DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS

DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS

OBJETIVO GENERAL

Conocer los diferentes tipos de dispositivos optoelectronicos

INTRODUCCION

dispositivos opto-electrónicos, es decir dispositivos que convierten señales ópticas en señales electrónicas, o viceversa.

Los dispositivos son los siguientes:

• Fotodetectores: □ Fotodiodo

□ Fotodiodo PIN

□ Fotodiodo de Avalancha

□ Fototransistor

□ Fotoacoplador

□ Fotoresistencia (LDR)

• Celda Fotoeléctrica o Fotovoltaica

• Sensores de Imagen: □ Sensor CCD

□ Sensor CMOS

• Dispositivos generadores de Luz: □ Diodo emisor de Luz (LED)

□ Diodo láser

• Displays LCD

Características de los principales dispositivos

Fotodiodo

Un fotodiodo es un diodo PN construido de modo tal que la luz pueda alcanzar la juntura PN y generar portadores debido al efecto fotoeléctrico. De este modo, se producirá una corriente eléctrica proporcional a la luz incidente.

El símbolo del fotodiodo se ilustra en la Fig. 1. Fig. 1

Al polarizar inversamente el fotodiodo la corriente generada ópticamente puede ser fácilmente detectada, ya que su magnitud es superior a la corriente de fuga inversa del diodo. En este contexto, la corriente de fuga inversa del diodo, que está presente aún en ausencia de luz, se denomina “corriente de oscuridad”.

El material empleado en la fabricación del fotodiodo define sus propiedades de absorción de luz, según se aprecia en la siguiente Tabla:

Material Longitud de onda (nm)

Silicio

190–1100

Germanio

800–1700

Indio galio arsénico (InGaAs)

800–2600

sulfuro de plomo

1000-3500

Diodo PIN

Un diodo PIN es un diodo con una región ancha de semiconductor intrínseco entre las zonas tipo P y tipo N. El diodo PIN obedece la ecuación del diodo de juntura PN solamente para señales muy lentas. A altas frecuencias el diodo PIN se asemeja a un resistor casi ideal, incluso para señales mucho mayores a 28mVpp.

En un diodo PIN la región de vaciamiento se extiende casi exclusivamente dentro de la región intrínseca debido al “efecto de juntura asimétrica”. Esta zona de vaciamiento es además mucho más grande que en un diodo PN y básicamente constante en tamaño, independientemente de la polarización aplicada al diodo. Esto implica que el diodo PIN tiene una mayor área en la cual se pueden generar los pares electrón hueco debido al efecto fotoeléctrico. Por esta razón, y debido a su alta velocidad de respuesta, muchas veces se utilizan fotodetectores PIN para aplicaciones optoelectrónicas.

Fotodiodo de avalancha

Los fotodiodos de avalancha (APD, Avalanche Photodiode) son fotodetectores especialmente diseñados para medir luz de muy baja intensidad. En los APD la luz externa incide en una zona intrínseca, generando portadores libres, al igual que en un fotodiodo PIN. Pero estos portadores son luego acelerados por un campo eléctrico muy intenso, provocando un efecto de “avalancha” debido al cual cada portador original es acelerado y al chocar con la red provoca la creación de nuevos portadores. El voltaje de polarización inversa es típicamente de 100-200 V y la ganancia por efecto de avalancha es del orden 100 veces.

Algunos APD de silicio emplean un dopaje alternativo y otras técnicas que permiten aplicar un voltaje mayor (>1500V) 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. 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; literalmente, esto implica “contar fotones”.

Debido a su alta sensibilidad (mucho mayor al fotodiodo PIN) y a su elevada velocidad de respuesta, algunas aplicaciones típicas de los APD son el telémetro laser, la telecomunicación de larga distancia por fibra óptica. Sin embargo, el alto costo de los fotodiodos APD es un factor limitante en su uso.

Fototransistor

Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.

En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.

Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc. Para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar fotodetectores PIN.

Fotoacoplador

Un optoacoplador, es un dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona como un interruptor excitado mediante la luz. La luz es emitida por un diodo LED que satura a un fototransistor. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se suelen utilizar como medio de protección para dispositivos muy sensibles.

En la se muestra muestra un optoacoplador 4N35 formado por un LED y un fototransistor. La tensión de la fuente de la izquierda y la resistencia en serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1. Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el fototransistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.

Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada. De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida.

La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.

Fotoresistencia

Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas (LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor.

Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia.

Un dispositivo fotoeléctrico puede ser intrínseco o extrínseco. En dispositivos intrínsecos el fotón debe tener bastante energía (longitud de onda corta) para excitar a los electrones. Los dispositivos extrínsecos tienen impurezas agregadas, que permiten que fotones con menor energía (es decir, de mayor longitud de onda) provoquen variaciones en la resistencia del dispositivo.

Se fabrican de diversos tipos. Se pueden encontrar células baratas de sulfuro del cadmio en muchos artículos de consumo, por ejemplo cámara fotográfica, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad y sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles en función de la luz ambiente.

Celda Fotoeléctrica o Fotovoltaica

La celda fotoeléctrica se utiliza generalmente como parte constitutiva de un panel solar, o como un componente central del circuito de recarga de las baterías de calculadoras y relojes.

La eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente (producidas a partir de silicio monocristalino) está alrededor del 11-12%, pero según la tecnología utilizada varía desde el 6% de las células de silicio amorfo hasta el 14-19% de las células de silicio policristalino. También existen Las células multicapa, normalmente de Arseniuro de Galio, que alcanzan eficiencias del 30%. En laboratorio se ha superado el 42% con nuevos paneles experimentales.

La vida útil media a máximo rendimiento se sitúa en torno a los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye.

Al grupo de células fotoeléctricas para energía solar se le conoce como panel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos consisten en una red de células solares conectadas como circuito en serie para aumentar la tensión de

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