Tipos de fotodetectores

En principio, el tipo más sencillo de detector corresponde a la unión p-n (fotodiodo) de un semiconductor cuyo intervalo de energía entre las bandas de valencia y conducción es pequeño, lo que permitirá que un fotón que incida en la unión tenga suficiente energía para permitir la creación de un par electrón-hueco. Ambos portadores circularán en sentidos opuestos, creando una fotocorriente sobre el circuito externo. Hay, sin embargo, tres problemas asociados a este proceso de fotodetección. Primero, no todos los fotones incidentes son absorbidos: además de la luz reflejada en la cara del fotodetector, que se pierde, sólo una fracción del flujo que llega a penetrar será absorbida. Segundo, incluso considerando el flujo realmente absorbido, no todos los pares electrón-hueco llegan a incorporararse a la corriente externa del dispositivo. Y tercero, un fotodiodo optimizado en cuanto a las dos consideraciones previas puede tener mal comportamiento en altas frecuencias y por tanto, un ancho de banda muy limitado [4].

Existen muchos fotodetectores que pueden ser usados en sistemas de comunicaciones por fibra óptica (Figura 3.16); sin embargo, hay dos a los que se recurre más por los diseñadores de estos sistemas debido a la respuesta espectral con la que trabajan.

Figura 3.16. Respuesta espectral de distintos fotodiodos.

3.4.2.1 Detectores PIN

La dificultades presentadas para un detector simple p-n, pueden ser solventadas introduciendo una capa semi-aislante y de alta resistividad en la región activa (ahora llamada intrínseca) entre las regiones p y n del fotodiodo anterior. Esta nueva estructura es la que se denomina fotodiodo PIN y aparece en la Figura 3.17 [11]. Si a un dispositivo como éste se le aplica una tensión de polarización en inversa, la región intrínseca se vacía totalmente de portadores y se genera un alto valor de campo eléctrico. El campo impulsa a los portadores generados hacia afuera con pocas o ninguna recombinaciones, debido a la gran aceleración que les imprime por efecto de su alto valor. La generación de portadores fuera de esta zona y su posterior difusión puede, sin embargo, ocasionar pérdidas por recombinación, afectando al tiempo de respuesta del detector e influyendo en el ancho de banda máximo admisible. Su ancho de banda queda limitado por el tiempo empleado por las cargas en atravesar la región de absorción y es proporcional a la velocidad de los portadores en la misma [14].

Figura 3.17. (a) Estructura y campo eléctrico en un fotodiodo PIN. (b) Curva característica de corriente- voltaje (como parámetro la potencia óptica incidente).

La Tabla 3.1 enlista las características de operación de tres fotodiodos PIN comunes [2]. La responsividad es la razón de la corriente de salida del detector a su potencia óptica de entrada. Aún cuando no hay potencia óptica presente, una pequeña corriente inversa fluye a través del diodo cuando se haya polarizado inversamente; esta es la llamada corriente de oscuridad ID. La

corriente de oscuridad es causada por la generación térmica de portadores de carga libres en el diodo. Por ser de origen térmico, se incrementa rápidamente con el aumento de temperatura. La saturación, se refiere al estado de operación donde la potencia óptica de entrada es mayor que la corriente de salida y el voltaje no puede seguir la entrada de forma lineal. Cuando el diodo está saturado, el detector responde a los cambios de entrada óptica un poco más lentamente, provocando distorsiones de la señal y disminuyendo los tiempos de respuesta en el receptor, limitando su ancho de banda. Por otra parte, la velocidad de respuesta de un fotodetector está limitada por lo que se denomina el tiempo de transición, que es el tiempo que le toma a los portadores de carga libres recombinarse. El tiempo de subida es el tiempo para que la corriente de salida del detector cambie de un 10% a un 90% del valor máximo de la señal observada.

Tabla 3.1. Características de fotodiodos PIN comunes.

Parámetro Unidades Si Ge InGaAs

Longitud de onda m 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7 Responsividad A/W 0.4-0.6 0.5-0.7 0.6-0.9 Rendimiento cuántico % 75-90 50-55 60-70 Corriente de oscuridad nA 1-10 50-500 1-20 Tiempo de subida ns 0.5-1 0.1-0.5 0.02-0.5 Ancho de banda GHz 0.3-0.6 0.5-3 1-10 Voltaje de polarización V 50-100 6-10 5-6 3.4.2.2 Detectores APD

Un fotodiodo de avalancha (APD) es un simple detector PIN con ganancia. Estos detectores funcionan según el principio de avalancha electrónica, polarizando inversamente un diodo de unión p-n en un punto cercano al de la ruptura de unión. El elevado campo eléctrico producido por la tensión aplicada da lugar a que los electrones y huecos generados en la colisión fotónica generen nuevos portadores por efecto de la alta energía cinética adquirida en el campo eléctrico; esto es, el impacto de un electrón originado en la zona intrínseca con otro electrón hará que este último pase de la banda de valencia a la de conducción al transferirle aquel su energía. En esas condiciones, podrán obtenerse ganancias superiores a 100 [14]. La configuración más simple para estos fotodiodos puede verse en la Figura 3.18, así como la distribución de campo que aparece en su interior. El dispositivo está configurado por dos capas externas n y p, entre las que aparecen ahora dos nuevas zonas. Una con características casi intrínsecas o con un dopaje muy leve donde se absorben los fotones y el campo es muy reducido, y otra que posee una resistividad muy alta en la que aparece el campo intenso. Esta diferencia entre zonas puede hacerse bien por variación en el nivel de dopaje o por las composiciones de los materiales que lo constituyen.

Figura 3.17. (a) Estructura y campo eléctrico en un fotodiodo APD. (b) Curva característica de corriente- voltaje (como parámetro la potencia óptica incidente).

Los fotodiodos APD son 10 veces más sensibles que los diodos PIN y requieren de menos amplificación adicional; poseen velocidades de respuesta mayores y por lo tanto permiten la transmisión de mayores tasas de información. Su desventaja radica en que los tiempos de transición son muy largos y su vida útil es muy corta. La Tabla 3.2 compara algunas de las características de operación de detectores APD de Si, Ge e InGaAs comúnmente utilizados [2].

Tabla 3.2. Características de fotodiodos APD comunes.

Parámetro Unidades Si Ge InGaAs

Longitud de onda m 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7 Responsividad A/W 80-130 3-30 5-20 Ganancia - 100-500 50-200 10-40 Corriente de oscuridad nA 0.1-1 50-500 1-5 Tiempo de subida ns 0.1-2 0.5-0.8 0.1-0.5 Ancho de banda GHz 0.2-1 0.4-0.7 1-10 Voltaje de alimentación V 200-250 20-40 20-30