Detectores

Fotodetectores

Fotodiodos PN, PIN y APD, sus parámetros y sus ruidos

Idea clave. Al final del enlace hay que volver a convertir la luz en corriente. Un fotodiodo hace lo contrario que un LED: cada fotón absorbido crea un par electrón-hueco, y un campo eléctrico se lleva los portadores antes de que se recombinen. Interesa absorber muchos fotones (más corriente, más sensibilidad) y hacerlo deprisa (más velocidad), y esas dos cosas tiran en sentidos contrarios.

Un emisor «al revés»

Un fotodiodo es un diodo semiconductor, como los láseres y los LED, pero trabajando al revés:

Se polariza en inversa. Cuando llega un fotón con energía igual o mayor que el gap, un electrón pasa de la banda de valencia a la de conducción y deja un hueco: se crea un par electrón-hueco.
El campo eléctrico de la polarización se lleva los electrones y los huecos hacia lados opuestos antes de que se recombinen, y eso es la corriente detectada. Se trabaja fuera del equilibrio: se van quitando electrones continuamente.
La fotocorriente es proporcional a la potencia óptica que llega: $I = \mathcal{R}\,P$ , con $\mathcal{R}$ la responsividad.

Como los materiales son parecidos o iguales a los del láser, hay que cambiar la estructura: en un emisor queremos un material transparente a su luz; en un detector, lo más absorbente posible.

⚠ Revisar. En tus apuntes ponías que al fotodiodo «le suministramos una corriente eléctrica polarizada en directo». Es al revés: el fotodiodo se polariza en inversa. En directa el diodo recombina pares y emite (como un LED).

La zona de depleción

La absorción útil ocurre en la unión, en una zona muy fina llamada zona de depleción. Ahí la diferencia de potencial ha barrido las cargas libres: el material se vuelve aislante, con cargas fijas de un signo a un lado y del otro signo al otro (como un dieléctrico entre dos capas cargadas). La polarización inversa la ensancha y hace su campo más intenso, así que mueve las cargas más deprisa.

Para mejorar la eficiencia cuántica hay que ensanchar esta zona y absorber más fotones. Eso lleva a los tipos de fotodiodo.

⚠ Revisar. En tus apuntes hablabas de «electrones pegados a un lado y electrones buenos o positrones al otro». En el semiconductor no hay positrones: a un lado quedan iones con carga positiva (zona n) y al otro iones con carga negativa (zona p); los portadores positivos móviles son los huecos.

Tipos de fotodiodo

Fotodiodo PN: una unión PN en inversa. Es el más simple, pero ya no se usa: su zona de depleción es demasiado fina.
Fotodiodo PIN: entre la zona p y la n se mete una zona intrínseca (I): semiconductor sin dopar. La zona de depleción queda dentro de ella, así que crece el volumen efectivo donde los fotones pueden crear portadores: más electrones, más corriente y menos amplificación necesaria. También responde más deprisa.
Fotodiodo de avalancha (APD): un PIN con una parte sometida a una diferencia de potencial mucho mayor, de cientos de voltios. Los electrones se aceleran, chocan con el material y arrancan más electrones, que a su vez arrancan más: una avalancha que multiplica la corriente. Es un fotodiodo con un amplificador de corriente incorporado. El problema: el ruido también se multiplica, y la avalancha alarga el tiempo de respuesta.

Para aumentar la sensibilidad hay dos caminos, que se pueden usar a la vez: un amplificador externo (siempre hay uno de bajo ruido detrás del fotodiodo, pero mete bastante ruido) o hacer que el propio fotodiodo dé más electrones (APD).

⚠ Revisar. En tus apuntes ponías que en el APD los electrones «colisionan con neutrones del material» y que «incrementa exponencialmente el número de fotones». Chocan con los átomos (los electrones) del material, y lo que se multiplica son los electrones, no los fotones.

Parámetros de un fotodetector

Práctica 4 (Comunicación óptica entre dos PC) · conviene dominarlo

Respuesta espectral: el margen de longitudes de onda que el fotodetector absorbe. Cada material responde según su gap: solo detecta fotones con energía mayor que el gap, es decir, hasta su longitud de onda de corte, $\lambda_c = hc/E_g$ .
Eficiencia cuántica ( $\eta$ ): número de portadores generados por cada fotón incidente.
Responsividad ( $\mathcal{R}$ ): a escala macroscópica, la salida eléctrica respecto a la entrada óptica: cuántos amperios se obtienen por cada vatio de luz (A/W). Depende de la λ y del gap:

\mathcal{R} = \frac{I}{P} = \frac{\eta\, q}{h f} = \frac{\eta\, \lambda\,[\mu\text{m}]}{1{,}24}

Ganancia: corriente que sale del fotodetector dividida entre la que crean directamente los fotones (mayor que 1 en un APD).
Corriente oscura: corriente que circula aunque no llegue luz, por fluctuaciones (radiación, temperatura). Nunca es cero del todo.
Tiempo de respuesta: el retardo de la señal eléctrica respecto a la llegada del fotón. Se mide como el tiempo que tarda en pasar del 10 % al 90 % de su valor final.
Sensibilidad: la mínima potencia óptica de entrada con la que se obtiene una señal eléctrica útil. Se mide para una tasa de bits (o una tasa de error de bits) dada.
Potencia equivalente al ruido (NEP): la potencia de luz que da una señal igual al ruido. Cuanto menor, más sensible.
Detectividad: relaciona el área del detector con la NEP.
No linealidad: el fotodiodo es lineal en un tramo; si le llegan demasiados fotones, deja de serlo.

Lo más importante es el compromiso entre sensibilidad y tiempo de respuesta: se oponen. Una zona de absorción ancha capta más fotones (más sensible), pero los portadores tardan más en atravesarla (más lento).

⚠ Revisar. En tus apuntes la responsividad era «cuántos electrones obtengo por cada fotón». Eso es la eficiencia cuántica; la responsividad es corriente por potencia (A/W), aunque las dos están relacionadas por la fórmula de arriba.

Ruido en un fotodetector

Ruido de oscuridad: el de la corriente oscura, la que circula sin luz por la generación aleatoria de pares electrón-hueco (fluctuaciones térmicas, radiación…). Se podría reducir blindando el fotodiodo, pero en comunicaciones no compensa.
Ruido de disparo (shot): se debe a la naturaleza discreta de la luz, formada por fotones. Sigue una distribución de Poisson, que no es gaussiana. Con pocos fotones cuesta reconstruir la señal; con muchos es más fácil.
Ruido de fondo: parecido al de oscuridad, pero debido a radiación del ambiente (cósmica, natural o artificial).
Ruido de amplificación: amplificar da más señal pero también más ruido. En un APD el ruido se multiplica por el mismo factor que la señal.
Ruido térmico (Johnson-Nyquist): se debe a que la temperatura es alta (no a que fluctúe): aumenta la probabilidad de colisiones. Su distribución es gaussiana, como un ruido blanco. Bajando la temperatura se reduce, pero no necesariamente el de oscuridad.

En la práctica se tienen en cuenta sobre todo el ruido de disparo y el térmico. Como son valores medios, se suman de forma cuadrática:

R_{\text{total}} = \sqrt{R_T^2 + R_D^2}

La figura de ruido compara la relación señal/ruido antes y después de amplificar: la SNR de entrada es mejor que la de salida, y la diferencia en dB es la figura de ruido. Se mide en el laboratorio y sirve para caracterizar un APD.

⚠ Revisar. En tus apuntes ponías «figura de ruido alta, mejor APD». Es al revés: la figura de ruido mide cuánto empeora la SNR al amplificar, así que un APD es mejor cuanto menor sea su figura de ruido.

Se conecta con

06LEDEl fotodiodo es un emisor al revés: absorbe el fotón y crea un par electrón-hueco.
11Amplificadores ópticosEl EDFA amplifica la luz antes de detectarla; el APD gana dentro del detector, ya en electrónica.
12WDMPara recibir en 1550 nm hace falta InGaAs o Ge: el Si corta hacia 1100 nm.

Preguntas de examen

Características principales de los fotodetectores.

Respuesta espectral: margen de λ que el fotodetector puede absorber; cada material llega hasta su λ de corte ( $hc/E_g$ ).
Eficiencia cuántica: portadores generados por cada fotón incidente.
Ganancia: corriente de salida dividida entre la creada directamente por los fotones.
Corriente oscura: la que circula aun sin luz, por radiación y otras fluctuaciones; nunca es nula.
Tiempo de respuesta: del 10 % al 90 % de la corriente final tras absorber la luz.
Responsividad: amperios obtenidos por cada vatio óptico (A/W).
Sensibilidad: mínima potencia óptica con la que se obtiene señal eléctrica, para una tasa de bits (o de error) dada.

Tipos de fotodiodos.

PN: unión PN en inversa. Zona de depleción fina: ya no se usa.
PIN: añade una zona intrínseca (semiconductor sin dopar) en la unión. Aumenta el volumen efectivo donde los fotones crean portadores: más corriente y menos amplificación.
APD (avalancha): una parte del fotodiodo se somete a cientos de voltios; los electrones acelerados chocan con el material y crean una cascada de electrones. Es un fotodiodo con amplificador de corriente incorporado, pero multiplica también el ruido.

Tipos de ruido de un fotodetector.

De oscuridad: el de la corriente oscura, que existe aun sin luz por factores externos (fluctuaciones térmicas, radiación).
De disparo (shot, poissoniano): por la naturaleza discreta de la luz; con pocos fotones la señal es más difícil de reconstruir.
Térmico (Johnson-Nyquist): por la temperatura elevada, que aumenta las colisiones; es gaussiano. Bajar la temperatura lo reduce, pero no necesariamente el de oscuridad.

También están el de fondo (radiación ambiental) y el de amplificación. Se suelen tener en cuenta el de disparo y el térmico, sumados de forma cuadrática: $\sqrt{R_T^2 + R_D^2}$ .

¿Por qué un fotodiodo de silicio no sirve para las ventanas de 1310 y 1550 nm?

Porque un fotón solo crea un par electrón-hueco si su energía supera el gap: el material detecta hasta su longitud de onda de corte, $\lambda_c = hc/E_g$ . La del silicio está en torno a 1,1 µm, así que solo sirve en la 1.ª ventana (850 nm). Para 1310 y 1550 nm se usan materiales de gap menor, como el germanio o el InGaAs. (Respuesta redactada a partir de los apuntes y de T31.)

¿Qué compromiso hay entre la sensibilidad y el tiempo de respuesta de un fotodetector?

Se oponen: si una mejora, la otra empeora. Una zona de absorción más ancha (o la avalancha de un APD) da más electrones por fotón y más sensibilidad, pero los portadores tardan más en recorrerla y la respuesta es más lenta. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

Material del curso usado: Apuntes de clase (Javier) · Apuntes de Miguel · Comunicaciones Ópticas (PDF de clase), §6 · T31 – Fotodetectores.