RECEPTOR DE ENLACE OPTICO

DETECTORES PARA SISTEMAS ÓPTICOS

 CLASIFICACIÓN

Existe una gran variedad de detectores de luz.

-Detectores térmicos: donde la radiación es absorbida y transformada en calor (responde al cambio de temperatura).

-Detectores cuánticos: los que responden directamente a la densidad de fotones incidentes.

Es natural que para los sistemas que nos ocupa usemos detectores cuánticos. Pudiéndose realizar una subclasificación:

-Detectores fotoemisivos: se aprovecha la emisión de electrones desde un material cuando inciden fotones según el efecto

fotoeléctrico. Responden a fototubos de vacío con multiplicación interna.

-Detectores fotoconductivos: la densidad de fotones hace variar la conductividad del fotosensor. Existen los tipos:

fotorresistivos (elemento resistivo o un semiconductor intrínseco) y fotodiodos (semiconductores dopados).

-Detectores fotovoltaicos: donde al incidir fotones se genera una tensión; tal el caso de las celdas solares.

La elección recae sobre los detectores cuánticos fotoconductivos con semiconductores dopados. Las razones son: tienen el menor peso y tamaño, son más robustos que los tubos de vacío. Tienen estabilidad térmica y temporal. Su costo es reducido. Tienen gran respuesta espectral, más linealidad y velocidad de conmutación 

Berzelius en 1817 descubrió el Selenio y en 1954 se desarrolló la primer celda fotoeléctrica. Sin embargo, la eficiencia en la conversión de luz en electricidad del Selenio es del 1% y por ello se recurrió al Germanio y Silicio.

DETECTORES FOTODIODOS

La elección del semiconductor adecuado para la longitud de onda se realiza mediante la respuesta espectral. En la Fig 01 se -1 representa el coeficiente de absorción α en unidades de cm   para distintos semiconductores. La inversa del coeficiente es la longitud de penetración de la radiación en el material. Para lograr altas velocidades el valor de 1/α debe ser menor que 1 µm.

El Si tiene en la primer ventana 0,85 µm un valor de 1/α=10 µm. Sin embargo, por el alto grado de conocimiento de este semiconductor se lo ha adoptado como detector en esta ventana.

RESPONSIVIDAD. Se denomina responsividad o factor de respuesta R a la relación que existe entre la corriente I que entrega el fotodiodo al circuito eléctrico y la potencia óptica P que recibe de aquél. En un amplio margen de dependencia la misma es lineal y se expresa como:

R = I / P = (e.re)/(E.rf) = e.?i.r|/h.c

donde e es la carga del electrón, E la energía del fotón, re y rf son el número promedio de electrones y fotones, r| la eficiencia cuántica (re/rf). El valor de R se aproxima por:

R = 0,8A.r|

si la longitud de onda X se mide en µm. Se observa que R aumenta con X en forma lineal. Sin embargo, existe un valor de la longitud de onda donde los fotones tienen una energía E inferior al salto entre las bandas BC-BV. A partir de este punto los pares electrón-laguna generados por los fotones disminuyen rápidamente. En el Si la R se torna insignificante más allá de 1,1 µm. Por ello debemos adoptar otros materiales para las longitudes de onda más largas. Entre los materiales posibles se encuentra el Ge y InP.

En el mejor de los casos (con r|=1) se tiene que un fotón genera un par electrón-laguna. En condiciones normales este par se vuelve a recombinar. Para separarlo y extraer una corriente del material es necesario disponer de una juntura PN con una polarización inversa de forma que sólo hay corriente cuando incide luz. En la juntura existe una diferencia de potencial que separa al par.

FOTODIODO AVALANCHA.

 La elevada diferencia de potencial del APD permite que algunos electrones cedan parte de 5 la energía para formar otros pares adicionales, lo cual se logra cuando el campo eléctrico de la juntura supera los 3.10

V/cm. El proceso de multiplicación por avalancha crea una ganancia interna M que es aleatoria. Desde el punto de vista

eléctrico del APD se comporta como un diodo ideal en paralelo con un generador de corriente proporcional a la luz

incidente. Cuando llega a un valor de tensión de polarización inversa que crea un campo interno suficiente para iniciar la

avalancha, se produce un aumento de la fotocorriente. La tensión necesaria es de 150 a 400 V en el Si y de 10 a 50 V en el

Ge.

Sin incidencia de luz se tiene una corriente residual de oscuridad, que resulta ser la suma producida por la difusión de portadores minoritarios generados térmicamente fuera de la zona de deplexión y la tunelización de electrones entre la BV y BC. En resumen se usarán el Si en 0,85 µm; y el Ge o InP en 1,3 ó 1,55 µm y con dos estructuras posibles el PIN o APD. En general se usa la estructura APD para el Si y Ge y la estructura PIN para los derivados del InP. En el diodo PIN la velocidad de los portadores en un campo típico de 2 V/µm es de 84 µm/ns para el electrón y de 44 µm/ns para las lagunas. Para un ancho de carga espacial de 20 µm, con 40 V de tensión externa el electrón lo recorre en 250 ps y la laguna en 500 ps; la luz es absorbida cerca de la juntura PI y las lagunas recorren por ello un camino menor. La eficiencia cuántica del diodo PIN es del 80%.

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