Fotodetector

La definición básica de un fotodetector radica en su funcionamiento como transductor de luz que proporciona una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica que incide sobre la superficie sensora.

Existen dos tipos fundamentales de detectores de luz, los térmicos y los fotónicos que operan con mecanismos de transducción diferentes.

Los detectores térmicos absorben (detectan) la energía de los fotones incidentes en forma de calor con lo que se produce un incremento en la temperatura del elemento sensor que implica también un cambio en sus propiedades eléctricas como por ejemplo la resistencia. El cambio en esta propiedad eléctrica en función del flujo radiante recibido es lo que permite su medida a través de un circuito exterior. La mayoría de esta clase de fotodetectores son bastante ineficientes y relativamente lentos como resultado del tiempo requerido para cambiar su temperatura, lo que les hace inadecuados para la mayor parte de las aplicaciones fotónicas.

Los detectores fotónicos no utilizan la energía del fotón en forma de calor, sino que la invierten en incrementar la energía de sus portadores de carga, con lo que se modifican las propiedades de conducción eléctrica de los sistemas detectores en función del flujo de fotones recibido.

Este proceso de conversión implica la transformación de los fotones incidentes en electrones, pero esta respuesta simple no tendría ninguna relevancia si esos electrones no se ponen en movimiento para generar una corriente, que es la magnitud que realmente podemos medir, para ello en ocasiones hay que aplicar un campo eléctrico, dando lugar a un esquema como el de la figura 4.1. Dado su origen, la corriente así generada recibe el nombre de fotocorriente. Es a esta clase de detectores a la que nos vamos a dedicar en este tema.

2.1. Eficiencia cuántica ( 0 <= η <= 1 )

Se define como la probabilidad de que un fotón incidente sobre el dispositivo genere un par de portadores que contribuyen a la corriente del detector. Dado que en general tendremos una elevada cantidad de fotones incidiendo sobre la superficie del detector, podemos escribir la eficiencia cuántica como

(4.2.1)

No todos los fotones incidentes generan portadores que contribuyan a la fotocorriente, los efectos de reflexión en la superficie, transparencia del material a los fotones de energía inferior a la del gap de energía prohibida del mismo, la probabilidad de absorción cerca de la superficie del dispositivo y la rápida recombinación de portadores en este caso por la abundancia de defectos, hace que la eficiencia cuántica se reduzca. Si tenemos en cuenta estos factores, la eficiencia cuántica total vendrá dada por

(4.2.2)

En la expresión (4.2.2), aparecen tres términos diferentes que afectan a al eficiencia cuántica. El primero da cuenta de los efectos de reflexión en la superficie del dispositivo, es decir, de todos los fotones incidentes una fracción no penetra en el material. El segundo término (ξ ) hace referencia a la fracción de los fotones incidentes que penetran en el material generando pares eh y que evitan la recombinación superficial de portadores de carga, con lo que contribuyen a la generación de corriente útil. El problema de la recombinación superficial puede minimizarse si se realiza un crecimiento cuidadoso de los cristales que forman los dispositivos. Finalmente, aparece un término que da cuenta de la fracción de fotones absorbidos en el material masivo. Aparecen parámetros tales como el coeficiente de absorción del material (α[cm1]) y la profundidad del fotodetector (d [cm]). La obtención de este término tiene en cuenta el flujo de fotones incidente Φo y los absorbidos en función de la capacidad de absorción del material (figura 4.3). Si tenemos en cuenta la expresión de los fotones absorbidos

(4.2.3)

es fácilmente deducible el tercer término de la expresión (4.2.2).

En la figura 4.2 puede verse una representación esquemática de todos los fenómenos que intervienen en el valor final del factor de la eficiencia cuántica.

Fig. 4.2 Factores que intervienen en la eficiencia cuántica de un fotodetector

Debemos notar que el coeficiente de absorción en la ecuación (4.2.2) depende de la longitud de onda. Este es uno de los factores principales por los que la eficiencia cuántica del dispositivo que utilicemos dependerá también de la longitud de onda. Esta circunstancia da lugar a la necesidad

...