Fotodiodo

Giovanni Marín

21/05/2022

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

No me intimido al nombrar a los semiconductores como entes que responden a estímulos externos de corriente, voltaje, temperatura o campo magnético entre muchos otros parámetros que estimulan al semiconductor a dar una respuesta medible en términos de variables físicas como: resistividad, efecto Hall, módulo de Young, termorresistencia y llegar al punto de provocar un flujo de corriente eléctrica, como es el caso de los dispositivos optoelectrónicos.

Las respuestas asociadas a un estímulo de incidencia de un haz de luz sobre un elemento metálico provoca una emisión de cargas eléctricas (electrones), pero cuando lo hace sobre una unión p-n de semiconductores, se activas diversos mecanismos optoelectrónicos que tienen una marcada diferencia en cuanto al comportamiento de las magnitudes físicas medibles y al mismo efecto óptico/eléctrico del dispositivo. Por ejemplo, un diodo emisor de luz (LED) es una unión p-n que requiere una excitación externa de Corriente-Voltaje para dar como respuesta una emisión de luz con una determinada longitud de onda (rojo, azul, verde o amarillo) en una banda angosta o ancha de emisión luminosa, también en un amplio espectro electromagnético cuando usamos un LED de luz blanca.

https://images.hive.blog/DQmSWoSkpztzzZJurPQpm1NkHJB4zsBwUhfs2d82j7GKqsY/image.pngRespuesta de corriente de un fotodiodo (PD)

Si colocamos la configuración del Simulador Solar Compacto de esta manera, vamos a determinar la respuesta de corriente del fotodiodo al variar la corriente del LED, es decir que a medida que incrementemos la intensidad de la fuente de iluminación se producirán cambios notables en la corriente que circula en el fotodiodo.

https://youtube.com/shorts/NPqdciQGxsEProcedimiento para las mediciones en el fotodiodo

Debemos recordar un detalle muy importante para el funcionamiento de un fotodiodo, pues normalmente se utiliza como un detector de radiación luminosa para diferentes fuentes de iluminación, así que responde muy bien al máximo de intensidad del ancho de banda de un LED con longitudes de onda en el espectro visible (λ ≈ [350-1200] nm), pero existen fotodiodos especiales para detectar radiación IR y UV.

El proceso es bastante sencillo, coloco el LED en una posición fija con respecto al sensor de iluminación, en este caso un Fotodiodo de Silicio Mounted Si Photodiode SM1PD1A, tomo las lecturas de la fotocorriente generada con 3 valores de corriente en el LED (200, 500 y 800 mA). Seguidamente cambio la posición del fotodiodo en 1 cm más de separación y repito las medidas de corriente y el voltaje asociado.

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Respuesta de corriente del fotodiodo

Nuevamente, el diodo emisor de luz blanca es el Mounted LED, 6500 K MCWHL6, con una corriente de operación de 200, 500 y 800 mA, el tiempo de medida fue cada 20 s. Usamos el modelo de fotodiodo descrito anteriormente, el cual posee una área activa de 10 mm x 10 mm.

https://youtu.be/9aYrYJYrX_U

Ya lo había explicado en mis publicaciones recientes, el brillo del LED se hace más notable al aumentar la corriente en el LED, esta potencia de la luz incidente sobre el fotodiodo hace que se genere una corriente eléctrica en el ánodo. Los valores medidos se presentan en la siguiente tabla:

https://images.hive.blog/DQmfYzcjy7cA8FNTiEmtuj6UXmwzAfdCogcFTvX1FfibGoB/ima1ge.png https://images.hive.blog/768x0/https://steemitimages.com/0x0/https://cdn.steemitimages.com/DQmNdZaPm5QuXUjXEMxy7KdKFXA7eKAbScJNiYJoSsrqgEY/image.png

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La corriente generada en el fotodiodo bajo iluminación constante es mayor a separaciones menores como era de esperarse, ya que existe una dependencia (no lineal) entre la densidad de potencia (P) del LED y la fotocorriente en el fotodiodo (I_pd). Sin embargo, sí existe un término físico que los relaciona inversamente y es la Responsividad, como el factor de ganancia entre la potencia óptica de entrada y la respuesta de corriente eléctrica como variable de salida. En principio, la ecuación se representa como: R_λ = I_pd/P

El voltaje es negativo, debido a que el fotodiodo debe estar polarizado inversamente para un correcto funcionamiento, con mayor tensión eléctrica en el cátodo.

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Por ahora, el resultado más notable es que la distancia de trabajo corresponde a la menor separación entre la fuente de iluminación LED y el sensor óptico, fotodiodo, luxómetro o celda solar que constituya parte del sistema Simulador Solar.

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Generalmente se usan LED´s de colores, con longitudes de onda conocidas dentro de cierto ancho de banda, para facilitar los cálculos de la densidad de potencia del LED emisor de radiación. En este caso el fotodiodo de Silicio tiene una respuesta espectral definida, ya que el Si tiene una estructura de bandas marcadas como una huella digital y sus transiciones energéticas en 1,12 eV y 3,4 eV, permiten un gran rango de operatividad desde 350 nm hasta 1100 nm. También es importante destacar que si se sabe el valor de la longitud de onda (nm) de la fuente de luz, se puede determinar la responsividad (A/W) del fotodiodo, la corriente fotogenerada y puede calcularse la densidad de potencia óptica (W/m²) del sistema óptico.

Aportes de esta publicación.

La luz blanca generada por nuestro LED MCWHL6 induce cambios de potencia óptica que son relativos en cuanto a las variaciones de iluminación que detecta el fotodiodo de Si SM1PD1A, ya que no emite a una sola longitud de onda y mucho menos dentro de un ancho de banda acotado, así que no es la mejor vía para determinar la densidad de potencia óptica de la fuente de iluminación en nuestro Simulador Solar Compacto. Lo que sí puedo hacer es usar diferentes tipos de LED´s de colores para construir una curva de Respuesta Espectral o Responsividad en función de las longitudes de onda en las uniones p-n de semiconductores que uso en la fabricación de los prototipos de celdas solares, puede ser que obtenga un excelente fotodiodo en estos ensayos de laboratorio.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Fotodiodo

○ Responsivity
○ Celdas fotoconductivas
○ Fotodiodo y fotocelda
○ Fotodiodo y LED

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