
- Cortocircuito: La capa intrínseca ensancha la región de agotamiento, por lo que el voltaje de ruptura es muy alto.
- El flujo de corriente: El flujo de corriente es directamente proporcional a la cantidad de luz que incide en el detector.
- Condición de sesgo directo: Si se opera en modo de polarización directa, el ancho de la capa de agotamiento se reduce y la corriente fluye. En este caso, el diodo se comporta como una resistencia variable.
- Eficiencia cuántica(?): Se refiere al número de pares de electrones y huecos generados por fotón que tiene energía h?
- Responsividad: Mide la ganancia de salida por entrada (fotón).
Modos de funcionamiento en fotodiodo PIN
Tiene principalmente dos modos de funcionamiento:
- Modo fotovoltaico imparcial
- Modo fotoconductor de polarización inversa
Curvas del fotodiodo IV PIN
Diagrama de clavijas de fotodiodo
Configuración de clavijas de fotodiodo
| Nombre del pin | Identificación |
| Catódicos | Más corto en longitud |
| Ánodo | Más largo |
Fotodiodo de 3 pines
credito de imagen : Hamamatsu Instrumentos
Los fotodiodos de tres pines son fotodiodos de PIN de silicio de alta velocidad especialmente diseñados para detectar luz infrarroja cercana. Con un sesgo bajo, estos dispositivos proporcionan la facilidad de características de banda ancha, lo que los hace utilizables para comunicaciones ópticas y otras fotometrías.
Ruido en fotodiodo PIN
El ruido se refiere a cualquier acontecimiento indeseable o error en la señal de información recibida. Es la fusión de energías perturbadoras provenientes de diferentes fuentes.
A continuación se muestran los ruidos que se atribuyen al ruido total de un fotodiodo:
- Ruido cuántico o de disparo
- Ruido de corriente oscura
- Ruido térmico
Si bien los dos primeros tipos de ruidos se generan a partir de la naturaleza estadística del procedimiento de conversión de fotones a electrones, el ruido térmico está asociado con los circuitos del amplificador.
Ruido cuántico o de disparo:
Ocurre debido al proceso de conversión del protón al electrón. Aquí se sigue el proceso de Poisson. Valor cuadrático medio del ruido de disparo iq en fotocorriente ip es,
Donde, q = carga de un electrón
B = ancho de banda
Ruido de corriente oscura:
La corriente oscura es la corriente que fluye a través del circuito cuando no incide luz en el fotodetector. Tiene dos componentes principales: ruido de corriente oscura a granel y ruido de corriente de fuga superficial. La corriente oscura a granel es el resultado de huecos y electrones generados térmicamente en la unión PN.
Valor cuadrático medio del ruido masivo de corriente oscura idb en la corriente oscura id es,
Valor cuadrático medio del ruido de corriente de fuga superficial ids en la corriente de fuga superficial iL es,
Ruido térmico:
También se le llama ruido de Johnson. El ruido térmico de la resistencia de carga es mucho más alto que el ruido térmico del amplificador, ya que la resistencia de carga tiene un valor menor que la resistencia del amplificador.
Por lo tanto, el valor cuadrático medio del ruido térmico ir debido a la resistencia de carga RL
Donde KB= Constante de Boltzmann
T = temperatura absoluta
B = ancho de banda
Fotodiodo PIN de InGaAs
InGaAs (arseniuro de indio y galio) es una aleación de arseniuro de indio y arseniuro de galio. El arseniuro de galio puede convertir eficientemente la electricidad en luz coherente.
Los fotodiodos o fotodetectores PIN de InGaAs son dispositivos optoelectrónicos capaces de proporcionar una eficiencia cuántica muy alta que puede oscilar entre 800 y 1700 nm. Presentan baja capacitancia en ancho de banda extendido, alta linealidad, alta sensibilidad debido a una mayor resistencia, baja corriente de oscuridad y uniformidad en el área activa del detector. Todas estas características ayudan a aumentar la flexibilidad y ofrecen una amplia gama de aplicaciones.
Fotodiodo PIN de GaAs
GaAs (arseniuro de galio) es un semiconductor que tiene una alta movilidad de electrones y una alta velocidad de electrones que el silicio. Puede funcionar a frecuencias muy altas.
Los fotodiodos PIN de GaAs se utilizan para detectar señales ópticas a 850 nm. Tiene una gran zona de activación que asegura una respuesta estable y sensible. Esto también se puede utilizar en telecomunicaciones ópticas como receptores ópticos, en máquinas de prueba, etc. Los fotodiodos de GaAs proporcionan una respuesta rápida, baja corriente de oscuridad y alta fiabilidad.
Detector de fotodiodo PIN
El fotodetector se utiliza para convertir la señal luminosa en señal eléctrica, su amplificación y su posterior procesamiento. En los sistemas de fibra óptica, el fotodetector es un elemento fundamental. Los fotodiodos semiconductores se encuentran entre los detectores más utilizados, ya que ofrecen un rendimiento excelente, son de tamaño pequeño y de bajo costo.
Ejemplo: fotodiodo de arseniuro de galio, fotodiodo de arseniuro de galio indio, etc.
Fotodiodo PIN en comunicación óptica
Los fotodetectores se utilizan vívidamente en el sector del automóvil, fines médicos, equipos de seguridad, cámaras, industria, astronomía y, lo que es más importante, en comunicaciones. Hay dos mecanismos fotoeléctricos distintos disponibles para la fotodetección:
- Efecto externo: PMT o tubos fotomultiplicadores
- Efecto interno: fotodiodos de unión PN, fotodiodos PIN, fotodiodos de avalancha
Principio de fotodetección:
- Se produce la fotogeneración de pares de agujeros de electrones
- La unión PIN tiene polarización inversa
- La región de agotamiento ve la deriva del portador
- El par de agujeros de electrones se mueve en la dirección opuesta y causa fotocorriente.
Detector de radiación de fotodiodo PIN | Detector de rayos gamma de fotodiodo PIN
Los fotodiodos PIN pueden detectar fotones individuales en la radiación gamma. Un fotodiodo PIN, un comparador y cuatro de bajo ruido amplificadores operacionales se utilizan juntos en este proceso.
En condiciones de polarización inversa, cuando los fotones golpean la región de agotamiento, producen una pequeña carga directamente proporcional a la energía de los fotones. La señal resultante se obtiene amplificado y filtrado por los amplificadores operacionales. Comparador distingue la señal y el ruido. La salida final del comparador muestra un pulso alto cada vez que un fotón gamma con la energía mínima requerida golpea el fotodiodo PIN.
Receptor de fotodiodo PIN
Los receptores ópticos son responsables de la conversión de energía óptica a eléctrica. El elemento más importante del receptor óptico es el fotodiodo.
El receptor debe detectar señales débiles y distorsionadas primero y luego, basándose en la versión amplificada de esa señal, decidir qué tipo de datos se envió. Se pueden encontrar errores provenientes de diversas fuentes asociados con la señal. Por lo tanto, las señales deben controlarse y procesarse con la máxima precisión, ya que la consideración del ruido es un factor importante en el diseño del receptor.
Fotodiodo PIN de silicio
Los fotodiodos PIN de silicio o Si pueden adaptarse a diferentes aplicaciones. Debido a la estructura del PIN, produce una respuesta rápida y una alta frecuencia cuántica para detectar fotones. Son capaces de detectar luz en el rango de 250 nm a 1.1 μm. Detecta radiación de alta energía en altas frecuencias. El ancho de la región de agotamiento varía de 0.5 a 0.7 mm.
Detector de fotodiodo PIN Si
En los fotodiodos PIN, la región de agotamiento casi coincide con la capa intrínseca. La generación de portadores de carga se produce debido a la radiación incidente.
Junto con la radiación de luz, la radiación gamma, la radiación X, las partículas también pueden generar portadores de carga.
Cuando los fotones se encuentran con el contacto metálico del diodo, se producen pares de agujeros de electrones en grandes cantidades. Los electrodos los recogen y se genera la señal. Los pares de agujeros de electrones que son más móviles ayudan a recibir señales fácilmente detectables. Posteriormente, se procesan a través de un amplificador de bajo ruido y el analizador detecta la cantidad de radiación de los pulsos.
Matriz de fotodiodos PIN
Las matrices de fotodiodos se utilizan generalmente en máquinas de rayos X al escanear el objeto en la imagen línea por línea. Los rayos X se transforman en luz a través del cristal centelleador. Luego, el fotodiodo mide la intensidad de la luz.
Fotodiodo PIN de alta velocidad
Se prefieren los fotodiodos PIN de alta velocidad por su disparo preciso contra la intensidad de la señal, sensibilidad mejorada, bajo voltaje de funcionamiento y alto ancho de banda.
Amplificador de fotodiodo PIN
Los amplificadores operacionales se utilizan con una resistencia de retroalimentación para convertir la fotocorriente en voltaje medible. También se le llama amplificador de impedancia trans.
Aplicación de fotodiodo pin
Los fotodiodos PIN son uno de los fotodiodos más populares que tienen características variadas, lo que los hace adecuados para diferentes aplicaciones. Además de la fotodetección, se utiliza en reproductores de DVD, unidades de CD, interruptores, tratamiento médico y muchos más.
- Rectificador de alto voltaje: La capa intrínseca proporciona una mayor separación entre la región P y N, lo que permite tolerar voltajes inversos más altos.
- Interruptores de microondas controlados por RF y CC: La capa intrínseca aumenta la distancia entre las capas P y N. También disminuye la capacitancia, aumentando así el aislamiento en condición de polarización inversa.
- Fotodetectores y células fotovoltaicas: La conversación de luz a corriente ocurre en la región de agotamiento. A medida que el ancho de la capa intrínseca es mayor, mejora el rendimiento de captura de luz.
- Atenuadores de RF y variables
- Circuito modulador de RF
- Máquina de resonancia magnética
Ventajas y desventajas del fotodiodo PIN
Ventajas del fotodiodo PIN
- Tiene alta sensibilidad a la luz.
- La velocidad de respuesta es alta.
- Su ancho de banda es amplio.
- El costo de implementación es bajo.
- Genera poco ruido.
- La sensibilidad a la temperatura es baja.
- Es de tamaño pequeño.
- Longevidad mejor que los diodos estándar.
Desventajas del fotodiodo PIN
- Sólo se puede operar en la condición de polarización inversa.
- La tensión aplicada debe ser baja.
- Es sensible a todo tipo de luz.
- Deben mantenerse las especificaciones de temperatura.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es el uso de la capacitancia polar en el fotodetector PIN?
La capacitancia polar significa la condensador Las placas son electrodos que tienen una polaridad positiva y negativa. En un fotodetector PIN, las capas P y N actúan como electrodos, y el ancho de la capa de agotamiento es enorme; el valor de la capacitancia es bajo. Debido a la baja capacitancia, la velocidad mejora.
¿Cuál es la ventaja del fotodiodo PIN?
Tiene alta sensibilidad, bajo nivel de ruido, ancho de banda amplio y bajo costo de implementación. la explicación detallada está en la sección superior.
¿Qué significa I en PIN Photodiode?
I en PIN fotodiodo significa capa intrínseca.
¿Cuál es la diferencia entre un fotodiodo normal y un fotodiodo PIN?
La capa intrínseca aumentada hace que los fotodiodos PIN sean capaces de transportar más corriente y también mejora la respuesta de frecuencia. La explicación detallada está en la sección superior.
¿Cuáles son las desventajas del fotodiodo PIN?
Es muy sensible a la luz y puede funcionar bien solo en polarización inversa.
¿Qué es el fotodiodo y su símbolo?
Un fotodiodo es un semiconductor que convierte la energía luminosa en energía eléctrica.
¿Qué es una matriz de fotodiodos?
Es un sensor utilizado en fotodetección, espectrofotometría, etc.
¿Cuál es el fotodiodo más utilizado?
El fotodiodo PIN es el más utilizado fotodiodo.
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Hola... Soy Kaushikee Banerjee y completé mi maestría en Electrónica y Comunicaciones. Soy un entusiasta de la electrónica y actualmente me dedico al campo de la Electrónica y las Comunicaciones. Mi interés radica en explorar tecnologías de vanguardia. Soy un estudiante entusiasta y jugueteo con la electrónica de código abierto.
