FOTODETECTORES DE SEMICONDUCTORES

FOTODETECTORES DE SEMICONDUCTORES

Shive se unió a Bell Telephone Laboratories en 1939. Inicialmente trabajó en investigación física, desarrollo de dispositivos y más tarde en capacitación y educación. En consecuencia, Shive estaba trabajando en el desarrollo de transistores. Descubrió que los contactos puntuales de tungsteno chapados en oro en una capa de germanio tipo p cultivada en un sustrato de tipo n mostraron un "efecto triodo tremendo". Esto sucedió el 30 de enero de 1948. El 13 de febrero de 1948, él también descubrió que un transistor que consistía en contactos de bronce en la superficie de un sustrato de tipo n sin una capa p dio "ganancias de hasta 40x de potencia". Intentó aprovechar este descubrimiento para construir un transistor de contacto de punto con contacto de bronce en el delante y detrás de una fina cuña de germanio, lo que demuestra que los agujeros podrían difundirse a través de germanio a granel y no solo a lo largo de la superficie como se creía anteriormente. Esto tal vez confirmó la idea de William Shockley de que hasta entonces había mantenido en secreto al resto del equipo. La idea secreta era que era posible construir un transistor de unión. Más tarde, Shockley anunció que los esfuerzos y el trabajo del equipo eran una "mezcla de cooperación y competencia". Además, también admitió que había mantenido parte de su propio trabajo en secreto hasta que su mano fue forzada por los avances de Shive en 1948.

Fue en el mismo año de 1948 que Shive usó un haz de luz en lugar de un cable como el emisor de un transistor de contacto puntual, generando agujeros que fluyen hacia el colector; y este dispositivo más tarde fue nombrado como fototransistor. Sin embargo, esta invención no fue anunciada por los Laboratorios Bell hasta el año 1950. La invención incorpora el sistema de discado directo a distancia de todo el país. Por lo tanto, Shive inventó los fototransistores cuando estaba trabajando en el desarrollo de dispositivos similares a transistores.

Como se mencionó anteriormente, Bell Telephone Laboratories anunció la invención de los fototransistores por John N. Shive el 30 de marzo de 1950. De hecho, Bell estaba orgulloso de la invención y mencionó que un tipo completamente nuevo de "ojo eléctrico" que era más pequeño y más robustas que las células fotoeléctricas existentes y posiblemente mucho más baratas habían sido inventadas en los Laboratorios. Hasta la invención de los fototransistores, los ojos eléctricos se usaban en gran medida en la electrónica por su capacidad de controlar las corrientes eléctricas mediante la acción de la luz. Un tipo de ojos eléctricos que sabe un lego es el que se usa para abrir y cerrar puertas automáticamente; sin embargo, tales dispositivos tenían muchos otros usos notables en películas sonoras, televisión, fotos de cables y mucho más en la industria.

La ventaja clave del ojo eléctrico inventado por Shive, el fototransistor, era que proporcionaba una potencia muy alta para un dispositivo fotoeléctrico; en algunos casos, generó una potencia masiva que fue suficiente para operar un interruptor directamente sin la amplificación inicial que normalmente se requería. Todo el aparato del fototransistor estaba alojado en un pequeño cilindro que era tan grande como un cartucho de rifle de calibre 22. Al igual que el transistor, no tenía envoltura de vidrio, vacío, cuadrícula, placa o cátodo caliente.

Cuando Bell Telephone Laboratories anunció su invención, el fototransistor todavía estaba en la etapa experimental; Los científicos e ingenieros del laboratorio creen que después del desarrollo esencial, los fototransistores tendrán una gran importancia en el campo de la electrónica y la comunicación electrónica. También fueron claros en el punto de que no se espera que un fototransistor reemplace las células fotoeléctricas existentes. Sin embargo, debido a su pequeño tamaño y larga vida esperada, así como a su bajo costo, podría resultar razonablemente en una producción en masa y, con el tiempo, se esperaba que los fototransistores encontraran muchas aplicaciones.

Durante el anuncio de la invención en sí, se tuvieron en cuenta, por ejemplo, utilizarlos en una máquina en desarrollo para el marcado de peaje, un plan según el cual un operador de telefonía marca directamente un teléfono en una ciudad distante.

Los fotodiodos se basan en el proceso de absorción estimulada de fotones. Al incidir un fotón sobre el semiconductor, tal que su energía (E fotón = h·f) es superior a la energía del gap (Eg), éste es absorbido generándose un par electrón-hueco. Debido al campo eléctrico establecido por la tensión aplicada en el circuito, los electrones y huecos se ponen en circulación dando lugar a una corriente eléctrica. Al tener el fotodiodo polarizado en inversa el campo eléctrico interno es más intenso, por tanto la aceleración que experimentan los pares electrones-huecos es mayor, y la respuesta del fotodiodo ante variaciones de la potencia óptica es mejor.

Responsividad parámetro, cuyas unidades son A/W, representa la capacidad del fotodiodo de generar pares electrón-hueco por la incidencia de una señal óptica.

La eficiencia cuántica es una cantidad definida para un dispositivo fotosensible como la película fotográfica o un CCD como el porcentaje de fotones que chocan con la superficie fotorreactiva que producirá un par electrón-hueco. Es una medida precisa de la sensibilidad del dispositivo. A menudo se mide sobre un rango de diferentes longitudes de onda para caracterizar la eficiencia del dispositivo a cada energía. La película fotográfica tiene típicamente una eficiencia cuántica de menos del 10%, mientras los CCDs pueden tener una eficiencia cuántica sobre 90% en algunas longitudes de onda.

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Se define el tiempo de subida del fotodetector , Tr , como el intervalo de tiempo transcurrido desde que la corriente, I p , aumenta desde el 10% hasta el 90% de su valor final ante una variación abrupta de la potencia óptica incidente. Este intervalo de tiempo desde la llega de un pulso de luz al fotodiodo y la aparición de la corriente se debe al tiempo que tardan los electrones y huecos generados por la absorción de los fotones en salir del fotodiodo al circuito.

Un fotodiodo es una unión PN o estructura P-I-N. Cuando un haz de luz de suficiente energía incide en el diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente.

Los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama polarización directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no lo permite en el inverso. En el fotodiodo la corriente (que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz. En ausencia de luz la corriente presente es muy pequeña y recibe el nombre de corriente de oscuridad.

Los fotodiodos de avalancha (APDs) son fotodetectores que se pueden considerar como el equivalente semiconductor de los fotomultiplicadores. Aplicando un alto voltaje en inversa (típicamente 100-200 V en silicio), los APD muestran un efecto interno de ganancia de corriente (aproximadamente 100) debido a la ionización de impacto (Efecto avalancha). Sin embargo, algunos APD de silicio emplean un dopaje alternativo y otras técnicas que permiten aplicar un voltaje mayor (> 1500 V) antes de alcanzar el efecto de avalancha y, por tanto, una ganancia mayor (> 1000). En general, cuanto mayor es el voltaje en inversa, mayor es la ganancia.

Si se requiere una ganancia muy alta (de 105 a 106), algunos APDs pueden operar con una tensión en inversa por encima de la tensión de ruptura. En este caso, el APD necesita tener la corriente limitada y disminuida rápidamente. Se han utilizado técnicas activas y pasivas de control de intensidad con este propósito. Los APD que operan en este régimen de ganancia están en modo Geiger. Este modo es particularmente útil para la detección de fotones aislados suponiendo que la corriente de oscuridad sea lo suficientemente baja. Formando una matriz con centenares o miles de APDs se construye un fotomultiplicador de silicio.

Los fototransistores combinan en un mismo dispositivo la detección de luz y la ganancia. Su construcción es similar a la de los transistores convencionales, excepto que la superficie superior se expone a la luz a través de una ventana o lente. Los fotones incidentes generan pares electrón-hueco en la proximidad de la gran unión CB. Las tensiones de polarización inversa de la unión CB, llevan los huecos a la superficie de la base y los electrones al colector. La unión BE polarizada directamente, hace que los huecos circulen de base a emisor mientras que los electrones fluyen del emisor a la base. En este punto la acción convencional del transistor se lleva a cabo con los electrones inyectados del emisor cruzando la pequeña región de la base y alcanzando el colector que es más positivo. Este flujo de electrones constituye una corriente de colector inducida por la luz. Los pares electrón-hueco fotoinducidos contribuyen a la corriente de base y si el fototransistor se conecta en configuración de emisor común, la corriente de base inducida por la luz, aparece como corriente de colector multiplicada por β ó hfe. El fototransistor no es muy diferente a un transistor normal, es decir, está compuesto por el mismo material semiconductor, tienen dos junturas y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera diferencia evidente es en su cápsula, que posee una ventana o es totalmente transparente, para dejar que la luz ingrese hasta las junturas de la pastilla semiconductora y produzca el efecto fotoeléctrico.

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