Simulación del fotodiodo n-p de uso general.

En este apartado se va a seguir el mismo procedimiento que en los dos anteriores, buscando aproximar en este caso el comportamiento del fotodiodo n-p de propósito general IPL 10020BW o lo que es lo mismo RS 305-462. Su curva característica de fotocorriente se muestra en la figura 5.12b, y su correspondiente normalizada en Excel en la figura 5.14, que es la que se tiene que conseguir ajustar.

El proceso de simulación de su curva característica se va a desarrollar igual que en el apartado 5.3.2, ejecutando la simulación PSPICE del modelo del fotodiodo tipo

nwell-psub desarrollado en el capítulo 3.

Como en el apartado anterior ya se han comentado los efectos de las variaciones de los parámetros que permiten el ajuste de las curvas reales mediante este modelo, no se vuelven a explicar y se dejan simplemente indicadas las que se han realizado hasta conseguir una buena aproximación.

La primera simulación se lleva a cabo con los siguientes valores cambiados respecto a los que tienen por defecto en los archivos librería:

NA=1E15 cm-3, XJ=6E-4 cm.

LAMBDA Gen_purp_01 Gen_purp_01 (nm) (A) norm 400 1,365E-04 0,0983 450 2,215E-04 0,1595 500 3,462E-04 0,2492 550 5,182E-04 0,3731 600 7,314E-04 0,5266 650 9,615E-04 0,6922 700 1,171E-03 0,8431 750 1,324E-03 0,9532 800 1,389E-03 1 850 1,342E-03 0,9662 900 1,169E-03 0,8416 950 8,722E-04 0,6279 1000 4,998E-04 0,3598 1050 1,645E-04 0,1184 1100 3,774E-06 0,0027

Figura 5.33. Valores de la corriente y de la corriente normalizada para la primera simulación.

Realizando la curva de la fotocorriente normalizada respecto a la longitud de onda de esta primera simulación se obtiene la gráfica mostrada en la figura 5.34.

5. Simulación en PSPICE de fotodiodos reales 147

Figura 5.34. Gráfica de la corriente real del fotodiodo IPL10020BW y de la fotocorriente obtenida en la primera simulación Gen_purp_01.

Segunda simulación:

NA=1E14 cm-3, XJ=4E-4 cm.

LAMBDA Gen_purp_02 Gen_purp_02 (nm) (A) norm 400 2,068E-04 0,1283 450 3,308E-04 0,2052 500 5,007E-04 0,3106 550 7,108E-04 0,4409 600 9,431E-04 0,5850 650 1,175E-03 0,7289 700 1,382E-03 0,8573 750 1,537E-03 0,9535 800 1,612E-03 1 850 1,575E-03 0,9770 900 1,398E-03 0,8672 950 1,070E-03 0,6638 1000 6,312E-04 0,3916 1050 2,131E-04 0,1322 1100 4,946E-06 0,0031

Figura 5.35. Valores de la corriente y de la corriente normalizada para la segunda simulación. Fotodiodo de uso general IPL10020BW

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 IPL10020BW Gen_purp_01

PFC Modelización, simulación y caracterización de fotodiodos p-n y p-i-n

5. Simulación en PSPICE de fotodiodos reales 148

Figura 5.36. Gráfica de la corriente real del fotodiodo IPL10020BW y de la fotocorriente obtenida en la primera y segunda simulación, Gen_purp_01 y Gen_purp_02 respectivamente.

Tercera simulación:

NA=1E14 cm-3_{, XJ=3,5E-4 cm.}

LAMBDA Gen_purp_03 Gen_purp_03 (nm) (A) Norm 400 2,358E-04 0,1445 450 3,740E-04 0,2292 500 5,573E-04 0,3415 550 7,749E-04 0,4748 600 1,007E-03 0,6170 650 1,231E-03 0,7543 700 1,426E-03 0,8738 750 1,569E-03 0,9614 800 1,632E-03 1 850 1,584E-03 0,9706 900 1,400E-03 0,8578 950 1,068E-03 0,6544 1000 6,279E-04 0,3847 1050 2,115E-04 0,1296 1100 4,906E-06 0,0030

Figura 5.37. Valores de la corriente y de la corriente normalizada para la tercera simulación. Fotodiodo de uso general IPL10020BW

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 400 500 600 700 800 900 1000 1100

5. Simulación en PSPICE de fotodiodos reales 149

Figura 5.38. Gráfica de la corriente real del fotodiodo IPL10020BW y de la fotocorriente obtenida en la primera, segunda y tercera simulación, Gen_purp_01, Gen_purp_02 y Gen_purp_03 respectivamente.

En la figura 5.38 se observa como a medida que se van realizando las sucesivas simulaciones, las curvas obtenidas se van aproximando cada vez mejor a la real hasta llegar a la última Gen_purp_03 que se puede dar por buena ya que se asemeja mucho a la real.

En resumen, los datos finales con los que se ha llegado a esta última simulación son los siguientes, indicando solamente aquellos que han sufrido variación respecto a los valores que tenían por defecto en el archivo librería param.lib:

NA=1E14 cm-3 y XJ=3,5E-4 cm, valores que se encuentran dentro de los rangos válidos comentados anteriormente.

Por tanto se puede concluir que también en este caso el modelo PSPICE de un fotodiodo p-n, y más concretamente el del tipo nwell-psub expuesto en el capítulo 3, es

capaz de aproximar de forma correcta la respuesta de este fotodiodo real n-p

IPL10020BW de uso general.

Fotodiodo de uso general IPL10020BW

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Capítulo 6

6. Conclusiones 151

6. CONCLUSIONES

En este proyecto se han visto los aspectos más importantes relacionados con los fotodiodos tipo p-n y tipo p-i-n. Como se ha comentado el campo de los circuitos y dispositivos optoelectrónicos se está convirtiendo en la actualidad en una parte importante de los estudios de ingeniería. Por tanto la modelización, simulación y caracterización de los fotodiodos que se ha llevado a cabo en este proyecto es un paso más dentro de esta línea de estudio.

La principal misión de un fotodiodo es la conversión de energía luminosa en energía eléctrica. A partir de aquí se pueden estudiar diferentes efectos como por ejemplo la relación entre la corriente que genera y el rango del espectro de luz que es capaz de detectar, es decir, la respuesta espectral; las diferentes relaciones corriente- tensión aplicada; los niveles de potencia de disipación; las características de ruido; las respuestas en velocidad y en frecuencia,...

El comportamiento característico de un fotodiodo se suele medir a partir de su respuesta espectral, es decir, basándose en la dependencia de la corriente generada en función de la longitud de onda λ de la luz incidente. Son muchos los factores que influyen en ella, como la intensidad de la luz, el tipo del material semiconductor y su coeficiente de absorción α característico, la tensión de polarización aplicada VBIAS,...

De todos ellos y de su influencia en el comportamiento de los fotodiodos se ha tratado en el capítulo de fundamentos teóricos. En él además se ha llevado a cabo el desarrollo matemático de las ecuaciones que caracterizan todos estos parámetros y efectos, hasta llegar incluso a la obtención de un circuito equivalente para cada tipo de fotodiodo.

En este capítulo se han podido ver también las diferencias entre un fotodiodo p-n y un fotodiodo p-i-n debido principalmente a la existencia de la zona intrínseca en este último. La inclusión de esta región provoca que su eficiencia sea mucho mayor, es decir, permita que una mayor parte de la luz incidente sea absorbida y posteriormente convertida en corriente eléctrica, ya que su región de carga espacial es mucho más ancha.

A partir de todas las características físicas, ópticas y eléctricas de los fotodiodos

p-n y p-i-n vistas en la parte de fundamentos teóricos, se ha realizado el modelo PSPICE de cada uno de ellos. Esta modelización permite básicamente la posibilidad de

poder incluir esta clase de dispositivos en el análisis y simulación de circuitos electrónicos. Por ejemplo, este software PSPICE sólo acepta entradas en forma de tensiones y corrientes, y sólo produce salidas en forma también de tensiones y corrientes. Este hecho excluye en principio la simulación de cualquier circuito o dispositivo optoelectrónico, pero afortunadamente los fotodiodos producen una corriente de salida, lo que los hace parcialmente compatibles con el programa PSPICE.

PFC Modelización, simulación y caracterización de fotodiodos p-n y p-i-n

6. Conclusiones 152

Una vez realizados los modelos PSPICE se han ejecutado una serie de simulaciones para corroborar su validez. Estas simulaciones han permitido observar el comportamiento de los modelos al ir modificando los valores de sus parámetros. Se ha podido ver que efectivamente esos efectos producidos se correspondían con lo esperado según lo visto en la parte teórica. Esta modelización ofrece una serie de ventajas, incluyendo el hecho de que el estudio de estos dispositivos puede ser fácilmente extendido y puesto al alcance de todas aquellas personas o entidades que posean un simple ordenador o PC capaz de soportar el software PSPICE. Los modelos además pueden ser implementados para diferentes tipos de dispositivos ópticos, introduciendo igual que se ha hecho en este caso las expresiones analíticas de tensión y corriente que describan sus condiciones de operación típicas.

Pero para acabar de dar validez a estos modelos PSPICE era necesario poder aplicarlos a casos de fotodiodos reales. Para realizar este proceso se ha optado por dos opciones: la primera ha sido el ajuste mediante la simulación PSPICE de la medición experimental de la característica del fotodiodo IPL 10050CW. Para la obtención de su curva real se ha empleado un sistema de medida completo, incluyendo los aparatos idóneos, el circuito de medida y el software para el control del proceso y la adquisición de los datos. La segunda opción ha sido la de simular comportamientos de otros fotodiodos comercializados a partir de los datos obtenidos de sus hojas de características técnicas, BPX65, IPL 10020BW y 15mm2 (RS 194-076).

Para ambas opciones las simulaciones realizadas han llegado a aproximar con bastante exactitud las curvas reales, teniendo en cuenta los márgenes de error que pueden darse en la toma de datos y las pequeñas limitaciones que pueden tener los modelos matemáticos. Por tanto el buen ajuste obtenido mediante las simulaciones para la serie de fotodiodos reales seleccionados, ha permitido finalmente dar validez a los modelos propuestos.

En conclusión, el objetivo principal del proyecto que era la modelización, simulación y caracterización de fotodiodos p-n y p-i-n ha quedado cumplido. Además se ha conseguido utilizando para ello diversas de las variantes de estudio de las que se han hecho uso durante la carrera, aplicando tanto herramientas software como hardware. Se han realizado simulaciones con un programa de diseño y análisis de circuitos electrónicos, y se ha realizado el montaje físico de un circuito y de un sistema de medida para el estudio experimental de un dispositivo real. Todos estos procesos han completado el círculo de estudio sobre los fotodiodos p-n y p-i-n.

PFC Modelización, simulación y caracterización de fotodiodos p-n y p-i-n

Anexo A 154

Anexo A