Detectores ópticos3

7/24/2019 Detectores ópticos3

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7.3 DISPOSITIVOSFOTODETECTORES



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7.3.1 FOTODIODO P-I-N

Un diodo PIN es un

diodo con una

región ancha desemiconducor

inr!nseco "i# enre

$as %onas i&o P '

i&o N.

h&s())de.*i+i&edia.org)*i+i)Pin,Diode



-# PRINCIPIO DE FUNCION-IENTO

Su principio de funcionamiento es muy

parecido al de un fotodiodo PN

FOTODIODO P-N

Diodo semiconductor deunión p-n polarizado en

inversa

-tension Vo producedespoblamiento en zce-!"!p#!n-$as impurezas ionizadas

producen un campo el%ctrico&zce 'ue impide la difusión de(uecos desde el borde de lazona p (acia la n-)na de las caras e*ternas +p, ese*puesta a radiación

-Se procura 'ue el coefderee*ión de la discontinuidadaire.semiconductor seape'ue/o a la lon0itud de onda-$a mayor parte de la potenciaoptica incidente penetrara en el

detectorFi0ura 12



Next Generation Internet (NGI) over Satellite

Si $os /oones ienen una energ!a de 0cada uno de e$$os

&odr1 ser a2sor2ido a cosa de ceder su energ!a a un e$ecrón ' as!

ese &asar1 de $a 2anda de a$encia a $a 2anda de conducción .

g E hv >

O2ención de $a e/iciencia Cu1nica en condiciones3 idea$es

Suponiendo :

Coe/iciene de re/$e4ión (R

5a am&$iud de$ cam&o e$6crico &ro&agado denro de un maeria$

semiconducor disminuir1 e4&onencia$mene

5a &oencia &ro&agada es (

Eso es &osi2$e omando 48 en e$ 2orde de %ce ' $a %ona P o$um6rica.

97.3:9



Consideremos que e !u"o !o#$nico e!ec#i%o en producir corrien#e ser& ea'sor'ido en a (ce . )s#o es * en re!erencia a a !i+ura 7.,

a e!iciencia cu&n#ica n :

) %aor m&imo de n/1 requiere 0/ y 24

97.37;

97.35;

∞



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• Esa esrucura se muesra en

$a /igura 7.<8 0 a$ no dis&oner

de im&ure%as ioni%a2$es 0 $a

%ona inr!nseca iene una

densidad mu' 2a=a dee$ecrones ' huecos en

ausencia de radiación

$uminosa incidene.

9Fig 7.<8;a anc6ura en una uni$n p-n

poari(ada en in%ersa es de orden de

una !racci$n de micra*es decir una

par#e si+ni!ica#i%a de a radiacion no es

a'sor'ida

Por es#e mo#i%o se desarroo a

es#ruc#ura p-i-n



$as ecuación es a aplicar son las de continuidad en elsemiconductor 4n cada punto macroscópico se tiene 'ue 5

67.3

87 67.3

978un'ue el u9o de electrones vaya en sentido contrario al de los(uecos : su car0a es opuesta y las corrientes de ambosportadores se suman

4n un semiconductor de tipo P se tiene : para los electrones

67.407

67.417



> En un semiconducor en e?ui$i2rio $a generación

6rmica se com&ensa e4acamene con $a

recom2inación 0 ' &or consiguiene endr!amos?ue (

Es necesario conocer $as densidades de corriene ' 0 'a

?ue cada corriene es1 en genera$ /ormada &or dos

com&onenes ( $a corriene de arrasre ' $a corriene de

di/usión .67.427

67.437



$a corriente es formada por doscomponentes

;orriente de arrastre ;orriente de difusiónes la ori0inada

por lemovimiento de

las car0as :

'ue: ba9o lafuerza de un

campo el%ctrico4: ad'uierenuna ciertavelocidad

est< causada por latendencia de

cual'uier con9unto depart=culas

in(omo0%neamentedistribuidas en elespacio a

redistribuirse deforma (omo0%nea

por efecto de la

a0itación t%rmica>%0imen desaturación

4l campo 4o es tan elevado 'ue el arrastre de portadores se (aceen r%0imen de saturación 5 la velocidad de arrastre ya no es linealcon el campo : sino 'ue alcanza su m<*imo valor llamado

saturación : 'ue depende del material



El campo generado por la presencia dehuecos y electrones fotogenerados en la zonai es despreciable al valor del campo Eo.

Tenemos las ecuaciones:

g en función de la potencia . es elflujo fotónico que atraviesa una superficie Ssituada en la coordenada x.

7.44!7.45!

7.46!



Se cumplirá lasiguiente relación:

[7.47]

Dividiendo entre y haciendo , se obtiene:

[7.48]

Régimen de potenciaóptica

constante lo que permite poner Entonces tenemosque:

[7.49]

[7.50]



Debido a esto el flujo de corriente desde x=0 hastax va creciendo , entonces tenmos que

y cuando x=W. La fotocorrientegenerada en la zona intrínseca será :

cada par e-h contribuye con una carga e, y no2e , a la corriente . Un electrón generado encualquier punto de la zona i es arrastrado

hacia la derecha hasta que sale de la misma .

[7.51]



La contribución de la zona n a la corriente. Decada par generado en ella , el hueco se difundiránaturalmente hacia la zona i , al llegar ahí será

barrido por el campo Eo e inyectado en la zona P ,en cuyo contacto óhmico se recombinaráfinalmente con un electrón procedente del polonegativo de la batería .

En la zona N tenemos:

En particular , , pues es justo a partir de x=W cuando empieza agenerarse electrones.



Así tenemos:

Toma la forma de

Las condiciones de contorno son p(W)=0 y P(∞)=.

La solución para esta ecuación sería :

Con

[7.52]

[7.54]

[7.53

]

[7.55]



Parámetro denominado longitud de difusión dehuecos, y

Sustituyendo [7.54] en [7.55] queda

Podemos escribir la expresión de densidad defotocorriente total del diodo, ya que conocemos

todas las corrientes que la atraviesan:

[7.56]

[7.57]

[7.58]



La figura 7.11 representala corriente en función dela potencia ópticaincidente. La figura 12

muestra la característicacorriente-tensión de unfotodiodo. Enpolarización inversa y siniluminación solo circula lacorriente inversa deoscuridad .

[Fig 7.11]



La eficiencia cuántica es :

ni es la eficiencia cuántica interna , ni<1 . (para elsilicio alcanza n=0.85)

La respuesta R del fotodetector p-i-n :

[7.59]

[7.60]



En la figura 13 se representa la forma típica de R enfunción de lambda para los 3 diodos más comunes en

el rango de las comunicaciones ópticas.)na forma ideal escuando n"? y su0r<@ca es una l=nearecta : sin embar0o

las dem<s 0r<@casson diferentes apartir de ciertolambda : (asta enun momento la

respuesta >comienza a decrecer 4sto se debe a 'uela ener0=a de losfotones es menor ala de la bandapro(ibida : lo cual [Fig 7.12]



B)RESPUESTA EN FRECUENCIA

Empezamos usando las ecuaciones decontinuidad

Modelamos:

[7.44] [7.45]

0≠∂∂t



AHORA APLICAMOS TRANSFORMADA D FOURIER

Sujeto a:

[7.61]

[7.62]

[7.63]

[7.64]



AHORA COMENZAMOS DE NUEVO USANDO LA 4 ECUACIÓN DEMAXWELL

El objetivo es encontrar J(w) en función de w

Obtenemos el rotacional en ambos costados de la ecuación:

[7.65]

[7.66]

Modelamos entonces a J

Necesitamos E(x,t) para modelar la corriente de desplazamiento. Aplicamos entonces 1 ley de maxwell

[7.68]

[7.67]



MODELAMOS ENTONCES A J

Necesitamos E(x,t) para modelar lacorriente de desplazamiento. Aplicamos entonces 1 ley de maxwell



INTEGRANDO

Derivando con respecto al tiempo ymultiplicando por ε obtenemos lacorriente de desplazamiento

Usando:



Y HACIENDO USO DE QUE EN LA ZONA I APROXIMADAMENTE SOLO EXISTEN CORRIENTESDE ARRASTRE



REEMPLAZANDO EN NUESTROMODELO

Obtenemos:

De lo cual deducimos:



AHORA VAMOS A DETERMINAR K(T), APLICANDO KIRCHOFF EN LA MALLA:

Ingresando E(x,t):

Considerando que:

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