Fotodiodo para niños

Datos para niños Fotodiodo
Fotodiodos.
Tipo	Semiconductor
Principio de funcionamiento	Efecto fotoeléctrico
Símbolo electrónico
Terminales	Ánodo y Cátodo

Un fotodiodo es un tipo especial de semiconductor que puede detectar la luz. Está hecho con una parte llamada unión PN que es sensible a la luz visible o a la luz infrarroja (que no podemos ver). Para que funcione bien, se conecta de una manera específica llamada "polarización inversa". Cuando la luz lo ilumina, produce una pequeña corriente eléctrica. Los fotodiodos también pueden funcionar como pequeñas células solares, generando una corriente muy pequeña cuando reciben luz, incluso sin una fuente de energía externa.

Los fotodiodos vienen en un empaque que permite que la luz (o rayos infrarrojos, ultravioleta o rayos X) llegue a su parte sensible. A veces, este empaque tiene lentes o filtros para ayudar a enfocar la luz. Algunos fotodiodos especiales usan una unión PIN para responder más rápido a los cambios de luz. Cuanto más grande es la superficie de un fotodiodo, más lento puede ser su tiempo de respuesta. Una célula solar grande, como las que generan energía solar para casas, es en realidad un tipo de fotodiodo.

Los fotodiodos se usan en muchos aparatos para medir la intensidad de la luz. Por ejemplo, pueden medir la cantidad de humo en el aire. También se usan como receptores en los mandos a distancia de tu casa, que envían señales con luz infrarroja. Además, los fotodiodos pueden formar parte de un "optoacoplador", que permite que las señales eléctricas pasen entre circuitos sin una conexión directa, lo que ayuda a protegerlos de voltajes altos.

¿Cómo funciona un fotodiodo?

Un fotodiodo tiene una estructura especial llamada unión PN o P-I-N. Cuando un rayo de luz con suficiente energía llega al diodo, "despierta" a un electrón y lo pone en movimiento, dejando un "hueco" con carga positiva. Si esto ocurre en la parte sensible del diodo, estos electrones y huecos son movidos por un campo eléctrico, creando una corriente.

Cada fotodiodo es sensible a un tipo específico de luz, es decir, a una "longitud de onda" particular. Esto depende de algo llamado "gap energético" del material. Solo los fotones (las partículas de luz) con la energía correcta pueden hacer que los electrones se muevan y generen corriente.

Para usar un fotodiodo, se le aplica un voltaje de forma inversa (el lado positivo en el cátodo y el negativo en el ánodo). Cuando la luz incide sobre él, la corriente aumenta. Si no hay luz, la corriente es muy pequeña y se llama "corriente de oscuridad". Al medir la corriente que pasa por el fotodiodo y restarle la corriente de oscuridad, se puede saber cuánta luz está recibiendo.

Los fotodiodos de avalancha son similares, pero funcionan con voltajes más altos. Esto hace que los electrones generados por la luz se multipliquen, lo que aumenta la señal y hace que el dispositivo sea más sensible. Toda esta información técnica se encuentra en el manual del fabricante.

Materiales de los fotodiodos

El material del que está hecho un fotodiodo es muy importante porque define sus características.

• Los de silicio son sensibles a la luz visible y a parte del infrarrojo cercano.
• Los de germanio son mejores para la luz infrarroja.
• También se usan otros materiales semiconductores.

La capacidad de un material para convertir la luz en electricidad se mide con un parámetro llamado "responsividad". Este valor cambia según el tipo de luz que incide. Se ha investigado mucho para saber qué materiales son más eficientes con diferentes longitudes de onda de luz.

Existen fotodiodos para infrarrojos medios (entre 5 y 20 µm), pero necesitan estar muy fríos, a menudo con nitrógeno líquido. Antiguamente, se usaban fotodiodos de selenio en los exposímetros de las cámaras.

Usos comunes de los fotodiodos

Los fotodiodos se usan en muchas aplicaciones donde se necesita detectar luz, al igual que otros sensores de luz como los fotoconductores o los dispositivos de carga acoplada (CCD). Pueden usarse para medir la luz (señal analógica) o para activar o desactivar circuitos (señal digital).

Los fotodiodos son clave en:

• Sistemas de fibra óptica.
• Reproductores de CD, donde transforman la luz del láser en señales eléctricas para leer la información.
• Detectores de humo.
• Aparatos médicos.
• Receptores de mandos a distancia de televisores o aires acondicionados.
• Cámaras (para medir la luz).
• Encendido automático del alumbrado público al anochecer.

A menudo, un fotodiodo se combina con un emisor de luz, como un diodo emisor de luz (LED), en un solo componente. Esto se usa para:

• Detectar si algo bloquea un haz de luz (como en un interruptor óptico de ranura).
• Conectar dos circuitos eléctricos sin contacto directo, lo que proporciona aislamiento eléctrico y seguridad (en un optoacoplador).
• En muchos sensores para analizar productos según cómo absorben la luz.

Los fotodiodos son muy buenos para medir la intensidad de la luz en la ciencia y la industria porque su respuesta es muy precisa.

También se usan mucho en medicina, por ejemplo, en:

• Detectores para tomografía computarizada (junto con centelleadores).
• Instrumentos para analizar muestras (como en inmunoensayo).
• Oxímetro de pulsos.

Los diodos PIN son más rápidos y sensibles que los fotodiodos normales, por eso se usan en comunicación óptica y para controlar la iluminación.

Para detectar niveles de luz extremadamente bajos, no se usan fotodiodos P-n. En su lugar, se utilizan fotodiodos de avalancha, dispositivos de acoplamiento de carga intensificada o tubos fotomultiplicadores. Estos se emplean en campos como la astronomía, la espectroscopia, los equipos de visión nocturna y los telémetros láser.

Ventajas de los fotodiodos

Comparados con los tubos fotomultiplicadores, los fotodiodos tienen varias ventajas:

• La corriente que producen es muy precisa y lineal con la luz que reciben.
• Pueden detectar un amplio rango de colores y tipos de luz.
• Generan poco "ruido" (señales no deseadas).
• Son resistentes a golpes y vibraciones.
• Son económicos.
• Son pequeños y ligeros.
• Tienen una vida útil larga.
• Son muy eficientes convirtiendo la luz en electricidad.
• No necesitan voltajes muy altos para funcionar.
• Responden mucho más rápido a los cambios de luz que otros sensores como los LDR.

Desventajas de los fotodiodos

Sin embargo, también tienen algunas desventajas comparados con los fotomultiplicadores:

• Su área de detección es pequeña.
• No tienen una "ganancia" interna (excepto los fotodiodos de avalancha, pero su ganancia es menor).
• Su sensibilidad general es mucho más baja.
• Contar fotones (partículas de luz) solo es posible con fotodiodos especiales y a menudo enfriados.
• El tiempo de respuesta puede ser más lento en algunos diseños.

Fotodiodo anclado (PPD)

El fotodiodo anclado (PPD) es un tipo especial de fotodiodo que se usa mucho en los sensores de imagen CMOS de las cámaras digitales. Fue inventado en 1980 por Nobukazu Teranishi y su equipo en NEC. Ellos descubrieron que podían mejorar los sensores de imagen si la señal de luz se transfería de forma más eficiente. Esto llevó a la creación del PPD, que tiene menos "ruido", es más eficiente y tiene una "corriente oscura" muy baja.

En 1994, Eric Fossum, de la NASA, propuso integrar el PPD en los sensores CMOS. Desde entonces, el PPD se usa en casi todos los sensores CMOS, lo que ha permitido que las cámaras digitales y los teléfonos móviles tomen fotos de muy alta calidad, incluso superando a los sensores CCD en rendimiento.

Investigación actual

La investigación en fotodiodos se enfoca en crear células solares más baratas, hacer los sensores CCD y CMOS más pequeños y mejores, y desarrollar fotodiodos más rápidos y sensibles para las telecomunicaciones.

Desde 2005, también existen semiconductores orgánicos. Una empresa llamada NANOIDENT Technologies fue la primera en desarrollar un fotodetector orgánico basado en fotodiodos orgánicos.

Respuesta a la luz de los fotodiodos de silicio

Los fotodiodos de silicio pueden diseñarse para responder a tipos específicos de luz. Esto se logra aprovechando cómo el silicio absorbe la luz de manera diferente según su longitud de onda. Por ejemplo, el silicio absorbe mucha luz ultravioleta, pero es casi transparente para longitudes de onda más largas (como el infrarrojo). Esto permite crear sensores de color y fotodiodos que detectan luz infrarroja o ultravioleta.

Dispositivos relacionados

Fotodiodo de avalancha

Un fotodiodo de avalancha es un fotodiodo especial que funciona con un voltaje inverso alto. Esto hace que los electrones generados por la luz se multipliquen, lo que aumenta la señal y la sensibilidad del dispositivo. Son útiles para detectar luz muy tenue.

Fototransistor

Símbolo electrónico de un fototransistor.

Un fototransistor es un transistor sensible a la luz. Un tipo común, el fototransistor bipolar, es como un transistor bipolar normal pero dentro de una caja transparente para que la luz pueda llegar a su parte sensible. Fue inventado en 1948 por el Dr. John N. Shive.

Cuando la luz incide en el fototransistor, genera electrones que son amplificados por el transistor. Esto significa que el fototransistor es más sensible a la luz que un fotodiodo, pero no es tan bueno para detectar niveles de luz muy bajos y es más lento. Otro tipo es el fototransistor de efecto de campo (fotoFET), que controla la corriente de otra manera.

Solaristor

Un solaristor es un tipo de fototransistor con solo dos terminales. Fue demostrado en 2018 por investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología. Es un dispositivo que combina una fuente de energía solar con un transistor, aprovechando un efecto especial para controlar el flujo de electrones generados por la luz.

Galería de imágenes

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  Fotodiodos.

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  Símbolo electrónico de un fotodiodo.

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  Símbolo electrónico de un fototransistor.

Véase también

En inglés: Photodiode Facts for Kids