6.6: Fotodetectores

Tipos de fotodetectores

Los fotodetectores son sensores utilizados para convertir la luz, a frecuencias ópticas u otras frecuencias cercanas, en electricidad. Una forma de clasificar los fotodetectores es por su tipo de material activo, que puede ser un sólido o un gas. El primer tipo de detectores son fotodetectores semiconductores hechos de uniones pn de semiconductores sólidos. La elección del semiconductor influye en las longitudes de onda de la luz que puede ser absorbida porque solo se pueden absorber fotones con energía mayor o igual a la brecha de energía del semiconductor. Por ejemplo, el silicio tiene una brecha de energía de 1.11 eV, por lo que es capaz de absorber los fotones tanto en el rango visible 1.9 eV\(< E <\) 3.1 eV como fotones en el rango infrarrojo cercano 1.1 eV\(< E <\) 1.9 eV. En algunos fotodetectores semiconductores, se agrega una fina capa intrínseca (no dopada) entre el material de tipo p y el material de tipo n en la unión. En estos fotodetectores semiconductores de unión p-i-n, la capa añadida ensancha la capa de agotamiento. También disminuye la capacitancia interna de la unión aumentando así el tiempo de respuesta del detector [10, p. 660]. El segundo tipo de detectores están hechos de tubos de vacío llenos de gas, y estos detectores se denominan fototubos [10, p. 646]. Se coloca un voltaje a través de los electrodos en los tubos. Cuando la luz brilla en el fototubo, la energía de un fotón de luz puede arrancar un electrón de un átomo de gas. El electrón y el ion fluyen hacia los electrodos, produciendo así electricidad. El tipo más común de fototubo es el tubo fotomultiplicador. Este dispositivo tiene múltiples electrodos, y cuando un electrón choca con uno de estos electrodos, se emiten electrones adicionales. Estos electrones pueden golpear electrodos adicionales para producir aún más electrones. Debido a que cada fotón entrante produce una cascada de electrones, los tubos fotomultiplicadores tienen una alta amplificación interna.

Otra forma de clasificar los fotodetectores depende de si los fotones entrantes tienen suficiente energía para arrancar electrones o simplemente excitarlos. El primer tipo de detectores se denominan detectores fotoeléctricos, y operan en base a un proceso llamado emisión fotoeléctrica [10, p. 645] [27, p. 171]. En estos detectores, la luz entrante tiene una energía mayor o igual a la energía desde la banda de valencia hasta el nivel del suelo en la parte superior de un diagrama de nivel de energía. Estos detectores convierten la luz en electricidad porque los fotones de luz entrantes arrancan electrones de sus átomos, y el flujo de los electrones resultantes es una corriente. El segundo tipo de detectores se denominan detectores fotoconductores o a veces detectores fotovoltaicos, y operan en base a un proceso llamado fotoconductividad [10, p. 647]. En estos detectores, la luz entrante tiene energía igual a la diferencia entre las bandas de valencia y conducción, no suficiente para estafar electrones. Estos detectores convierten la luz en electricidad porque los fotones entrantes excitan los electrones, y la conductividad del detector es mayor cuando la luz brilla sobre él. Los fotodetectores de semiconductores sólidos pueden operar en base a emisión fotoeléctrica o fotoconductividad, pero la mayoría operan en función de la fotoconductividad. Los fototubos suelen operar en base a la emisión fotoeléctrica.

Algunos fotodetectores tienen un solo elemento mientras que otros están hechos de una matriz de elementos. Una cámara digital puede contener millones de fotodetectores individuales. Estos elementos están integrados con un dispositivo de carga acoplada (CCD), que es circuitería para transferir secuencialmente la salida eléctrica de cada fotodetector de la matriz [9, p. 359]. El CCD fue inventado en 1969 por Willard S. Boyle y George E. Smith. Por esta invención, compartieron el Premio Nobel de Física 2009 con Charles K. Kao, quien fue galardonado con el premio por su trabajo sobre fibras ópticas [80].

Los ojos en los animales son fotodetectores. La retina del ojo humano es una matriz compuesta por alrededor de 120 millones de células bastoncillas y de 6 a 7 millones de células cónicas [81]. Estas células convierten la luz en impulsos eléctricos que se envían al cerebro.

Medidas de Fotodetectores

La respuesta de frecuencia es una de las medidas más importantes de un fotodetector. A menudo se representa frente a la longitud de onda o energía fotónica en lugar de la frecuencia. Un fotodetector solo es sensible dentro de un rango de longitud de onda particular, y la respuesta de frecuencia a menudo no es plana.

Al igual que con todo tipo de sensores, la relación señal/ruido es otra medida importante. Si bien los fotodetectores tienen muchas fuentes de ruido, una fuente principal es el ruido térmico debido al movimiento aleatorio de las cargas a medida que fluyen a través de un sólido [9, p. 220]. Para mitigar el ruido térmico en los fotodetectores utilizados para detectar señales muy débiles, los detectores se enfrían con dispositivos termoeléctricos o utilizando nitrógeno líquido. Una medida relacionada con la relación señal/ruido es la potencia equivalente al ruido. Se define como la potencia óptica en vatios que produce una relación señal/ruido de uno [82].

Otra medida de un fotodetector es la detectividad, denotada\(D*\), en unidades\(\frac{cm \cdot (Hz^{1/2} )}{W}\). Es una medida de la intensidad de la salida asumiendo una entrada óptica de un vatio. Por definición, es igual a la raíz cuadrada del área del sensor multiplicado por el ancho de banda bajo consideración dividido por la potencia equivalente al ruido [82] [83, p. 654].

\[D* = \frac{\sqrt{\text{Area} \cdot \text{Bandwidth}}}{\text{Noise Equivalent Power}} \nonumber \]

La figura\(\PageIndex{1}\) muestra la detectividad frente a la longitud de onda para detectores ópticos hechos de varios semiconductores.

Los fotodetectores también se caracterizan por sus tiempos de respuesta. El tiempo de respuesta se define como el tiempo necesario para que un fotodetector responda a una entrada óptica escalonada [82]. Los tiempos de respuesta típicos pueden variar de picosegundos a milisegundos [83, p. 656]. Puede haber una compensación entre el tiempo de respuesta y la sensibilidad, por lo que algunos detectores están diseñados para un funcionamiento rápido mientras que otros están diseñados para mayor sensibilidad [9, p. 220].

Figura\(\PageIndex{1}\): Respuesta espectral de una variedad de fotodetectores. Esta figura se utiliza con permiso de Hamamatsu [82].