Sistemas de detección de luz: tipos
· DETECTOR: Sistema para transformar irradiancia (IR-Vis-UV) en señal eléctrica.
Cuánticos
(o fotónicos)
Térmicos
(Gp:) Termopar y termopila
(Gp:) Bolómetro y termistor
(Gp:) Detector piroeléctrico
(Gp:) Fotodiodo de vacío
(célula fotoeléctrica)
(Gp:) Fotomultiplicador
(Gp:) Fotoconductivo (Fotorr. sc)
(Gp:) Fotodetectores de unión pn
(Gp:) Detector fotovoltaico
(Gp:) Fotodiodo pn y pin
(Gp:) Fotodiodo de avalancha
(Gp:) Efecto fotoel. “externo”
(Gp:) Efecto fotoel. “interno”
(Gp:) Otros
(imaging
detectors)
(Gp:) Ojo
(Gp:) Emulsión fotográfica
(Gp:) CCD, CMOS
Fotodiodo de vacío – Célula fotoeléctrica
· Un fotocátodo se recubre de material con e- externos poco ligados.
– Cátodo y ánodo están en vacío (en una ampolla de vidrio o cuarzo)
– La llegada de fotones con [hn] suficiente libera esos e-
– Se genera una corriente i en el circuito.
– Si Va es suficiente todos los e- son recogidos en el ánodo (saturación)
– En saturación: i ? I
– Se hace pasar esa corriente por una resistencia de carga RL
– La caída de potencial en RL nos da la medida de la irradiancia
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) RL
(Gp:) Va
(Gp:) I
(Gp:) Va
(Gp:) i
(Gp:) I3
(Gp:) I2
(Gp:) I1
· La dependencia con [hn] determina que se trate de un detector selectivo
Fotodiodo de vacío – Célula fotoeléctrica
· El más sencillo: fotocátodo semicilíndrico con ánodo en su eje (varilla).
– Responde a frecuencias de aprox. 108 Hz.
· El diodo biplanar usa V más altas.
– Es menos eficiente y más rápido (1010 Hz)
· El diodo se puede llenar de gas que se ioniza al paso de los e-. Se mejora la sensibilidad x10 y se pierde rapidez hasta aprox 103 Hz.
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) +
(Gp:) –
· Se tienen sensibilidades luminosas del orden de 50 mA/lm.
· Similar a un fotodiodo, con una amplificación interna de la corriente.
– También trabaja en régimen de saturación
– Las etapas intermedias (aprox. 10 dínodos) liberan varios e- al recibir un e-.
– Unos 100 volt/dínodo ? El conjunto suele superar el KV (fuente alta tensión)
– La ganancia es alta [106 – 1010] [¡CUIDADO!: Precauciones con la luz]
– Optimizado puede llegar a responder a frecuencias 108Hz.
[la respuesta es rápida (~ns), pero la dispersión del pulso nos limita (~20ns) ]
Fotodiodo de vacío – Fotomultiplicador
· La eficiencia cuántica máxima que alcanzan es muy alta (~ 0,2 – 0,3).
– El umbral de detección está en aprox. 10-15W
– La respuesta alcanza 106 A/W
– Es selectivo con l ? Respuesta en forma de curva
– La curva de eficiencia depende del material del fotocátodo)
Con un cátodo de Ag o de Cs presenta buena respuesta en el UV + Vis
– La detección en zonas de IR próximo requiere refrigeracion (agua ? Peltier)
Fotodiodo de vacío – Fotomultiplicador
· La fatiga es muy importante en estos detectores
– Hacen falta minutos (a veces horas) para estabilizar la respuesta.
– Para intensidades de luz más altas el tiempo de estabilización es ambién mayor.
· Volveremos a hablar de ello al hablar del ruido de detección
Fotoconductividad: Fotorresistencia semiconductora
· SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO:
Si Eg es suficiente : A T ambiente la BC está vacía
– Fotón con [hn] suficiente ? e- a BC
? h+ a BV
– Se genera corriente. Circuito con RL.
– No se alcanza IR, ni rojo siquiera.
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) RL
(Gp:) SC
(Gp:) VRL
(Gp:) [Irrad] ? ? RSC? ? VRL ?
· SEMICONDUCTOR DOPADO:
Se introducen niveles en el gap
donores (n) o aceptores (p)
– Problema: A T ambiente se producen e- en BC y h+ en BV ; Solución: Refrigerar
– Cuanto más IR se mide ? más pequeño kT ? más refrigerar
– Con Sulfuro de Pb o Sulfuro de Cd refrigerado se mide hasta l=3mm (T amb)
– También: Ge dopado con Au o Hg ; También SbIn; TePb
– Se llega a medir hasta l del orden de la fracción de mm (refrigerando a 77K)
– En general son detectores lentos. Rango de respuesta desde 10Hz hasta 106 Hz
Detector de unión p-n : 1º) Detector fotovoltaico
· Unión: Concentración de e- y h+ a los lados
– Sin aplicar campo externo hay un campo en la zona de recombinación.
– La irradiancia externa sobre la unión produce pares e- h+ en esa zona.
Esas cargas circulan debido al campo ? Corriente [EFECTO FOTOVOLTAICO]
Los campos producidos por la luz en esta configuración son de ~0,5V
– Suelen ser de Si o de Se
– Si es muy eficiente (células solares)
– Se trata de una configuración bastante lenta, aunque el AsGa es más rápido
Detector de unión p-n : 2º) Fotodiodo pn y pin
· La unión se coloca en un circuito en modo inverso
[ El V es desde unos pocos v hasta 50 v ]
– La zona de recombinación se ensancha
– Es la zona de recombinación en la que se genera corriente al llegar la luz
– Se puede ensanchar aún más introduciendo un sc intrínseco en medio
p-n ? p-i-n
– El circuito es como los anteriores: con una RL
– Estos detectores son bastante rápidos
– La sensibilidad está en aprox 10nW.
– La respuesta es de 0,6 A/W (aprox 1mA/lm)
– La respuesta es lineal desde 10-4 hasta 10-9 W
– Tipicamente responden en 1ns.
– Con InGaAs se ha conseguido (2006) hasta 10GHz
(Gp:) p
(Gp:) n
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) p
(Gp:) n
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) i
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) RL
(Gp:) n
(Gp:) VRL
(Gp:) p
· Los detectores pin han sido los más
usados en comunicaciones
(Gp:) · Detector fotovoltaico frente a fotodiodo
(Gp:) · Respuesta espectral
· Environmental monitoring
· Industrial and laboratory safety
· Industrial and residential lighting
· Art and museum maintenance
· Photography and film studios
· Clinical studies
– Una combinación de curva de sensibilidad adecuada y filtros puede conseguir imitar la curva de sensibilidad espectral del ojo humano
(Gp:) PMA 2130 Photopic Detector
· Curvas de sensibilidad específicas: fotómetro
– Según el fabricante…
Detector de unión p-n : 3º) Fotodiodo de avalancha (APD)
· Son fotodiodos en polarización inversa muy intensa
– Se aplican potenciales típicos del orden de 150 v
– Los e- se aceleran tanto que producen emisión secundaria de e- de la capa n
– Ese efecto de multiplicación produce altas corrientes ? rápidos y sensibles
– La eficiencia cuántica puede alcanzar el 90%
– Respuesta de hasta 100A/W
– Pero también son muy ruidosos y sensibles a la T.
(Gp:) p
(Gp:) n
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) i
(Gp:) +
(Gp:) –
(Gp:) RL
(Gp:) n
(Gp:) VRL
(Gp:) p
(Gp:) i
(Gp:) · Linealidad de la respuesta:
– Si Rpin?? ? i ? I
– Pero si Rpin~RL ? i ? I
– Introducimos una señal luminosa lineal:
(Gp:) I
(Gp:) t
– El control de la modulación informa
de la respuesta en frecuencias
(Gp:) VRL
(Gp:) t
(Gp:) Mal
(Gp:) VRL
(Gp:) t
(Gp:) Bien
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