Este documento describe la historia y tipos de fotodetectores semiconductores, incluyendo sus características y funcionamiento. Explica que los fotodetectores generan una respuesta eléctrica al interactuar con la luz y se fabrican principalmente con materiales semiconductores. También cubre conceptos como eficiencia cuántica, coeficiente de absorción, fotodiodos, fototransistores y más.

1. Fotodetectores
semiconductores
Mauricio López
Estado Solido
Ciencias de los Materiales

2. Contenido
• Historia
• Fotodetectores
• Caracteristicas
• Funcionamiento
• Formación de un fotodetector
• Tipos de fotodetectores

3. Historia
• En 1907 fenómeno de la electroluminiscencia descubierto
por el británico Henry Joseph Round, el cual uso un detector
de bigotes de gato.
• Posteriormente fueron sustitutidas por válvula termoiónica,
también llamada válvula electrónica, válvula de vacío, tubo
de vacío o bulbo. Un componente electrónico usado para
amplificar.
• Luego la invención de los diodos dio el punto de partida para
los fotodiodos son por lo general de tipo PIN (mas sensibles
a la luz.
• Un fotodiodo puede usarse en celdas solares,
en fotometría o en comunicación óptica.
Un alambre que hace contacto con
un cristal detector semiconductor.

4. Fotodetectores
• Los fotodetectores son transductores los cuales generan una
respuesta eléctrica al tener alguna interacción con la luz. Se fabrican
principalmente con materiales semiconductores.
• Los fotodectores más utilizados para la detección de radiación infrarroja y visible,
son el diodo de unión pn, fotodiodos pin, fotodiodos de avalancha y
fotoconductores.
• Algunos están basados en el efecto fotoeléctrico.
Fotoconductividad
Efecto fotovoltaico
Selenio

5. Características de los Fotodetectores
• Respuesta espectral: se relaciona con la cantidad de corriente producida con cada
longitud de onda de la misma intensidad luminosa.
• Fotosensitividad: es el cociente de la energía luminosa (en Watts) incidente en el
dispositivo con la corriente resultante (en Amperes).
• Eficiencia de quantum: es el numero de pares electrones-hueco generados
(corriente) divididos por el numero de fotones.
• Corriente de oscuridad: es el flujo de corriente que hay en el fotodiodo en
ausencia de luz (oscuridad), cuando el fotodiodo esta polarizado inversamente.
• Tiempo de transito: es el tiempo que le toma a una portadora de luz inducida
recorrer el área de agotamiento del fotodiodo. Este parámetro determina la tasa
de bits máxima a la cual el fotodiodo funciona correctamente.
• Respuesta espectral: este parámetro indica las longitudes de onda a las cuales el
fotodiodo absorbe eficientemente energía de las señales luminosas recibidas.

6. Responsividad de un detector
• Cuando la energía ℎ𝑣 𝑝𝑖 > 𝐸𝑔, se genera un par electrón-hueco. La
responsividad (R) de un fotodetector está dada en términos de la
fotocorriente 𝐼 𝑝 generada por la potencia óptica incidente 𝑃𝑖𝑛 de
determinada λ.
𝐼 𝑝 = 𝑅𝑃𝑖𝑛

7. Eficiencia cuántica ɳ
• La eficiencia del proceso de conversión de fotones a pares electrón-hueco
es conocida como eficiencia cuántica ɳ.
ɳ =
𝐼 𝑝
𝑒
𝑃𝑖𝑛
ℎ𝑣
=
ℎ𝑣
𝑒
𝑅
• La responsividad se puede expresar en términos de eficiencia cuántica.
𝑅 =
ɳ𝑒
ℎ𝑣
=
ɳλ
1,24
• La responsividad aumenta con λ (micrómetros) porque hay mas fotones
incidentes para la misma potencia óptica esta relación solo se da para
determinadas longitudes de onda.

8. Coeficiente de absorción
• El proceso fundamental detrás de la fotodetección es la absorción óptica.
• La intensidad de la luz 𝐼 a una distancia 𝑥 de la superficie del semiconductor está dada por:
𝐼 𝑥 = 𝐼𝑖𝑛 𝑒𝑥𝑝(−𝛼𝑥)
Donde:
𝐼𝑖𝑛=intensidad de la radiación incidente.
𝛼= coeficiente de absorción es una propiedad del material, depende de ℎ𝑣 𝑝𝑖 y λ.
La mayoría de los fotones absorbidos (63%)
ocurre a una distancia 1/𝛼 y esta distancia es
llamada la profundidad de penetración.
𝛼 para distintas λ

9. Procesos de absorción óptica fundamentales
• Cuando el fotodetector es iluminado se genera un proceso en el cual
los electrones de la banda de valencia pasan a la banda de
conducción (absorción intrínseca), este proceso se da si ℎ𝑣 𝑝𝑖 => 𝐸𝑔.
• Existen dos tipos de transiciones asociados con el proceso de
absorción fundamental.
Transiciones directas
𝛼 ∝ (ℎ𝑣 − 𝐸 𝑔) 1/2 𝛼 ∝ (ℎ𝑣 − 𝐸 𝑔 ± 𝐸 𝑝ℎ) 1/2
Transiciones indirectas

10. Crecimiento epitaxial por M.B.E.
• Esta técnica permite crecer tanto materiales semiconductores como
conductores y asilantes a velocidades relativamente lentas 1 um/h.
también es posible el dopaje de materiales cristalinos que integran el
crecimiento.

11. Fotodiodo
• El fotodiodo PIN es el detector mas utilizado en los sistemas de
comunicación.
• Lo componen básicamente dos zonas P y N altamente conductivas
junto a una zona intrínseca poco conductiva.

12. Fototransistores
• El principio de funcionamiento es el mismo que el del fotodiodo
• A diferencia que el fotodiodo, tenemos un efecto amplificador.

13. Fotodiodo de avalancha APD
• Los fotodiodos ADP son estructuras PIN
operados bajo un elevado voltaje de
polarización.
Alto voltaje en inversa
Emisión secundaria (avalancha)
Mayor sensibilidad (eficiencia cuántica)

14. Fibra óptica
• La fibra óptica se engloba dentro de una categoría de componentes denominados “guías de
onda”.
• La función de las guías de onda en un sistema optoelectrónico es la conducción de la onda
luminosa de un lugar a otro.
• Para conducir la onda electromagnética es necesario confinarla en la guía de onda.
• Se hace variar el índice de refracción en la guía de onda para que se quede confinada dentro de la
guía.
• Las guías de onda se componen de un núcleo con un índice de refracción y un recubrimiento con
otro índice de refracción distinto, de esta forma la luz es confinada en su interior.
• La fibra óptica es una guía de onda con sección circular

15. Fotomultiplicador a un tipo de detector óptico de vacío que
aprovecha el efecto de emisión secundaria de electrones para
responder a niveles muy bajos de iluminación, manteniendo un
nivel de ruido aceptable.
Dispositivo de carga acoplada conocido también como CCD es
un circuito integrado que contiene un número determinado de
condensadores enlazados o acoplados
En estas, el CCD es el sensor con
diminutas células fotoeléctricas
que registran la imagen
Sensor CMOS un sensor de píxeles activosEstá formado por
numerosos fotositos, uno para cada píxel, que producen una
corriente eléctrica que varía en función de la intensidad de luz
recibida.
Adiferencia del CCD se incorpora
un amplificador de la señal
eléctrica en cada fotosito y es
común incluir el conversor digital
en el propio chip.
Célula fotoeléctrica es un dispositivo electrónico que
permite transformar la energía lumínica (fotones) en
energía eléctrica (flujo de electrones libres)
Al grupo de células
fotoeléctricas para energía
solar se le conoce como
panel fotovoltaico

16. Bibliografía
• D. Álvaro De Guzmán, desarrollo de fotodetectores bi-color de infrarrojos
con posos cuánticos de GaAs/AlGaAs, Tesis Doctoral, Universidad
Politécnica de Madrid,Marzo de 2000.
• http://materias.df.uba.ar/labo5a2016c1/files/2013/09/fotodetectores.pdf
• http://www.geocities.ws/curso_tecnologia_electronica/TemasTE2/TE2-
T05C.pdf
• http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/ledesma_e_ro/ca
pitulo2.pdf
• http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/20426/Capitulo3.pdf
• http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/jspui/bitstream/132.248.52.100/900
/7/A7.pdf