Figura
1A energia luminosa, transmitida em pacotes chamados fótons, é uma fonte de energia incomparável. O nível de energia está diretamente relacionado com a frequência da onda de luz que se propaga. Esta dependência pode ser observada pela seguinte fórmula:
W=kf
Onde k é a constante de Planck e é igual a 6,624.10-34 joule-segundo. Daí pode-se concluir que sendo k uma constante, a energia associada com as ondas de luz incidentes em um dispositivo está diretamente relacionada com a frequência da onda de luz que se propaga. A frequência está, por sua vez, diretamente relacionada ao comprimento de onda pela seguinte relação:
l=v/f
onde:
l = comprimento de onda
v = velocidade da luz
f = frequência da onda que se propaga
O comprimento de onda é um parâmetro importante a ser considerado porque determina o material a ser utilzado pelo dispositivo opto-eletrônico. Pode-se visualizar abaixo a resposta espectral para o Ge, Si e selenium, bem como o espectro de luz visível com a indicação do comprimento de onda associado a cada cor.
Figura
1
O número de elétrons livres gerados em cada material é proporcional à intensidade de luz incidente. Intensidade de luz é uma medida da quantidade de fluxo luminoso incidindo sobre determinada área de uma superfície. Fluxo luminoso é, em geral, medido em lumens (lm) ou watts.
Operação do Fotodiodo
O fotodiodo é um dispositivo semicondutor de junção p-n que converte luz em corrente elétrica, e cuja região de operação está limitada a condição reversa. A configuração básica de polarização, fabricação, e símbolo para o dispositivo são mostradas abaixo.
Figura
2
A corrente de saturação reversa, que é geralmente inferior a poucos microampéres, surge devido apenas aos portadores minoritários termicamente gerados nos materiais n e p. Esta energia térmica mantém os elétrons de valência desalojados de suas órbitas, produzindo assim elétrons livres e lacunas. A vida média dos portadores minoritários é curta, porém enquanto eles existirem, podem contribuir para a permanência da corrente reversa. A aplicação de luz na junção provoca uma transferência de energia das ondas de luz incidentes (na forma de fótons) à estrutura atômica deslocando os elétrons de valência, e aumentando, com isso, o número de portadores minoritários e consequentemente o nível de corrente reversa.
Um fotodiodo é otimizado para ter uma alta sensibilidade à luz incidente. Nesse diodo, uma janela deixa passar a luz através do encapsulamento da junção. A luz penetrante produz elétrons livres e lacunas. Quanto maior a intensidade luminosa, maior o número de portadores minoritários e maior a corrente reversa. Podemos observar este efeito, para diferentes níveis de intensidade, na figura abaixo.
Figura
3
A corrente escura é o nível de corrente na situação em que não há iluminação. Observe que a corrente somente vai a zero com um potencial de polarização positivo igual a Vt. A figura 2 demostra o uso de lente para concentrar a luz na região de junção. O espaçamento quase idêntico entre as curvas, para um mesmo incremento no fluxo luminoso, revela que a corrente reversa e o fluxo luminoso possuem uma relação quase linear. Ou seja, um aumento na intensidade de luz resulta em um aumento proporcional na corrente reversa.A figura abaixo mostra um gráfico entre as duas grandezas para verificar esta relação linear, em uma tensão fixa Vl de 20V.
Figura
4
De maneira aproximada, podemos assumir que a corrente reversa é essencialmente zero na ausência de luz incidente. Como os tempos de subida e de descida (parâmetros de mudança de estado) são muito pequenos para este dispositivo (na faixa de nanossegundos), o dispositivo pode ser utilizado em circuitos de chaveamento ou contadores de alta velocidade.
A linearidade é necessária pois, se o sinal transmitido for analógico, deve-se evitar a distorção do sinal recebido. Além disso, o fotodiodo deve possuir uma boa sensibilidade e ruido interno baixo, para que se possa obter uma baixa taxa de erro de transmissão.
Retornando a figura 1, observamos que o Germânio abrange uma faixa maior de comprimentos de onda que o Silício. Esta característica possibilita sua utilização para comprimentos de onda na região infravermelha, região espectral em que se situam as ondas geradas por lasers e fontes de luz IV (infravermelha). O Germânio apresenta uma corrente escura e um nível de corrente reversa mais alto do que Silício. A resposta do fotodiodo de Silício é melhor para fontes que emitem luz perto da região ultravioleta ou infravermelho como lasers HeNe, GaAlAs , LED GaAs e diodos laser. O aquecimento dos fotodiodos de Silício desloca a sua curva espectral em direção aos maiores comprimentos de onda, assim como o resfriamento do fotodiodo desloca a curva para os menores comprimentos de onda.