Modo fotovoltaico

En modo fotovoltaico, un fotodiodo funciona sin ningún voltaje de polarización externo, confiando en la diferencia de potencial incorporada a través de la unión p-n para separar los portadores de carga fotogenerados. Cuando se absorben fotones con energía mayor que la banda prohibida del semiconductor, crean pares electrón-hueco principalmente en o cerca de la región de agotamiento. Estos portadores están separados por el campo eléctrico interno: los electrones se desplazan hacia el lado n y los agujeros hacia el lado p, generando una fotocorriente que puede producir un voltaje medible a través de los terminales del dispositivo. Este modo aprovecha el efecto fotovoltaico, similar al de las células solares, pero está diseñado para la detección de luz en lugar de una conversión eficiente de energía.[22]

La dinámica de los portadores en este modo implica procesos tanto de difusión como de deriva. Los pares electrón-hueco generados en las regiones neutras se difunden aleatoriamente hasta llegar a la región de agotamiento, donde el fuerte campo incorporado los separa de manera eficiente, minimizando la recombinación. En condiciones de cortocircuito (voltaje cero a través del dispositivo), la corriente resultante fluye libremente, mientras que en condiciones de circuito abierto, la acumulación de portadores genera un voltaje que se opone a una mayor separación. La corriente de cortocircuito IscI_{sc}Isc​ se expresa como

donde qqq es la carga elemental, η\etaη es la eficiencia cuántica, PPP es la potencia óptica incidente, AAA es el área activa y hνh \nuhν es la energía del fotón. El voltaje de circuito abierto VocV_{oc}Voc​ se aproxima mediante la ecuación del diodo

donde kkk es la constante de Boltzmann, TTT es la temperatura absoluta e I0I_0I0​ es la corriente de saturación oscura.[22][12]

Este modo de funcionamiento ofrece distintas ventajas, incluido un ruido muy bajo debido a una corriente oscura insignificante y la capacidad de funcionar de forma autoalimentada sin circuitos externos. Sin embargo, tiene limitaciones, como tiempos de respuesta más lentos en comparación con los modos sesgados, ya que la ausencia de un campo externo reduce la eficiencia de recolección de los transportistas y aumenta los tiempos de tránsito. Los fotodiodos en modo fotovoltaico están optimizados para una detección precisa de la luz con una respuesta lineal a la intensidad, a diferencia de las células solares que priorizan la maximización de la producción de energía a través de áreas más grandes y opciones de materiales específicos.[23][12]

Modo fotoconductor

En el modo fotoconductor, se aplica un voltaje de polarización inversa a través del fotodiodo, ampliando la región de agotamiento en comparación con la operación de polarización cero y mejorando así la eficiencia de separación y recolección de pares de huecos de electrones fotogenerados al tiempo que se reduce la capacitancia de la unión. Esta configuración de polarización hace que el dispositivo funcione como una resistencia dependiente de la luz, donde la corriente generada varía directamente con la intensidad de la luz incidente, lo que permite una medición precisa de la potencia óptica.

La fotocorriente en este modo se expresa como Iph=R⋅PI_{ph} = R \cdot PIph​=R⋅P, donde RRR es la capacidad de respuesta (típicamente en A/W) y PPP es la potencia óptica incidente; la corriente total es entonces I=Iph+IdarkI = I_{ph} + I_{dark}I=Iph​+Idark​, con la corriente oscura IdarkI_{dark}Idark​ aumentando bajo el voltaje de polarización inversa aplicado VrV_rVr​.[24]

El ancho de banda de 3 dB, que determina la respuesta de frecuencia, está influenciado por la capacitancia de la unión CjC_jCj​ y comúnmente está limitado por la constante de tiempo RC, aproximada como f3dB=12πRLCjf_{3dB} = \frac{1}{2\pi R_L C_j}f3dB​=2πRL​Cj​1​, donde RLR_LRL​ es la resistencia de carga; una mayor polarización inversa reduce CjC_jCj​, ampliando el ancho de banda para una operación más rápida.[24]

La linealidad en el modo fotoconductor es una característica clave, ya que la corriente de salida mantiene una relación proporcional a la intensidad de la luz en varios órdenes de magnitud hasta que se produce la saturación, y el voltaje de polarización aplicado mejora esto al minimizar la recombinación de portadores y los efectos de difusión que podrían introducir no linealidad.

Este modo ofrece ventajas como una velocidad superior y una capacitancia reducida en relación con el funcionamiento imparcial, lo que lo hace ideal para aplicaciones de alta frecuencia como comunicaciones de fibra óptica y sistemas de medición por láser.[26]

Materiales semiconductores

El silicio es el material semiconductor más utilizado para fotodiodos que operan en el espectro visible e infrarrojo cercano (NIR), con una energía de banda prohibida de 1,12 eV que permite una absorción eficiente de fotones de hasta aproximadamente 1100 nm.[27] El germanio, que presenta una banda prohibida más estrecha de 0,67 eV, extiende la sensibilidad a la región infrarroja hasta aproximadamente 1700 nm, lo que lo hace adecuado para la detección en el infrarrojo medio. Los fotodiodos de arseniuro de galio (GaAs), con una banda prohibida de 1,43 eV, apuntan a aplicaciones NIR alrededor de 870 nm, ofreciendo una mayor movilidad de electrones en comparación con el silicio para tiempos de respuesta más rápidos.[25] El arseniuro de indio y galio (InGaAs), sintonizable con una banda prohibida de alrededor de 0,75 eV, proporciona una cobertura NIR ampliada de hasta 1,7 μm, ideal para longitudes de onda de telecomunicaciones.[25]

Las propiedades clave del material que influyen en el rendimiento de los fotodiodos incluyen el coeficiente de absorción α(λ) dependiente de la longitud de onda, que cuantifica la fuerza con la que se absorbe la luz; la profundidad de penetración, dada por 1/α, determina la ubicación óptima de la unión pn para maximizar la eficiencia de recolección de portadores.[27] Por ejemplo, el silicio exhibe valores de α del orden de 10 ^ 4 cm⁻¹ a 800 nm, lo que lleva a profundidades de penetración poco profundas de aproximadamente 1 μm, mientras que el α más bajo del germanio en el IR requiere capas de absorción más gruesas. La movilidad de los transportistas, la medición de la velocidad de transporte de carga y la vida útil de los transportistas minoritarios, que afectan las tasas de recombinación, impactan directamente el tiempo de respuesta; Los materiales de alta movilidad como GaAs (movilidad electrónica ~8500 cm²/V·s) permiten anchos de banda superiores a 10 GHz.[29]

La selección de materiales para los fotodiodos depende del rango de longitud de onda objetivo, desde ultravioleta hasta infrarrojo, y el silicio domina las aplicaciones UV-visible debido a su amplia absorción y estabilidad de temperatura de hasta 150 °C.[25] La estabilidad de la temperatura es fundamental, ya que las energías de banda prohibida disminuyen con el aumento de la temperatura, lo que cambia los bordes de absorción; Los compuestos III-V como el InGaA mantienen un mejor rendimiento en entornos hostiles que el germanio. Las compensaciones entre costo y rendimiento favorecen al silicio para detectores visibles de bajo costo y alto volumen, mientras que los materiales III-V como GaAs e InGaAs se prefieren para las telecomunicaciones de alta velocidad a pesar de los mayores costos de fabricación.[25]

Los materiales emergentes a partir de 2025 incluyen perovskitas de haluro, que ofrecen absorción de banda ancha y altas eficiencias cuánticas, a menudo acercándose al 90% en dispositivos NIR visibles optimizados, aunque los problemas de estabilidad bajo la humedad y el calor limitan la adopción comercial. Los materiales bidimensionales como el grafeno permiten una detección ultrarrápida con tiempos de respuesta del orden de picosegundos a nanosegundos, beneficiándose de altas movilidades de portadores que superan los 10.000 cm²/V·s a temperatura ambiente, pero persisten los desafíos en la ingeniería e integración de banda prohibida.[21]

Los niveles de dopaje en estos materiales forman la unión p-n esencial para la separación de los portadores; en el silicio, el dopaje de tipo p normalmente utiliza boro en concentraciones de 10^{15}-10^{18} cm^{-3} para crear sitios aceptores, mientras que el dopaje de tipo n emplea fósforo en niveles similares para proporcionar electrones donantes.[31]

Técnicas de fabricación

La fabricación de fotodiodos comienza con la preparación de obleas, donde se producen sustratos semiconductores de alta pureza para garantizar defectos mínimos y propiedades eléctricas uniformes. Para los fotodiodos basados ​​en silicio, el proceso de Czochralski se emplea ampliamente para cultivar lingotes monocristalinos a partir de una fuente de silicio fundido, seguido de su corte en obleas que sirven como base para las capas del dispositivo. El dopado de estas obleas para crear regiones de tipo n o tipo p se logra mediante difusión, donde los átomos dopantes como fósforo o boro se introducen mediante procesos térmicos, o implantación de iones, que acelera los iones dopantes en la red para un control preciso sobre los perfiles de concentración. Estos pasos son críticos para establecer la conductividad base y las características de unión esenciales para la funcionalidad del fotodiodo.

La formación de uniones sigue a la preparación de la oblea, particularmente para estructuras PIN que requieren una región intrínseca para minimizar la capacitancia y mejorar la velocidad. Las técnicas de crecimiento epitaxial, como la deposición química de vapor organometálico (MOCVD) o la epitaxia de haz molecular (MBE), se utilizan para depositar la capa intrínseca con precisión a nivel atómico sobre el sustrato dopado, lo que permite interfaces con pocos defectos y propiedades de banda prohibida adaptadas. Por ejemplo, MOCVD facilita la deposición uniforme de materiales III-V como InGaAs para la detección en el infrarrojo cercano, mientras que MBE ofrece un control superior para heteroestructuras reticuladas en dispositivos avanzados. Estos métodos garantizan las transiciones abruptas de dopaje de la unión pin, que son vitales para una recolección eficiente de portadores.

Los pasos de metalización y pasivación protegen el dispositivo y optimizan el acoplamiento óptico. Los contactos óhmicos, típicamente formados usando pilas de titanio-aluminio (Ti/Al) para regiones de tipo n, se evaporan o pulverizan sobre la superficie del semiconductor seguido de recocido para lograr interfaces de baja resistencia sin rectificación. Las capas de pasivación, como el dióxido de silicio (SiO₂), se depositan luego mediante deposición química de vapor mejorada con plasma para encapsular la unión y evitar la recombinación de la superficie, mientras que los recubrimientos antirreflectantes como el SiO₂ o las pilas multicapa reducen las pérdidas por reflexión en la superficie de entrada de luz, mejorando la eficiencia cuántica hasta en un 20-30 % en los fotodiodos de silicio.[35]

El embalaje completa la fabricación garantizando la estabilidad ambiental y el rendimiento óptico. El sellado hermético, a menudo en envases TO-can o cerámicos, utiliza tapas metálicas soldadas a la base para excluir la humedad y los contaminantes, mejorando así la confiabilidad a largo plazo en condiciones difíciles.[36] Durante el montaje se incorpora integración con ópticas, como lentes asféricas o ventanas, para enfocar la luz incidente en el área activa, minimizando la divergencia y maximizando la eficiencia del acoplamiento para aplicaciones como receptores de fibra óptica.

Fotodiodo PIN

El fotodiodo PIN presenta una estructura en capas que consta de una región semiconductora de tipo p, una región semiconductora intrínseca (sin dopar o ligeramente dopada) y una región semiconductora de tipo n, denominada p-i-n.[40] La región intrínseca, típicamente de varios micrómetros de espesor, separa las capas p y n fuertemente dopadas y se expande significativamente bajo polarización inversa para formar una amplia zona de agotamiento. Este diseño contrasta con los fotodiodos pn estándar al minimizar la difusión del portador y mejorar la uniformidad del campo eléctrico en todo el área de absorción.

Una ventaja principal de la estructura PIN es la capacitancia de unión reducida debido al ancho de agotamiento extendido, lo que reduce la constante de tiempo RC y mejora el rendimiento de alta frecuencia. La capacitancia se aproxima mediante la fórmula.

donde ϵ\epsilonϵ es la permitividad del material semiconductor, AAA es el área activa, WiW_iWi​ es el ancho de la región intrínseca y WdW_dWd​ representa los anchos de agotamiento en las regiones p y n (a menudo insignificantes en capas muy dopadas). La región de agotamiento más amplia también permite una mayor eficiencia cuántica en un amplio rango espectral desde longitudes de onda ultravioleta a infrarroja, ya que se recolectan más portadores fotogenerados antes de la recombinación.[4] En comparación con los diodos p-n, los fotodiodos PIN exhiben niveles de ruido más bajos, principalmente debido al ruido térmico reducido asociado con la capacitancia más baja y la corriente oscura minimizada.[12]

En funcionamiento, particularmente en modo fotoconductor bajo polarización inversa, el fuerte campo eléctrico en la región intrínseca barre los pares de huecos de electrones fotogenerados hacia los contactos respectivos con una recombinación mínima, lo que permite una recolección eficiente de portadores.[11] Esta configuración admite aplicaciones de alta velocidad, con anchos de banda típicos que oscilan entre 10 y 100 GHz, según el espesor y el material de la capa intrínseca.[41] Aquí se hace referencia brevemente a los fotodiodos PIN por su rendimiento mejorado en operación fotoconductora con polarización inversa, como se detalla en discusiones de modo más amplias.

Los fotodiodos PIN, comúnmente empleados en receptores de telecomunicaciones para la detección de señales ópticas, se benefician de su equilibrio de velocidad y sensibilidad en los sistemas de fibra óptica.[22] Sin embargo, requieren voltajes de polarización inversa más altos (a menudo decenas de voltios) para agotar completamente la región intrínseca y lograr un rendimiento óptimo, lo que puede aumentar el consumo de energía y la complejidad del circuito. Además, la estructura multicapa introduce mayores desafíos de fabricación, incluido el control preciso del dopaje de la región intrínseca y la uniformidad del espesor durante los procesos de crecimiento epitaxial o difusión.[43]

Fotodiodo de avalancha

Los fotodiodos de avalancha (APD) son fotodiodos especializados que logran una ganancia de corriente interna mediante la multiplicación de la portadora, lo que permite una mayor sensibilidad para la detección de poca luz en sistemas ópticos. A diferencia de los fotodiodos estándar, los APD funcionan con una alta polarización inversa para desencadenar la ionización por impacto, amplificando la fotocorriente al tiempo que introducen características de ruido específicas. Este mecanismo de ganancia hace que los APD sean particularmente valiosos para aplicaciones que requieren altas relaciones señal-ruido, como las comunicaciones por fibra óptica y el conteo de fotones.[19][44]

La estructura de un APD normalmente incorpora una región de multiplicación de alto campo dentro de una configuración pin o utiliza capas de absorción y multiplicación separadas para separar la absorción de fotones de la multiplicación de portadores, optimizando la eficiencia cuántica y reduciendo el ruido. En el diseño basado en p-i-n, la región intrínseca se divide de modo que la fotogeneración se produce en una zona de absorción de campo inferior, mientras que la multiplicación ocurre en una región de avalancha de campo alto más estrecha bajo polarización inversa que excede los 100 V. Las estructuras de absorción-multiplicación separadas, a menudo denominadas SAM o SACM (absorción, carga y multiplicación separadas), mejoran aún más el rendimiento al adaptar las propiedades del material para longitudes de onda específicas, como las capas de absorción de InGaAs combinadas con la multiplicación de InP. regiones para la detección del infrarrojo cercano.[44][4][19]

La ganancia en los APD surge de la ionización por impacto, donde los portadores fotogenerados obtienen suficiente energía cinética en el alto campo eléctrico para ionizar átomos adicionales, creando pares secundarios de electrones y huecos que se multiplican aún más. Este proceso produce una ganancia de multiplicación M=IoutIphM = \frac{I_\text{out}}{I_\text{ph}}M=Iph​Iout​​, donde IoutI_\text{out}Iout​ es la corriente de salida e IphI_\text{ph}Iph​ es la fotocorriente primaria, con valores típicos que oscilan entre 100 y 1000 dependiendo del sesgo y el material. La corriente de salida total se puede expresar como

donde IdarkI_\text{dark}Idark​ representa los portadores generados térmicamente. Sin embargo, la naturaleza estocástica de la ionización conduce a un exceso de ruido, cuantificado por el factor de ruido F(M)≈MxF(M) \approx M^xF(M)≈Mx, con xxx como índice de exceso de ruido (normalmente 0,2–0,8 para diseños optimizados), lo que degrada la relación señal-ruido con altas ganancias.[45][46]

Los APD se clasifican según la portadora iniciadora y la dinámica de multiplicación: los tipos iniciados por electrones, comunes en dispositivos basados ​​en InP, aprovechan coeficientes de ionización de electrones más altos para reducir el ruido, mientras que las variantes iniciadas por huecos en el silicio explotan la multiplicación de huecos para aplicaciones de luz visible. Los APD de alcance extienden la región de agotamiento para agotar completamente la capa de absorción, lo que garantiza una penetración uniforme del campo y una mayor eficiencia, mientras que los APD de huecos de electrones permiten que ambos portadores contribuyan a la multiplicación, aunque esto a menudo aumenta el ruido debido a las tasas de ionización mixta. Los APD de silicio favorecen la iniciación de electrones a través de perfiles de dopaje que priorizan las avalanchas de electrones, logrando ganancias de hasta 1000 con ruido moderado.[47]

Capacidad de respuesta y sensibilidad

La capacidad de respuesta es una métrica de rendimiento fundamental para los fotodiodos, definida como la relación entre la fotocorriente generada IphI_{ph}Iph​ y la potencia óptica incidente PPP, expresada como R(λ)=IphPR(\lambda) = \frac{I_{ph}}{P}R(λ)=PIph.[52] Esto produce unidades de amperios por vatio (A/W), cuantificando la eficiencia del dispositivo para convertir la luz en señal eléctrica. La capacidad de respuesta depende de la longitud de onda, R(λ)R(\lambda)R(λ), y sigue la relación R(λ)=qληhcR(\lambda) = \frac{q \lambda \eta}{h c}R(λ)=hcqλη​, donde qqq es la carga elemental, λ\lambdaλ es la longitud de onda, η\etaη es la eficiencia cuántica, hhh es la constante de Planck y ccc es la velocidad de la luz; esta ecuación resalta el escalamiento lineal con energía y eficiencia de fotones. [52]

La eficiencia cuántica η(λ)\eta(\lambda)η(λ) es un factor clave en la capacidad de respuesta, que representa la relación entre los portadores de carga recolectados y los fotones incidentes, que a menudo alcanza el 70-90% en dispositivos optimizados.[53] La eficiencia cuántica externa tiene en cuenta pérdidas como la reflexión de la superficie, mientras que la eficiencia cuántica interna las excluye, centrándose en la absorción y recolección dentro de la región activa. La selección de materiales influye en η(λ)\eta(\lambda)η(λ), y el silicio ofrece valores altos en el visible al infrarrojo cercano debido a su banda prohibida de 1,12 eV, aunque espectros más amplios requieren materiales como InGaAs para una respuesta extendida.

Las métricas de sensibilidad se extienden más allá de la capacidad de respuesta para caracterizar señales mínimas detectables. La potencia equivalente de ruido (NEP) es la potencia incidente que produce una relación señal-ruido de 1 en un ancho de banda de 1 Hz, normalmente en W/√Hz.[54] La detectividad específica D∗D^D∗, una figura de mérito normalizada, viene dada por D∗=AΔfNEPD^ = \frac{\sqrt{A \Delta f}}{NEP}D∗=NEPAΔf​​, con unidades cm √Hz/W, donde AAA es el área activa y Δf\Delta fΔf es el ancho de banda; un D∗D^*D∗ más alto indica un rendimiento superior en condiciones de poca luz, que a menudo supera los 10^{12} cm √Hz/W para los fotodiodos de silicio.[54]

La capacidad de respuesta y la sensibilidad se miden utilizando fuentes de luz monocromática calibradas, como láseres o lámparas sintonizables, para iluminar el dispositivo mientras se monitorea la fotocorriente con un amplificador de transimpedancia bajo polarización controlada.[24] La temperatura afecta estas métricas, y la capacidad de respuesta varía con la longitud de onda, y generalmente disminuye entre un 0,2 % y un 0,4 % por °C en las regiones visible e infrarroja cercana debido a la ampliación de la banda prohibida, aunque puede ser positiva en el infrarrojo.[55]

Las estrategias de optimización mejoran el rendimiento, incluidos los revestimientos antirreflectantes (AR) que minimizan las pérdidas de Fresnel para aumentar la η\etaη externa hasta un 90 % en las longitudes de onda objetivo.[57] La adaptación del espesor de la capa de absorción y los perfiles de dopaje mejora aún más la eficiencia interna, mientras que la selección de materiales adaptados a las longitudes de onda de la aplicación garantiza una capacidad de respuesta máxima, como ocurre con el silicio para bandas de telecomunicaciones cercanas a 850 nm.[58]

Consideraciones de velocidad y ruido

La velocidad de un fotodiodo está fundamentalmente limitada por dos factores principales: la constante de tiempo RC asociada con la capacitancia y la resistencia de carga del dispositivo, y el tiempo de tránsito de la portadora a través de la región de agotamiento. El tiempo de subida τr\tau_rτr​ se aproxima por τr=2.2RLCtotal\tau_r = 2.2 R_L C_{total}τr​=2.2RL​Ctotal​, donde RLR_LRL​ es la resistencia de carga y CtotalC_{total}Ctotal​ incluye la capacitancia de unión y cualquier capacitancia parásita, lo que determina la respuesta temporal en aplicaciones de baja frecuencia. Para operaciones de alta velocidad, el ancho de banda está aún más limitado por el tiempo de tránsito de la portadora ttr=W/vst_{tr} = W / v_sttr​=W/vs​, donde WWW es el ancho de la capa de agotamiento y vsv_svs​ es la velocidad de saturación de los portadores de carga (generalmente alrededor de 10710^7107 cm/s en silicio), ya que los portadores deben atravesar la región de absorción antes de la recolección.[59] Estos límites a menudo dan como resultado anchos de banda de 3 dB que van desde GHz para estructuras PIN optimizadas hasta valores más bajos en dispositivos de área más grande, con la capacitancia de la unión escalando con el área activa y la polarización inversa reduciéndola al ampliar la región de agotamiento.

El ruido en los fotodiodos surge de múltiples fuentes que degradan la relación señal-ruido (SNR), particularmente en escenarios con poca luz o alta velocidad. El ruido de disparo, que se origina en la naturaleza discreta de la fotocorriente y la corriente oscura, tiene un valor cuadrático medio (rms) dado por ishot=2qIΔfi_{shot} = \sqrt{2 q I \Delta f}ishot​=2qIΔf​, donde qqq es la carga del electrón, III es la corriente total y Δf\Delta fΔf es el ancho de banda; este ruido limitado por Poisson domina bajo iluminación y establece el límite cuántico fundamental para la detección. El ruido térmico (Johnson), debido al movimiento térmico aleatorio de los portadores de carga, contribuye con una corriente eficaz de 4kTΔf/R\sqrt{4 k T \Delta f / R}4kTΔf/R​, con kkk como la constante de Boltzmann, TTT la temperatura y RRR la derivación o resistencia de carga, y se vuelve prominente en los circuitos de alta impedancia. Además, el ruido 1/f (parpadeo), que sigue una densidad espectral de potencia 1/fα1/f^\alpha1/fα (α≈1\alpha \approx 1α≈1) en bajas frecuencias, proviene de trampas de superficie y defectos de materiales en semiconductores como InGaAs, lo que afecta significativamente las señales de banda base por debajo de 1 kHz.

Una figura de mérito clave para evaluar el rendimiento de los fotodiodos bajo restricciones de ruido es el ancho de banda equivalente al ruido, que cuantifica el rango de frecuencia efectivo donde el ruido integrado es igual al ruido de disparo en una banda de 1 Hz, guiando compensaciones como aumentar la polarización inversa para mejorar la velocidad (al reducir la capacitancia) a costa de una mayor corriente oscura y, por lo tanto, un ruido de disparo amplificado. Por ejemplo, voltajes de polarización más altos pueden alcanzar anchos de banda superiores a 10 GHz, pero elevan las densidades de ruido térmico y de disparo, lo que requiere un diseño de circuito cuidadoso para mantener la SNR por encima de 20 dB en los sistemas de comunicación. Las estrategias de mitigación incluyen reducir el área activa para minimizar la capacitancia de la unión (reduciendo los límites de RC y el ruido térmico) y emplear amplificadores de transimpedancia (TIA), que convierten la fotocorriente en voltaje con amplificadores operacionales de bajo ruido, logrando niveles de ruido tan bajos como 10 fA/√Hz y al mismo tiempo preservando el ancho de banda de hasta varios GHz.[64][65]

Efectos de fotodiodo deseados

En los fotodiodos, la fotogeneración ocurre cuando los fotones incidentes con energía mayor que la banda prohibida del semiconductor se absorben, principalmente en la región de agotamiento, creando pares electrón-hueco o excitones que contribuyen a la fotocorriente. Este proceso es más eficiente en las regiones intrínsecas o ligeramente dopadas donde el campo eléctrico incorporado separa los portadores antes de la recombinación, lo que permite una alta eficiencia cuántica en operaciones con polarización inversa.

La recolección de portadores en fotodiodos se basa en mecanismos tanto de deriva como de difusión, donde el fuerte campo eléctrico en la región de agotamiento acelera a los portadores minoritarios hacia los contactos a través de la deriva, mientras que la difusión ayuda a recolectar los portadores generados cerca de los bordes de la región. Este transporte asistido por campo minimiza las pérdidas por recombinación, logrando rendimientos cuánticos cercanos a la unidad y respaldando tiempos de respuesta rápidos en estructuras bien diseñadas.

La selectividad de la longitud de onda en los fotodiodos surge de la banda prohibida del material, que determina la longitud de onda de corte más allá de la cual la absorción es insignificante, lo que permite una sensibilidad adaptada a rangos espectrales específicos. La relación está dada por la ecuación.

donde EgE_gEg​ es la energía de banda prohibida, hhh es la constante de Planck, ccc es la velocidad de la luz y λcutoff\lambda_{\text{cutoff}}λcutoff​ es la longitud de onda de corte; por ejemplo, los fotodiodos de silicio exhiben una fuerte caída de respuesta alrededor de 1100 nm correspondiente a Eg≈1.12E_g \approx 1.12Eg​≈1.12 eV.[68] Este filtrado intrínseco mejora las aplicaciones que requieren discriminación contra longitudes de onda más largas, como en la detección de luz visible.

La ganancia fotoconductora sin avalancha en ciertos fotodiodos, particularmente aquellos con estados de trampa, resulta del atrapamiento de portadores que prolonga la vida útil de un tipo de portador, permitiendo que el otro recircule y amplifique la fotocorriente más allá de la ganancia unitaria. En semiconductores de banda prohibida amplia como el β-Ga₂O₃ utilizado en los fotodiodos Schottky, este atrapamiento mediante orificios autoatrapados permite ganancias superiores a 50 manteniendo al mismo tiempo una linealidad razonable, beneficiosa para la detección con poca luz sin operación de alto voltaje.[69]

Los efectos térmicos pueden influir positivamente en la estabilidad de los fotodiodos a través de diseños de polarización con temperatura compensada, donde el calentamiento controlado o los ajustes del circuito contrarrestan las variaciones en la corriente oscura y la capacidad de respuesta, lo que garantiza un rendimiento constante en todos los rangos operativos.

Efectos de fotodiodos no deseados

Un efecto no deseado importante de los fotodiodos es la corriente oscura, que se refiere a la pequeña corriente eléctrica que fluye a través del dispositivo en ausencia total de luz incidente. Esta corriente surge principalmente de la generación térmica de pares de huecos de electrones dentro del material semiconductor, particularmente en la región de agotamiento y las regiones casi neutras adyacentes. La magnitud de la corriente oscura se puede aproximar mediante la fórmula Idark=qni2A(Lpτp+Lnτn)/NdI_{\text{dark}} = q n_i^2 A \left( \frac{L_p}{\tau_p} + \frac{L_n}{\tau_n} \right) / N_dIdark​=qni2​A(τp​Lp​​+τn​Ln​)/Nd​, donde qqq es la carga elemental, nin_ini​ es la concentración de portador intrínseco, AAA es el área de unión, LpL_pLp​ y LnL_nLn​ son las longitudes de difusión para huecos y electrones, τp\tau_pτp​ y τn\tau_nτn​ son las vidas útiles correspondientes de los portadores minoritarios, y NdN_dNd​ es la concentración de donantes en el lado n (asumiendo una unión asimétrica).[70] La corriente oscura muestra una fuerte dependencia de la temperatura, normalmente duplicándose por cada aumento de 10°C en la temperatura debido al aumento exponencial de la concentración de portadores intrínsecos con la energía térmica.[23]

A intensidades de luz altas, los fotodiodos pueden experimentar saturación, donde la fotocorriente de salida ya no aumenta linealmente con la potencia óptica de entrada. Esto ocurre debido a mecanismos de compresión de ganancia, como los efectos de carga espacial que ralentizan el transporte de portadores y al aumento de las pérdidas por recombinación en la región activa, que reducen la eficiencia de recolección de portadores fotogenerados. En las matrices de fotodiodos, la diafonía representa otro efecto adverso, que se manifiesta como una interferencia de señal no deseada entre elementos adyacentes. La diafonía óptica surge de la dispersión o difracción de la luz en píxeles vecinos, mientras que la diafonía eléctrica surge del acoplamiento capacitivo o de corrientes de sustrato que propagan señales lateralmente a través de la estructura semiconductora compartida.

Los fotodiodos también son susceptibles al envejecimiento y la degradación a largo plazo, lo que puede comprometer el rendimiento con el tiempo. La exposición a la radiación, como en entornos espaciales, induce defectos en la red cristalina que aumentan la corriente oscura y reducen la capacidad de respuesta; por ejemplo, los dispositivos basados ​​en silicio muestran una degradación significativa después de dosis de irradiación de protones equivalentes a años en órbita terrestre baja.[72] La humedad acelera la degradación al promover la entrada de humedad, lo que provoca corrosión en los contactos o capas de pasivación y corrientes de fuga elevadas. Estos factores contribuyen a reducir el tiempo medio entre fallas (MTBF), a menudo estimado mediante modelos de pruebas de vida aceleradas que tienen en cuenta factores estresantes ambientales para predecir la confiabilidad operativa.

Detección óptica y comunicación

Los fotodiodos desempeñan un papel fundamental en los sistemas de comunicación y detección óptica, donde convierten la luz incidente en señales eléctricas para la transmisión de datos de alta fidelidad y el monitoreo ambiental. En los receptores de fibra óptica, el PIN de arseniuro de indio y galio (InGaAs) y los fotodiodos de avalancha (APD) se emplean ampliamente debido a su sensibilidad en el rango del infrarrojo cercano (900-1700 nm), lo que permite la detección de señales ópticas moduladas en infraestructuras de telecomunicaciones. Estos dispositivos admiten velocidades de datos de 10 Gbps a 400 Gbps en aplicaciones Ethernet, como interconexiones de centros de datos y redes de larga distancia, al proporcionar amplificación de bajo ruido y un gran ancho de banda superior a 30 GHz. Por ejemplo, los APD de InGaAs logran un producto de ganancia-ancho de banda de más de 400 GHz, lo que facilita el funcionamiento sin errores en sistemas de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM). Las tasas de error de bits (BER) inferiores a 10^{-12} se mantienen de forma rutinaria mediante técnicas de corrección de errores directa (FEC), que corrigen las BER anteriores a FEC hasta 10^{-3} agregando bits de paridad, lo que garantiza un rendimiento confiable en distancias superiores a 100 km sin regeneración.

En aplicaciones de rango visible, como escáneres de códigos de barras y sistemas de detección y alcance de luz (LIDAR), los fotodiodos de silicio dominan debido a su rentabilidad, tiempos de respuesta rápidos (tiempos de elevación inferiores a 1 ns) y amplia sensibilidad de 400 nm a 1100 nm. Los lectores de códigos de barras utilizan fotodiodos PIN de silicio para detectar pulsos láser reflejados en patrones de barras, convirtiendo variaciones de intensidad en señales eléctricas para decodificar a velocidades de hasta miles de escaneos por segundo. En LIDAR, los APD de silicio o fotodiodos PIN permiten la detección de pulsos midiendo el tiempo de vuelo de pulsos láser cortos (normalmente de 10 a 100 ns de duración), logrando una resolución submilimétrica en aplicaciones automotrices y topográficas mediante la sincronización precisa de la llegada de los fotones. Estos fotodiodos ofrecen eficiencias cuánticas superiores al 80 % en el espectro visible, lo que minimiza la diafonía y permite diseños compactos y de bajo consumo.

La detección ambiental aprovecha fotodiodos especializados para el monitoreo sin contacto de las condiciones atmosféricas. Los fotodiodos de nitruro de galio (GaN) destacan en los monitores ultravioleta (UV), ya que presentan un funcionamiento ciego a la luz solar (corte por debajo de 365 nm) y una alta capacidad de respuesta (hasta 0,2 A/W a 254 nm), lo que los hace ideales para detectar niveles de ozono o índice UV solar sin interferencia de la luz visible. Estos dispositivos funcionan en modo fotovoltaico para mediciones de baja potencia en tiempo real en estaciones exteriores, con detectividades superiores a 10^{12} Jones para monitoreo de rastros de flujo UV. Para la detección de gases, los fotodiodos integrados en los sistemas de espectroscopia de absorción cuantifican especies como el metano o el CO2 midiendo la atenuación de la luz en longitudes de onda específicas; Los fotodiodos de silicio o InGaAs combinados con láseres de diodo sintonizables logran una sensibilidad de partes por mil millones a través de la detección diferencial, lo que reduce el ruido de la luz ambiental.

La integración de fotodiodos con láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) en transceptores ópticos mejora la eficiencia de los enlaces de corto alcance en las redes 5G y 6G emergentes. Los fotodiodos de silicio o InGaA se empaquetan junto con VCSEL de 850 nm o 1310 nm en módulos conectables (por ejemplo, QSFP-DD), que admiten velocidades de datos bidireccionales de hasta 400 Gbps a través de fibra multimodo con un consumo de energía inferior a 10 W por canal. En el fronthaul 5G, estos transceptores transportan señales de radio digitalizadas entre unidades de banda base y cabezales de radio remotos, logrando latencias inferiores a 100 μs mediante duplexación por división de tiempo. Para los prototipos 6G, la integración híbrida en plataformas fotónicas de silicio incorpora fotodiodos PIN para fronthaul analógico, lo que permite una capacidad agregada de terabits por segundo y al mismo tiempo cumple con los requisitos de alimentación a través de fibra para unidades remotas.

Un caso de estudio notable es el despliegue de fotodiodos en cables submarinos de fibra óptica, que sustentan más del 99% del tráfico mundial de Internet. En las estaciones de aterrizaje de cables, los APD de InGaAs de alta sensibilidad sirven como receptores en equipos terminales, demodulando señales multiplexadas en longitud de onda a velocidades de hasta 400 Gbps por canal en tramos transoceánicos que superan los 10.000 km. Mientras que los repetidores modernos utilizan principalmente amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) para la regeneración totalmente óptica cada 50 a 80 km, los sistemas y nodos de monitoreo heredados incorporan pares PIN/APD para la detección de fallas y la verificación del rendimiento, lo que garantiza una BER por debajo de 10^{-12} con FEC para admitir una conectividad intercontinental perfecta. Esta infraestructura, ejemplificada por sistemas como el cable MAREA (Microsoft/Facebook, 2018), se basa en matrices de fotodiodos para multiplexar hasta 256 canales, lo que facilita el rendimiento a escala de petabit para servicios en la nube y aplicaciones en tiempo real.

Imágenes e instrumentación científica

En aplicaciones de imágenes, los sensores de imagen complementarios de semiconductores de óxido metálico (CMOS) emplean sensores de píxeles activos (APS) que integran fotodiodos como elementos primarios de detección de luz, lo que permite diseños compactos y rentables para cámaras de consumo, como las de teléfonos inteligentes y cámaras digitales. Cada píxel de un CMOS APS consta de un fotodiodo emparejado con uno o más transistores para amplificación y lectura, lo que permite el procesamiento de señales en el chip que reduce la necesidad de circuitos externos y mejora la eficiencia energética en comparación con los dispositivos tradicionales de carga acoplada (CCD).[76][77] Estos sensores dominan los mercados de consumo debido a su capacidad para capturar imágenes de alta resolución a velocidades de vídeo, con factores de llenado que a menudo superan el 60% a través de conjuntos de microlentes que dirigen la luz hacia el área activa del fotodiodo.[78]

En la instrumentación científica, las matrices de fotodiodos desempeñan un papel crucial en la espectroscopia, particularmente en monocromadores donde las matrices de silicio (Si) y germanio (Ge) permiten un análisis preciso de materiales en los espectros visible e infrarrojo. Los conjuntos de fotodiodos de Si detectan longitudes de onda desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano (aproximadamente 200 a 1100 nm), mientras que las variantes de Ge extienden la sensibilidad al infrarrojo medio (hasta 1800 nm), lo que facilita aplicaciones como la espectroscopia Raman y el monitoreo ambiental al dispersar la luz a través de un monocromador y medir la intensidad en múltiples canales simultáneamente. Estos conjuntos proporcionan alta resolución espacial y baja diafonía, esenciales para resolver líneas espectrales en estudios de composición química, con eficiencias cuánticas que a menudo alcanzan el 80-90% en configuraciones optimizadas de Si.[81]

Las aplicaciones médicas aprovechan los fotodiodos para diagnósticos no invasivos, como en los oxímetros de pulso que funcionan en modo de transmisión, donde la luz roja y el infrarrojo cercano pasan a través del tejido como la yema de un dedo, y la intensidad transmitida es detectada por un fotodiodo para calcular la saturación de oxígeno en sangre a través de la proporción de luz absorbida en longitudes de onda duales (generalmente 660 nm y 940 nm). En microscopía de fluorescencia, los fotodiodos, incluidas las variantes de avalancha, detectan la luz emitida por fluoróforos excitados por láseres, lo que permite obtener imágenes de alta sensibilidad de estructuras celulares con resolución submicrónica; por ejemplo, los diodos de avalancha de fotón único (SPAD) integrados en matrices logran una sincronización de picosegundos para las mediciones de la vida útil de la fluorescencia.[84][85]

En física de partículas, los fotomultiplicadores de silicio (SiPM), conjuntos compactos de fotodiodos de avalancha, sirven como detectores clave en experimentos en el CERN, como la actualización del CMS en el Gran Colisionador de Hadrones, donde se acoplan a fibras o cristales centelleantes para marcar el tiempo de las interacciones de las partículas con una precisión de menos de nanosegundos y detectar rendimientos de poca luz en colisiones de alta energía. Los SiPM ofrecen eficiencias de detección de fotones de hasta el 50 %, insensibilidad al campo magnético y robustez en entornos de radiación, superando a los tubos fotomultiplicadores tradicionales en calorimetría y sistemas de seguimiento.

Matrices de fotodiodos

Las matrices de fotodiodos integran múltiples fotodiodos en disposiciones estructuradas para permitir la detección de luz paralela en dimensiones espaciales, facilitando aplicaciones como escaneo e imágenes. Los conjuntos lineales unidimensionales (1D) normalmente constan de 512 a 1024 fotodiodos de silicio, cada uno de aproximadamente 25 μm de ancho y 2 mm de alto, dispuestos en una fila para tareas como espectrofotometría, donde la dispersión espectral se captura a lo largo de un solo eje. Las matrices bidimensionales (2D) expanden esto a cuadrículas con M filas y N columnas, a menudo utilizando arquitecturas de dispositivos de carga acoplada (CCD) o semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) para formar planos de imágenes en cámaras, donde las líneas CCD orientadas horizontalmente o las matrices de píxeles recogen la luz para la captura de fotograma completo.

Los mecanismos de lectura en conjuntos de fotodiodos varían según la arquitectura para transferir la carga acumulada de manera eficiente. En los conjuntos basados ​​en CCD, la carga se desplaza en serie a través del conjunto mediante puertas acopladas, lo que permite una transferencia con poco ruido pero requiere una sincronización global que puede limitar la velocidad en formatos grandes.[98] Por el contrario, las matrices de sensores de píxeles activos (APS) CMOS incorporan amplificadores y circuitos de direccionamiento en cada píxel, lo que permite una lectura de acceso aleatorio para una mayor velocidad e integración del procesamiento en el chip, aunque con un ruido potencialmente mayor debido a la variabilidad del transistor. Los sensores de píxeles pasivos (PPS), una variante CMOS anterior, se basan en puertas de columna compartidas para la lectura, lo que ofrece una fabricación más sencilla pero presenta un mayor ruido de patrón fijo en comparación con los APS debido a la falta de amplificación por píxel.[100]

La escalabilidad de las matrices de fotodiodos ha avanzado para admitir resoluciones superiores a 100 megapíxeles en implementaciones CMOS, impulsada por la reducción del tamaño de los píxeles a 2-4 μm mientras se mantiene el rendimiento.[101] Los factores de relleno, la relación entre el área activa sensible a la luz y el área total de píxeles, superan habitualmente el 90 % mediante la integración de conjuntos de microlentes que enfocan la luz incidente en el fotodiodo, minimizando las pérdidas de los circuitos circundantes.[102] Esta mejora es particularmente crítica en diseños de APS donde la sobrecarga del transistor reduce el área fotosensible intrínseca.

Los desafíos clave en las matrices de fotodiodos incluyen lograr uniformidad entre los elementos y prevenir la floración. Las variaciones de ganancia de píxel a píxel generalmente se mantienen por debajo del 10% en matrices CCD mediante una fabricación precisa, pero CMOS APS puede exhibir un mayor ruido de patrón fijo debido a desajustes de umbrales, lo que requiere técnicas de calibración como el muestreo doble correlacionado.[103] El florecimiento, el desbordamiento del exceso de carga hacia los píxeles adyacentes durante una iluminación intensa, se mitiga mediante puertas anti-florecimiento o drenajes de desbordamiento verticales en las estructuras CCD, lo que limita el desbordamiento a los diodos vecinos y preserva la fidelidad de la imagen.

Los avances recientes hasta 2025 se han centrado en arquitecturas apiladas e iluminación trasera (BSI) para superar las limitaciones tradicionales. Los sensores CMOS apilados de tres obleas con fotodiodos BSI permiten la operación global del obturador al separar la recolección de carga de los circuitos de lectura, logrando eficiencias del obturador superiores al 99,9 % sin artefactos rodantes en imágenes de alta velocidad.[106] Las configuraciones BSI iluminan el fotodiodo desde la parte posterior, evitando las sombras del cableado frontal para aumentar la eficiencia cuántica (QE) por encima del 90% en el espectro visible, particularmente para píxeles pequeños en conjuntos de megapíxeles. Estas innovaciones, incluidos los sensores de obturador global BSI apilados de píxeles de 2,2 μm, admiten módulos compactos de alto rango dinámico para entornos exigentes como la visión artificial.[108]

Fotodiodo fijado

El fotodiodo fijado (PPD) es una estructura de fotodiodo enterrado esencial para los modernos dispositivos de carga acoplada (CCD) y sensores de imagen de semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS), que presenta una configuración p⁺/n/p que fija el potencial de la superficie para minimizar el ruido y los defectos. La región de tipo n sirve como volumen de recolección de carga dentro de una capa o sustrato epitaxial de tipo p, mientras que la capa de fijación p⁺ poco profunda en la superficie acumula agujeros para evitar el agotamiento y aislar el área activa de las trampas de interfaz en el límite de óxido de silicio. Este diseño permite una acumulación y transferencia eficiente de fotoelectrones, lo que lo distingue de los fotodiodos de unión pn más simples.

Desarrollado a principios de la década de 1980 por Nobukazu Teranishi y colegas de NEC Corporation, el PPD se introdujo inicialmente para CCD de transferencia entre líneas para suprimir la mancha vertical y reducir la generación de corriente oscura, lo que marcó un avance fundamental con respecto a los fotodiodos de canal de superficie. Su adaptación a los sensores de píxeles activos CMOS a mediados de la década de 1990, dirigida por Eric Fossum en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, revolucionó las imágenes científicas y de consumo al integrar la detección de bajo ruido con la amplificación en el chip. La física de la estructura se basa en el potencial fijado que mantiene un campo eléctrico estable, que confina los electrones fotogenerados en el pozo n durante la exposición y al mismo tiempo permite el agotamiento completo para la transferencia de carga.

En una operación típica dentro de un píxel CMOS de cuatro transistores (4T), el PPD integra fotocarga bajo polarización inversa desde el contacto del sustrato, con electrones recolectados en el bolsillo potencial de la región n a medida que la absorción de luz crea pares electrón-hueco: agujeros que se desplazan hacia el sustrato p y electrones hacia la capa enterrada n.[111] La lectura implica pulsar la puerta de transferencia implantada en n⁺ para formar un canal debajo del óxido de la puerta, transfiriendo rápidamente el paquete de carga a un nodo de difusión flotante adyacente sin retraso residual, seguido de un buffer fuente-seguidor y un muestreo doble correlacionado para restar el ruido de reinicio.[110] La acumulación de agujeros en la capa de fijación suprime la generación asistida por trampa, lo que produce densidades de corriente oscura tan bajas como 0,1–1 e⁻/píxel/s a temperatura ambiente en procesos optimizados.

Las ventajas clave incluyen una eficiencia de transferencia de carga casi completa (>99,99 %), la eliminación del retraso de la imagen que se observa en diodos parcialmente agotados y un ruido de lectura inherentemente bajo (hasta niveles subelectrónicos con CDS), que admite un alto rango dinámico superior a 70 dB en implementaciones retroiluminadas.[109] La capa p⁺ poco profunda mejora la sensibilidad a la luz azul al reducir las pérdidas de absorción cerca de la superficie, mientras que la compatibilidad con la fabricación CMOS estándar permite un escalado rentable a matrices de megapíxeles.[110] Las limitaciones implican una posible variabilidad del voltaje de fijación que afecta la capacidad total del pozo (normalmente entre 10 000 y 50 000 electrones), abordada en variantes avanzadas mediante la optimización del espesor epitaxial.[111]

Modo fotovoltaico

En modo fotovoltaico, un fotodiodo funciona sin ningún voltaje de polarización externo, confiando en la diferencia de potencial incorporada a través de la unión p-n para separar los portadores de carga fotogenerados. Cuando se absorben fotones con energía mayor que la banda prohibida del semiconductor, crean pares electrón-hueco principalmente en o cerca de la región de agotamiento. Estos portadores están separados por el campo eléctrico interno: los electrones se desplazan hacia el lado n y los agujeros hacia el lado p, generando una fotocorriente que puede producir un voltaje medible a través de los terminales del dispositivo. Este modo aprovecha el efecto fotovoltaico, similar al de las células solares, pero está diseñado para la detección de luz en lugar de una conversión eficiente de energía.[22]

La dinámica de los portadores en este modo implica procesos tanto de difusión como de deriva. Los pares electrón-hueco generados en las regiones neutras se difunden aleatoriamente hasta llegar a la región de agotamiento, donde el fuerte campo incorporado los separa de manera eficiente, minimizando la recombinación. En condiciones de cortocircuito (voltaje cero a través del dispositivo), la corriente resultante fluye libremente, mientras que en condiciones de circuito abierto, la acumulación de portadores genera un voltaje que se opone a una mayor separación. La corriente de cortocircuito IscI_{sc}Isc​ se expresa como

donde qqq es la carga elemental, η\etaη es la eficiencia cuántica, PPP es la potencia óptica incidente, AAA es el área activa y hνh \nuhν es la energía del fotón. El voltaje de circuito abierto VocV_{oc}Voc​ se aproxima mediante la ecuación del diodo

donde kkk es la constante de Boltzmann, TTT es la temperatura absoluta e I0I_0I0​ es la corriente de saturación oscura.[22][12]

Este modo de funcionamiento ofrece distintas ventajas, incluido un ruido muy bajo debido a una corriente oscura insignificante y la capacidad de funcionar de forma autoalimentada sin circuitos externos. Sin embargo, tiene limitaciones, como tiempos de respuesta más lentos en comparación con los modos sesgados, ya que la ausencia de un campo externo reduce la eficiencia de recolección de los transportistas y aumenta los tiempos de tránsito. Los fotodiodos en modo fotovoltaico están optimizados para una detección precisa de la luz con una respuesta lineal a la intensidad, a diferencia de las células solares que priorizan la maximización de la producción de energía a través de áreas más grandes y opciones de materiales específicos.[23][12]

Modo fotoconductor

En el modo fotoconductor, se aplica un voltaje de polarización inversa a través del fotodiodo, ampliando la región de agotamiento en comparación con la operación de polarización cero y mejorando así la eficiencia de separación y recolección de pares de huecos de electrones fotogenerados al tiempo que se reduce la capacitancia de la unión. Esta configuración de polarización hace que el dispositivo funcione como una resistencia dependiente de la luz, donde la corriente generada varía directamente con la intensidad de la luz incidente, lo que permite una medición precisa de la potencia óptica.

La fotocorriente en este modo se expresa como Iph=R⋅PI_{ph} = R \cdot PIph​=R⋅P, donde RRR es la capacidad de respuesta (típicamente en A/W) y PPP es la potencia óptica incidente; la corriente total es entonces I=Iph+IdarkI = I_{ph} + I_{dark}I=Iph​+Idark​, con la corriente oscura IdarkI_{dark}Idark​ aumentando bajo el voltaje de polarización inversa aplicado VrV_rVr​.[24]

El ancho de banda de 3 dB, que determina la respuesta de frecuencia, está influenciado por la capacitancia de la unión CjC_jCj​ y comúnmente está limitado por la constante de tiempo RC, aproximada como f3dB=12πRLCjf_{3dB} = \frac{1}{2\pi R_L C_j}f3dB​=2πRL​Cj​1​, donde RLR_LRL​ es la resistencia de carga; una mayor polarización inversa reduce CjC_jCj​, ampliando el ancho de banda para una operación más rápida.[24]

La linealidad en el modo fotoconductor es una característica clave, ya que la corriente de salida mantiene una relación proporcional a la intensidad de la luz en varios órdenes de magnitud hasta que se produce la saturación, y el voltaje de polarización aplicado mejora esto al minimizar la recombinación de portadores y los efectos de difusión que podrían introducir no linealidad.

Este modo ofrece ventajas como una velocidad superior y una capacitancia reducida en relación con el funcionamiento imparcial, lo que lo hace ideal para aplicaciones de alta frecuencia como comunicaciones de fibra óptica y sistemas de medición por láser.[26]

Materiales semiconductores

El silicio es el material semiconductor más utilizado para fotodiodos que operan en el espectro visible e infrarrojo cercano (NIR), con una energía de banda prohibida de 1,12 eV que permite una absorción eficiente de fotones de hasta aproximadamente 1100 nm.[27] El germanio, que presenta una banda prohibida más estrecha de 0,67 eV, extiende la sensibilidad a la región infrarroja hasta aproximadamente 1700 nm, lo que lo hace adecuado para la detección en el infrarrojo medio. Los fotodiodos de arseniuro de galio (GaAs), con una banda prohibida de 1,43 eV, apuntan a aplicaciones NIR alrededor de 870 nm, ofreciendo una mayor movilidad de electrones en comparación con el silicio para tiempos de respuesta más rápidos.[25] El arseniuro de indio y galio (InGaAs), sintonizable con una banda prohibida de alrededor de 0,75 eV, proporciona una cobertura NIR ampliada de hasta 1,7 μm, ideal para longitudes de onda de telecomunicaciones.[25]

Las propiedades clave del material que influyen en el rendimiento de los fotodiodos incluyen el coeficiente de absorción α(λ) dependiente de la longitud de onda, que cuantifica la fuerza con la que se absorbe la luz; la profundidad de penetración, dada por 1/α, determina la ubicación óptima de la unión pn para maximizar la eficiencia de recolección de portadores.[27] Por ejemplo, el silicio exhibe valores de α del orden de 10 ^ 4 cm⁻¹ a 800 nm, lo que lleva a profundidades de penetración poco profundas de aproximadamente 1 μm, mientras que el α más bajo del germanio en el IR requiere capas de absorción más gruesas. La movilidad de los transportistas, la medición de la velocidad de transporte de carga y la vida útil de los transportistas minoritarios, que afectan las tasas de recombinación, impactan directamente el tiempo de respuesta; Los materiales de alta movilidad como GaAs (movilidad electrónica ~8500 cm²/V·s) permiten anchos de banda superiores a 10 GHz.[29]

La selección de materiales para los fotodiodos depende del rango de longitud de onda objetivo, desde ultravioleta hasta infrarrojo, y el silicio domina las aplicaciones UV-visible debido a su amplia absorción y estabilidad de temperatura de hasta 150 °C.[25] La estabilidad de la temperatura es fundamental, ya que las energías de banda prohibida disminuyen con el aumento de la temperatura, lo que cambia los bordes de absorción; Los compuestos III-V como el InGaA mantienen un mejor rendimiento en entornos hostiles que el germanio. Las compensaciones entre costo y rendimiento favorecen al silicio para detectores visibles de bajo costo y alto volumen, mientras que los materiales III-V como GaAs e InGaAs se prefieren para las telecomunicaciones de alta velocidad a pesar de los mayores costos de fabricación.[25]

Los materiales emergentes a partir de 2025 incluyen perovskitas de haluro, que ofrecen absorción de banda ancha y altas eficiencias cuánticas, a menudo acercándose al 90% en dispositivos NIR visibles optimizados, aunque los problemas de estabilidad bajo la humedad y el calor limitan la adopción comercial. Los materiales bidimensionales como el grafeno permiten una detección ultrarrápida con tiempos de respuesta del orden de picosegundos a nanosegundos, beneficiándose de altas movilidades de portadores que superan los 10.000 cm²/V·s a temperatura ambiente, pero persisten los desafíos en la ingeniería e integración de banda prohibida.[21]

Los niveles de dopaje en estos materiales forman la unión p-n esencial para la separación de los portadores; en el silicio, el dopaje de tipo p normalmente utiliza boro en concentraciones de 10^{15}-10^{18} cm^{-3} para crear sitios aceptores, mientras que el dopaje de tipo n emplea fósforo en niveles similares para proporcionar electrones donantes.[31]

Técnicas de fabricación

La fabricación de fotodiodos comienza con la preparación de obleas, donde se producen sustratos semiconductores de alta pureza para garantizar defectos mínimos y propiedades eléctricas uniformes. Para los fotodiodos basados ​​en silicio, el proceso de Czochralski se emplea ampliamente para cultivar lingotes monocristalinos a partir de una fuente de silicio fundido, seguido de su corte en obleas que sirven como base para las capas del dispositivo. El dopado de estas obleas para crear regiones de tipo n o tipo p se logra mediante difusión, donde los átomos dopantes como fósforo o boro se introducen mediante procesos térmicos, o implantación de iones, que acelera los iones dopantes en la red para un control preciso sobre los perfiles de concentración. Estos pasos son críticos para establecer la conductividad base y las características de unión esenciales para la funcionalidad del fotodiodo.

La formación de uniones sigue a la preparación de la oblea, particularmente para estructuras PIN que requieren una región intrínseca para minimizar la capacitancia y mejorar la velocidad. Las técnicas de crecimiento epitaxial, como la deposición química de vapor organometálico (MOCVD) o la epitaxia de haz molecular (MBE), se utilizan para depositar la capa intrínseca con precisión a nivel atómico sobre el sustrato dopado, lo que permite interfaces con pocos defectos y propiedades de banda prohibida adaptadas. Por ejemplo, MOCVD facilita la deposición uniforme de materiales III-V como InGaAs para la detección en el infrarrojo cercano, mientras que MBE ofrece un control superior para heteroestructuras reticuladas en dispositivos avanzados. Estos métodos garantizan las transiciones abruptas de dopaje de la unión pin, que son vitales para una recolección eficiente de portadores.

Los pasos de metalización y pasivación protegen el dispositivo y optimizan el acoplamiento óptico. Los contactos óhmicos, típicamente formados usando pilas de titanio-aluminio (Ti/Al) para regiones de tipo n, se evaporan o pulverizan sobre la superficie del semiconductor seguido de recocido para lograr interfaces de baja resistencia sin rectificación. Las capas de pasivación, como el dióxido de silicio (SiO₂), se depositan luego mediante deposición química de vapor mejorada con plasma para encapsular la unión y evitar la recombinación de la superficie, mientras que los recubrimientos antirreflectantes como el SiO₂ o las pilas multicapa reducen las pérdidas por reflexión en la superficie de entrada de luz, mejorando la eficiencia cuántica hasta en un 20-30 % en los fotodiodos de silicio.[35]

El embalaje completa la fabricación garantizando la estabilidad ambiental y el rendimiento óptico. El sellado hermético, a menudo en envases TO-can o cerámicos, utiliza tapas metálicas soldadas a la base para excluir la humedad y los contaminantes, mejorando así la confiabilidad a largo plazo en condiciones difíciles.[36] Durante el montaje se incorpora integración con ópticas, como lentes asféricas o ventanas, para enfocar la luz incidente en el área activa, minimizando la divergencia y maximizando la eficiencia del acoplamiento para aplicaciones como receptores de fibra óptica.

Fotodiodo PIN

El fotodiodo PIN presenta una estructura en capas que consta de una región semiconductora de tipo p, una región semiconductora intrínseca (sin dopar o ligeramente dopada) y una región semiconductora de tipo n, denominada p-i-n.[40] La región intrínseca, típicamente de varios micrómetros de espesor, separa las capas p y n fuertemente dopadas y se expande significativamente bajo polarización inversa para formar una amplia zona de agotamiento. Este diseño contrasta con los fotodiodos pn estándar al minimizar la difusión del portador y mejorar la uniformidad del campo eléctrico en todo el área de absorción.

Una ventaja principal de la estructura PIN es la capacitancia de unión reducida debido al ancho de agotamiento extendido, lo que reduce la constante de tiempo RC y mejora el rendimiento de alta frecuencia. La capacitancia se aproxima mediante la fórmula.

donde ϵ\epsilonϵ es la permitividad del material semiconductor, AAA es el área activa, WiW_iWi​ es el ancho de la región intrínseca y WdW_dWd​ representa los anchos de agotamiento en las regiones p y n (a menudo insignificantes en capas muy dopadas). La región de agotamiento más amplia también permite una mayor eficiencia cuántica en un amplio rango espectral desde longitudes de onda ultravioleta a infrarroja, ya que se recolectan más portadores fotogenerados antes de la recombinación.[4] En comparación con los diodos p-n, los fotodiodos PIN exhiben niveles de ruido más bajos, principalmente debido al ruido térmico reducido asociado con la capacitancia más baja y la corriente oscura minimizada.[12]

En funcionamiento, particularmente en modo fotoconductor bajo polarización inversa, el fuerte campo eléctrico en la región intrínseca barre los pares de huecos de electrones fotogenerados hacia los contactos respectivos con una recombinación mínima, lo que permite una recolección eficiente de portadores.[11] Esta configuración admite aplicaciones de alta velocidad, con anchos de banda típicos que oscilan entre 10 y 100 GHz, según el espesor y el material de la capa intrínseca.[41] Aquí se hace referencia brevemente a los fotodiodos PIN por su rendimiento mejorado en operación fotoconductora con polarización inversa, como se detalla en discusiones de modo más amplias.

Los fotodiodos PIN, comúnmente empleados en receptores de telecomunicaciones para la detección de señales ópticas, se benefician de su equilibrio de velocidad y sensibilidad en los sistemas de fibra óptica.[22] Sin embargo, requieren voltajes de polarización inversa más altos (a menudo decenas de voltios) para agotar completamente la región intrínseca y lograr un rendimiento óptimo, lo que puede aumentar el consumo de energía y la complejidad del circuito. Además, la estructura multicapa introduce mayores desafíos de fabricación, incluido el control preciso del dopaje de la región intrínseca y la uniformidad del espesor durante los procesos de crecimiento epitaxial o difusión.[43]

Fotodiodo de avalancha

Los fotodiodos de avalancha (APD) son fotodiodos especializados que logran una ganancia de corriente interna mediante la multiplicación de la portadora, lo que permite una mayor sensibilidad para la detección de poca luz en sistemas ópticos. A diferencia de los fotodiodos estándar, los APD funcionan con una alta polarización inversa para desencadenar la ionización por impacto, amplificando la fotocorriente al tiempo que introducen características de ruido específicas. Este mecanismo de ganancia hace que los APD sean particularmente valiosos para aplicaciones que requieren altas relaciones señal-ruido, como las comunicaciones por fibra óptica y el conteo de fotones.[19][44]

La estructura de un APD normalmente incorpora una región de multiplicación de alto campo dentro de una configuración pin o utiliza capas de absorción y multiplicación separadas para separar la absorción de fotones de la multiplicación de portadores, optimizando la eficiencia cuántica y reduciendo el ruido. En el diseño basado en p-i-n, la región intrínseca se divide de modo que la fotogeneración se produce en una zona de absorción de campo inferior, mientras que la multiplicación ocurre en una región de avalancha de campo alto más estrecha bajo polarización inversa que excede los 100 V. Las estructuras de absorción-multiplicación separadas, a menudo denominadas SAM o SACM (absorción, carga y multiplicación separadas), mejoran aún más el rendimiento al adaptar las propiedades del material para longitudes de onda específicas, como las capas de absorción de InGaAs combinadas con la multiplicación de InP. regiones para la detección del infrarrojo cercano.[44][4][19]

La ganancia en los APD surge de la ionización por impacto, donde los portadores fotogenerados obtienen suficiente energía cinética en el alto campo eléctrico para ionizar átomos adicionales, creando pares secundarios de electrones y huecos que se multiplican aún más. Este proceso produce una ganancia de multiplicación M=IoutIphM = \frac{I_\text{out}}{I_\text{ph}}M=Iph​Iout​​, donde IoutI_\text{out}Iout​ es la corriente de salida e IphI_\text{ph}Iph​ es la fotocorriente primaria, con valores típicos que oscilan entre 100 y 1000 dependiendo del sesgo y el material. La corriente de salida total se puede expresar como

donde IdarkI_\text{dark}Idark​ representa los portadores generados térmicamente. Sin embargo, la naturaleza estocástica de la ionización conduce a un exceso de ruido, cuantificado por el factor de ruido F(M)≈MxF(M) \approx M^xF(M)≈Mx, con xxx como índice de exceso de ruido (normalmente 0,2–0,8 para diseños optimizados), lo que degrada la relación señal-ruido con altas ganancias.[45][46]

Los APD se clasifican según la portadora iniciadora y la dinámica de multiplicación: los tipos iniciados por electrones, comunes en dispositivos basados ​​en InP, aprovechan coeficientes de ionización de electrones más altos para reducir el ruido, mientras que las variantes iniciadas por huecos en el silicio explotan la multiplicación de huecos para aplicaciones de luz visible. Los APD de alcance extienden la región de agotamiento para agotar completamente la capa de absorción, lo que garantiza una penetración uniforme del campo y una mayor eficiencia, mientras que los APD de huecos de electrones permiten que ambos portadores contribuyan a la multiplicación, aunque esto a menudo aumenta el ruido debido a las tasas de ionización mixta. Los APD de silicio favorecen la iniciación de electrones a través de perfiles de dopaje que priorizan las avalanchas de electrones, logrando ganancias de hasta 1000 con ruido moderado.[47]

Capacidad de respuesta y sensibilidad

La capacidad de respuesta es una métrica de rendimiento fundamental para los fotodiodos, definida como la relación entre la fotocorriente generada IphI_{ph}Iph​ y la potencia óptica incidente PPP, expresada como R(λ)=IphPR(\lambda) = \frac{I_{ph}}{P}R(λ)=PIph.[52] Esto produce unidades de amperios por vatio (A/W), cuantificando la eficiencia del dispositivo para convertir la luz en señal eléctrica. La capacidad de respuesta depende de la longitud de onda, R(λ)R(\lambda)R(λ), y sigue la relación R(λ)=qληhcR(\lambda) = \frac{q \lambda \eta}{h c}R(λ)=hcqλη​, donde qqq es la carga elemental, λ\lambdaλ es la longitud de onda, η\etaη es la eficiencia cuántica, hhh es la constante de Planck y ccc es la velocidad de la luz; esta ecuación resalta el escalamiento lineal con energía y eficiencia de fotones. [52]

La eficiencia cuántica η(λ)\eta(\lambda)η(λ) es un factor clave en la capacidad de respuesta, que representa la relación entre los portadores de carga recolectados y los fotones incidentes, que a menudo alcanza el 70-90% en dispositivos optimizados.[53] La eficiencia cuántica externa tiene en cuenta pérdidas como la reflexión de la superficie, mientras que la eficiencia cuántica interna las excluye, centrándose en la absorción y recolección dentro de la región activa. La selección de materiales influye en η(λ)\eta(\lambda)η(λ), y el silicio ofrece valores altos en el visible al infrarrojo cercano debido a su banda prohibida de 1,12 eV, aunque espectros más amplios requieren materiales como InGaAs para una respuesta extendida.

Las métricas de sensibilidad se extienden más allá de la capacidad de respuesta para caracterizar señales mínimas detectables. La potencia equivalente de ruido (NEP) es la potencia incidente que produce una relación señal-ruido de 1 en un ancho de banda de 1 Hz, normalmente en W/√Hz.[54] La detectividad específica D∗D^D∗, una figura de mérito normalizada, viene dada por D∗=AΔfNEPD^ = \frac{\sqrt{A \Delta f}}{NEP}D∗=NEPAΔf​​, con unidades cm √Hz/W, donde AAA es el área activa y Δf\Delta fΔf es el ancho de banda; un D∗D^*D∗ más alto indica un rendimiento superior en condiciones de poca luz, que a menudo supera los 10^{12} cm √Hz/W para los fotodiodos de silicio.[54]

La capacidad de respuesta y la sensibilidad se miden utilizando fuentes de luz monocromática calibradas, como láseres o lámparas sintonizables, para iluminar el dispositivo mientras se monitorea la fotocorriente con un amplificador de transimpedancia bajo polarización controlada.[24] La temperatura afecta estas métricas, y la capacidad de respuesta varía con la longitud de onda, y generalmente disminuye entre un 0,2 % y un 0,4 % por °C en las regiones visible e infrarroja cercana debido a la ampliación de la banda prohibida, aunque puede ser positiva en el infrarrojo.[55]

Las estrategias de optimización mejoran el rendimiento, incluidos los revestimientos antirreflectantes (AR) que minimizan las pérdidas de Fresnel para aumentar la η\etaη externa hasta un 90 % en las longitudes de onda objetivo.[57] La adaptación del espesor de la capa de absorción y los perfiles de dopaje mejora aún más la eficiencia interna, mientras que la selección de materiales adaptados a las longitudes de onda de la aplicación garantiza una capacidad de respuesta máxima, como ocurre con el silicio para bandas de telecomunicaciones cercanas a 850 nm.[58]

Consideraciones de velocidad y ruido

La velocidad de un fotodiodo está fundamentalmente limitada por dos factores principales: la constante de tiempo RC asociada con la capacitancia y la resistencia de carga del dispositivo, y el tiempo de tránsito de la portadora a través de la región de agotamiento. El tiempo de subida τr\tau_rτr​ se aproxima por τr=2.2RLCtotal\tau_r = 2.2 R_L C_{total}τr​=2.2RL​Ctotal​, donde RLR_LRL​ es la resistencia de carga y CtotalC_{total}Ctotal​ incluye la capacitancia de unión y cualquier capacitancia parásita, lo que determina la respuesta temporal en aplicaciones de baja frecuencia. Para operaciones de alta velocidad, el ancho de banda está aún más limitado por el tiempo de tránsito de la portadora ttr=W/vst_{tr} = W / v_sttr​=W/vs​, donde WWW es el ancho de la capa de agotamiento y vsv_svs​ es la velocidad de saturación de los portadores de carga (generalmente alrededor de 10710^7107 cm/s en silicio), ya que los portadores deben atravesar la región de absorción antes de la recolección.[59] Estos límites a menudo dan como resultado anchos de banda de 3 dB que van desde GHz para estructuras PIN optimizadas hasta valores más bajos en dispositivos de área más grande, con la capacitancia de la unión escalando con el área activa y la polarización inversa reduciéndola al ampliar la región de agotamiento.

El ruido en los fotodiodos surge de múltiples fuentes que degradan la relación señal-ruido (SNR), particularmente en escenarios con poca luz o alta velocidad. El ruido de disparo, que se origina en la naturaleza discreta de la fotocorriente y la corriente oscura, tiene un valor cuadrático medio (rms) dado por ishot=2qIΔfi_{shot} = \sqrt{2 q I \Delta f}ishot​=2qIΔf​, donde qqq es la carga del electrón, III es la corriente total y Δf\Delta fΔf es el ancho de banda; este ruido limitado por Poisson domina bajo iluminación y establece el límite cuántico fundamental para la detección. El ruido térmico (Johnson), debido al movimiento térmico aleatorio de los portadores de carga, contribuye con una corriente eficaz de 4kTΔf/R\sqrt{4 k T \Delta f / R}4kTΔf/R​, con kkk como la constante de Boltzmann, TTT la temperatura y RRR la derivación o resistencia de carga, y se vuelve prominente en los circuitos de alta impedancia. Además, el ruido 1/f (parpadeo), que sigue una densidad espectral de potencia 1/fα1/f^\alpha1/fα (α≈1\alpha \approx 1α≈1) en bajas frecuencias, proviene de trampas de superficie y defectos de materiales en semiconductores como InGaAs, lo que afecta significativamente las señales de banda base por debajo de 1 kHz.

Una figura de mérito clave para evaluar el rendimiento de los fotodiodos bajo restricciones de ruido es el ancho de banda equivalente al ruido, que cuantifica el rango de frecuencia efectivo donde el ruido integrado es igual al ruido de disparo en una banda de 1 Hz, guiando compensaciones como aumentar la polarización inversa para mejorar la velocidad (al reducir la capacitancia) a costa de una mayor corriente oscura y, por lo tanto, un ruido de disparo amplificado. Por ejemplo, voltajes de polarización más altos pueden alcanzar anchos de banda superiores a 10 GHz, pero elevan las densidades de ruido térmico y de disparo, lo que requiere un diseño de circuito cuidadoso para mantener la SNR por encima de 20 dB en los sistemas de comunicación. Las estrategias de mitigación incluyen reducir el área activa para minimizar la capacitancia de la unión (reduciendo los límites de RC y el ruido térmico) y emplear amplificadores de transimpedancia (TIA), que convierten la fotocorriente en voltaje con amplificadores operacionales de bajo ruido, logrando niveles de ruido tan bajos como 10 fA/√Hz y al mismo tiempo preservando el ancho de banda de hasta varios GHz.[64][65]

Efectos de fotodiodo deseados

En los fotodiodos, la fotogeneración ocurre cuando los fotones incidentes con energía mayor que la banda prohibida del semiconductor se absorben, principalmente en la región de agotamiento, creando pares electrón-hueco o excitones que contribuyen a la fotocorriente. Este proceso es más eficiente en las regiones intrínsecas o ligeramente dopadas donde el campo eléctrico incorporado separa los portadores antes de la recombinación, lo que permite una alta eficiencia cuántica en operaciones con polarización inversa.

La recolección de portadores en fotodiodos se basa en mecanismos tanto de deriva como de difusión, donde el fuerte campo eléctrico en la región de agotamiento acelera a los portadores minoritarios hacia los contactos a través de la deriva, mientras que la difusión ayuda a recolectar los portadores generados cerca de los bordes de la región. Este transporte asistido por campo minimiza las pérdidas por recombinación, logrando rendimientos cuánticos cercanos a la unidad y respaldando tiempos de respuesta rápidos en estructuras bien diseñadas.

La selectividad de la longitud de onda en los fotodiodos surge de la banda prohibida del material, que determina la longitud de onda de corte más allá de la cual la absorción es insignificante, lo que permite una sensibilidad adaptada a rangos espectrales específicos. La relación está dada por la ecuación.

donde EgE_gEg​ es la energía de banda prohibida, hhh es la constante de Planck, ccc es la velocidad de la luz y λcutoff\lambda_{\text{cutoff}}λcutoff​ es la longitud de onda de corte; por ejemplo, los fotodiodos de silicio exhiben una fuerte caída de respuesta alrededor de 1100 nm correspondiente a Eg≈1.12E_g \approx 1.12Eg​≈1.12 eV.[68] Este filtrado intrínseco mejora las aplicaciones que requieren discriminación contra longitudes de onda más largas, como en la detección de luz visible.

La ganancia fotoconductora sin avalancha en ciertos fotodiodos, particularmente aquellos con estados de trampa, resulta del atrapamiento de portadores que prolonga la vida útil de un tipo de portador, permitiendo que el otro recircule y amplifique la fotocorriente más allá de la ganancia unitaria. En semiconductores de banda prohibida amplia como el β-Ga₂O₃ utilizado en los fotodiodos Schottky, este atrapamiento mediante orificios autoatrapados permite ganancias superiores a 50 manteniendo al mismo tiempo una linealidad razonable, beneficiosa para la detección con poca luz sin operación de alto voltaje.[69]

Los efectos térmicos pueden influir positivamente en la estabilidad de los fotodiodos a través de diseños de polarización con temperatura compensada, donde el calentamiento controlado o los ajustes del circuito contrarrestan las variaciones en la corriente oscura y la capacidad de respuesta, lo que garantiza un rendimiento constante en todos los rangos operativos.

Efectos de fotodiodos no deseados

Un efecto no deseado importante de los fotodiodos es la corriente oscura, que se refiere a la pequeña corriente eléctrica que fluye a través del dispositivo en ausencia total de luz incidente. Esta corriente surge principalmente de la generación térmica de pares de huecos de electrones dentro del material semiconductor, particularmente en la región de agotamiento y las regiones casi neutras adyacentes. La magnitud de la corriente oscura se puede aproximar mediante la fórmula Idark=qni2A(Lpτp+Lnτn)/NdI_{\text{dark}} = q n_i^2 A \left( \frac{L_p}{\tau_p} + \frac{L_n}{\tau_n} \right) / N_dIdark​=qni2​A(τp​Lp​​+τn​Ln​)/Nd​, donde qqq es la carga elemental, nin_ini​ es la concentración de portador intrínseco, AAA es el área de unión, LpL_pLp​ y LnL_nLn​ son las longitudes de difusión para huecos y electrones, τp\tau_pτp​ y τn\tau_nτn​ son las vidas útiles correspondientes de los portadores minoritarios, y NdN_dNd​ es la concentración de donantes en el lado n (asumiendo una unión asimétrica).[70] La corriente oscura muestra una fuerte dependencia de la temperatura, normalmente duplicándose por cada aumento de 10°C en la temperatura debido al aumento exponencial de la concentración de portadores intrínsecos con la energía térmica.[23]

A intensidades de luz altas, los fotodiodos pueden experimentar saturación, donde la fotocorriente de salida ya no aumenta linealmente con la potencia óptica de entrada. Esto ocurre debido a mecanismos de compresión de ganancia, como los efectos de carga espacial que ralentizan el transporte de portadores y al aumento de las pérdidas por recombinación en la región activa, que reducen la eficiencia de recolección de portadores fotogenerados. En las matrices de fotodiodos, la diafonía representa otro efecto adverso, que se manifiesta como una interferencia de señal no deseada entre elementos adyacentes. La diafonía óptica surge de la dispersión o difracción de la luz en píxeles vecinos, mientras que la diafonía eléctrica surge del acoplamiento capacitivo o de corrientes de sustrato que propagan señales lateralmente a través de la estructura semiconductora compartida.

Los fotodiodos también son susceptibles al envejecimiento y la degradación a largo plazo, lo que puede comprometer el rendimiento con el tiempo. La exposición a la radiación, como en entornos espaciales, induce defectos en la red cristalina que aumentan la corriente oscura y reducen la capacidad de respuesta; por ejemplo, los dispositivos basados ​​en silicio muestran una degradación significativa después de dosis de irradiación de protones equivalentes a años en órbita terrestre baja.[72] La humedad acelera la degradación al promover la entrada de humedad, lo que provoca corrosión en los contactos o capas de pasivación y corrientes de fuga elevadas. Estos factores contribuyen a reducir el tiempo medio entre fallas (MTBF), a menudo estimado mediante modelos de pruebas de vida aceleradas que tienen en cuenta factores estresantes ambientales para predecir la confiabilidad operativa.

Detección óptica y comunicación

Los fotodiodos desempeñan un papel fundamental en los sistemas de comunicación y detección óptica, donde convierten la luz incidente en señales eléctricas para la transmisión de datos de alta fidelidad y el monitoreo ambiental. En los receptores de fibra óptica, el PIN de arseniuro de indio y galio (InGaAs) y los fotodiodos de avalancha (APD) se emplean ampliamente debido a su sensibilidad en el rango del infrarrojo cercano (900-1700 nm), lo que permite la detección de señales ópticas moduladas en infraestructuras de telecomunicaciones. Estos dispositivos admiten velocidades de datos de 10 Gbps a 400 Gbps en aplicaciones Ethernet, como interconexiones de centros de datos y redes de larga distancia, al proporcionar amplificación de bajo ruido y un gran ancho de banda superior a 30 GHz. Por ejemplo, los APD de InGaAs logran un producto de ganancia-ancho de banda de más de 400 GHz, lo que facilita el funcionamiento sin errores en sistemas de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM). Las tasas de error de bits (BER) inferiores a 10^{-12} se mantienen de forma rutinaria mediante técnicas de corrección de errores directa (FEC), que corrigen las BER anteriores a FEC hasta 10^{-3} agregando bits de paridad, lo que garantiza un rendimiento confiable en distancias superiores a 100 km sin regeneración.

En aplicaciones de rango visible, como escáneres de códigos de barras y sistemas de detección y alcance de luz (LIDAR), los fotodiodos de silicio dominan debido a su rentabilidad, tiempos de respuesta rápidos (tiempos de elevación inferiores a 1 ns) y amplia sensibilidad de 400 nm a 1100 nm. Los lectores de códigos de barras utilizan fotodiodos PIN de silicio para detectar pulsos láser reflejados en patrones de barras, convirtiendo variaciones de intensidad en señales eléctricas para decodificar a velocidades de hasta miles de escaneos por segundo. En LIDAR, los APD de silicio o fotodiodos PIN permiten la detección de pulsos midiendo el tiempo de vuelo de pulsos láser cortos (normalmente de 10 a 100 ns de duración), logrando una resolución submilimétrica en aplicaciones automotrices y topográficas mediante la sincronización precisa de la llegada de los fotones. Estos fotodiodos ofrecen eficiencias cuánticas superiores al 80 % en el espectro visible, lo que minimiza la diafonía y permite diseños compactos y de bajo consumo.

La detección ambiental aprovecha fotodiodos especializados para el monitoreo sin contacto de las condiciones atmosféricas. Los fotodiodos de nitruro de galio (GaN) destacan en los monitores ultravioleta (UV), ya que presentan un funcionamiento ciego a la luz solar (corte por debajo de 365 nm) y una alta capacidad de respuesta (hasta 0,2 A/W a 254 nm), lo que los hace ideales para detectar niveles de ozono o índice UV solar sin interferencia de la luz visible. Estos dispositivos funcionan en modo fotovoltaico para mediciones de baja potencia en tiempo real en estaciones exteriores, con detectividades superiores a 10^{12} Jones para monitoreo de rastros de flujo UV. Para la detección de gases, los fotodiodos integrados en los sistemas de espectroscopia de absorción cuantifican especies como el metano o el CO2 midiendo la atenuación de la luz en longitudes de onda específicas; Los fotodiodos de silicio o InGaAs combinados con láseres de diodo sintonizables logran una sensibilidad de partes por mil millones a través de la detección diferencial, lo que reduce el ruido de la luz ambiental.

La integración de fotodiodos con láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) en transceptores ópticos mejora la eficiencia de los enlaces de corto alcance en las redes 5G y 6G emergentes. Los fotodiodos de silicio o InGaA se empaquetan junto con VCSEL de 850 nm o 1310 nm en módulos conectables (por ejemplo, QSFP-DD), que admiten velocidades de datos bidireccionales de hasta 400 Gbps a través de fibra multimodo con un consumo de energía inferior a 10 W por canal. En el fronthaul 5G, estos transceptores transportan señales de radio digitalizadas entre unidades de banda base y cabezales de radio remotos, logrando latencias inferiores a 100 μs mediante duplexación por división de tiempo. Para los prototipos 6G, la integración híbrida en plataformas fotónicas de silicio incorpora fotodiodos PIN para fronthaul analógico, lo que permite una capacidad agregada de terabits por segundo y al mismo tiempo cumple con los requisitos de alimentación a través de fibra para unidades remotas.

Un caso de estudio notable es el despliegue de fotodiodos en cables submarinos de fibra óptica, que sustentan más del 99% del tráfico mundial de Internet. En las estaciones de aterrizaje de cables, los APD de InGaAs de alta sensibilidad sirven como receptores en equipos terminales, demodulando señales multiplexadas en longitud de onda a velocidades de hasta 400 Gbps por canal en tramos transoceánicos que superan los 10.000 km. Mientras que los repetidores modernos utilizan principalmente amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) para la regeneración totalmente óptica cada 50 a 80 km, los sistemas y nodos de monitoreo heredados incorporan pares PIN/APD para la detección de fallas y la verificación del rendimiento, lo que garantiza una BER por debajo de 10^{-12} con FEC para admitir una conectividad intercontinental perfecta. Esta infraestructura, ejemplificada por sistemas como el cable MAREA (Microsoft/Facebook, 2018), se basa en matrices de fotodiodos para multiplexar hasta 256 canales, lo que facilita el rendimiento a escala de petabit para servicios en la nube y aplicaciones en tiempo real.

Imágenes e instrumentación científica

En aplicaciones de imágenes, los sensores de imagen complementarios de semiconductores de óxido metálico (CMOS) emplean sensores de píxeles activos (APS) que integran fotodiodos como elementos primarios de detección de luz, lo que permite diseños compactos y rentables para cámaras de consumo, como las de teléfonos inteligentes y cámaras digitales. Cada píxel de un CMOS APS consta de un fotodiodo emparejado con uno o más transistores para amplificación y lectura, lo que permite el procesamiento de señales en el chip que reduce la necesidad de circuitos externos y mejora la eficiencia energética en comparación con los dispositivos tradicionales de carga acoplada (CCD).[76][77] Estos sensores dominan los mercados de consumo debido a su capacidad para capturar imágenes de alta resolución a velocidades de vídeo, con factores de llenado que a menudo superan el 60% a través de conjuntos de microlentes que dirigen la luz hacia el área activa del fotodiodo.[78]

En la instrumentación científica, las matrices de fotodiodos desempeñan un papel crucial en la espectroscopia, particularmente en monocromadores donde las matrices de silicio (Si) y germanio (Ge) permiten un análisis preciso de materiales en los espectros visible e infrarrojo. Los conjuntos de fotodiodos de Si detectan longitudes de onda desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano (aproximadamente 200 a 1100 nm), mientras que las variantes de Ge extienden la sensibilidad al infrarrojo medio (hasta 1800 nm), lo que facilita aplicaciones como la espectroscopia Raman y el monitoreo ambiental al dispersar la luz a través de un monocromador y medir la intensidad en múltiples canales simultáneamente. Estos conjuntos proporcionan alta resolución espacial y baja diafonía, esenciales para resolver líneas espectrales en estudios de composición química, con eficiencias cuánticas que a menudo alcanzan el 80-90% en configuraciones optimizadas de Si.[81]

Las aplicaciones médicas aprovechan los fotodiodos para diagnósticos no invasivos, como en los oxímetros de pulso que funcionan en modo de transmisión, donde la luz roja y el infrarrojo cercano pasan a través del tejido como la yema de un dedo, y la intensidad transmitida es detectada por un fotodiodo para calcular la saturación de oxígeno en sangre a través de la proporción de luz absorbida en longitudes de onda duales (generalmente 660 nm y 940 nm). En microscopía de fluorescencia, los fotodiodos, incluidas las variantes de avalancha, detectan la luz emitida por fluoróforos excitados por láseres, lo que permite obtener imágenes de alta sensibilidad de estructuras celulares con resolución submicrónica; por ejemplo, los diodos de avalancha de fotón único (SPAD) integrados en matrices logran una sincronización de picosegundos para las mediciones de la vida útil de la fluorescencia.[84][85]

En física de partículas, los fotomultiplicadores de silicio (SiPM), conjuntos compactos de fotodiodos de avalancha, sirven como detectores clave en experimentos en el CERN, como la actualización del CMS en el Gran Colisionador de Hadrones, donde se acoplan a fibras o cristales centelleantes para marcar el tiempo de las interacciones de las partículas con una precisión de menos de nanosegundos y detectar rendimientos de poca luz en colisiones de alta energía. Los SiPM ofrecen eficiencias de detección de fotones de hasta el 50 %, insensibilidad al campo magnético y robustez en entornos de radiación, superando a los tubos fotomultiplicadores tradicionales en calorimetría y sistemas de seguimiento.

Matrices de fotodiodos

Las matrices de fotodiodos integran múltiples fotodiodos en disposiciones estructuradas para permitir la detección de luz paralela en dimensiones espaciales, facilitando aplicaciones como escaneo e imágenes. Los conjuntos lineales unidimensionales (1D) normalmente constan de 512 a 1024 fotodiodos de silicio, cada uno de aproximadamente 25 μm de ancho y 2 mm de alto, dispuestos en una fila para tareas como espectrofotometría, donde la dispersión espectral se captura a lo largo de un solo eje. Las matrices bidimensionales (2D) expanden esto a cuadrículas con M filas y N columnas, a menudo utilizando arquitecturas de dispositivos de carga acoplada (CCD) o semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) para formar planos de imágenes en cámaras, donde las líneas CCD orientadas horizontalmente o las matrices de píxeles recogen la luz para la captura de fotograma completo.

Los mecanismos de lectura en conjuntos de fotodiodos varían según la arquitectura para transferir la carga acumulada de manera eficiente. En los conjuntos basados ​​en CCD, la carga se desplaza en serie a través del conjunto mediante puertas acopladas, lo que permite una transferencia con poco ruido pero requiere una sincronización global que puede limitar la velocidad en formatos grandes.[98] Por el contrario, las matrices de sensores de píxeles activos (APS) CMOS incorporan amplificadores y circuitos de direccionamiento en cada píxel, lo que permite una lectura de acceso aleatorio para una mayor velocidad e integración del procesamiento en el chip, aunque con un ruido potencialmente mayor debido a la variabilidad del transistor. Los sensores de píxeles pasivos (PPS), una variante CMOS anterior, se basan en puertas de columna compartidas para la lectura, lo que ofrece una fabricación más sencilla pero presenta un mayor ruido de patrón fijo en comparación con los APS debido a la falta de amplificación por píxel.[100]

La escalabilidad de las matrices de fotodiodos ha avanzado para admitir resoluciones superiores a 100 megapíxeles en implementaciones CMOS, impulsada por la reducción del tamaño de los píxeles a 2-4 μm mientras se mantiene el rendimiento.[101] Los factores de relleno, la relación entre el área activa sensible a la luz y el área total de píxeles, superan habitualmente el 90 % mediante la integración de conjuntos de microlentes que enfocan la luz incidente en el fotodiodo, minimizando las pérdidas de los circuitos circundantes.[102] Esta mejora es particularmente crítica en diseños de APS donde la sobrecarga del transistor reduce el área fotosensible intrínseca.

Los desafíos clave en las matrices de fotodiodos incluyen lograr uniformidad entre los elementos y prevenir la floración. Las variaciones de ganancia de píxel a píxel generalmente se mantienen por debajo del 10% en matrices CCD mediante una fabricación precisa, pero CMOS APS puede exhibir un mayor ruido de patrón fijo debido a desajustes de umbrales, lo que requiere técnicas de calibración como el muestreo doble correlacionado.[103] El florecimiento, el desbordamiento del exceso de carga hacia los píxeles adyacentes durante una iluminación intensa, se mitiga mediante puertas anti-florecimiento o drenajes de desbordamiento verticales en las estructuras CCD, lo que limita el desbordamiento a los diodos vecinos y preserva la fidelidad de la imagen.

Los avances recientes hasta 2025 se han centrado en arquitecturas apiladas e iluminación trasera (BSI) para superar las limitaciones tradicionales. Los sensores CMOS apilados de tres obleas con fotodiodos BSI permiten la operación global del obturador al separar la recolección de carga de los circuitos de lectura, logrando eficiencias del obturador superiores al 99,9 % sin artefactos rodantes en imágenes de alta velocidad.[106] Las configuraciones BSI iluminan el fotodiodo desde la parte posterior, evitando las sombras del cableado frontal para aumentar la eficiencia cuántica (QE) por encima del 90% en el espectro visible, particularmente para píxeles pequeños en conjuntos de megapíxeles. Estas innovaciones, incluidos los sensores de obturador global BSI apilados de píxeles de 2,2 μm, admiten módulos compactos de alto rango dinámico para entornos exigentes como la visión artificial.[108]

Fotodiodo fijado

El fotodiodo fijado (PPD) es una estructura de fotodiodo enterrado esencial para los modernos dispositivos de carga acoplada (CCD) y sensores de imagen de semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS), que presenta una configuración p⁺/n/p que fija el potencial de la superficie para minimizar el ruido y los defectos. La región de tipo n sirve como volumen de recolección de carga dentro de una capa o sustrato epitaxial de tipo p, mientras que la capa de fijación p⁺ poco profunda en la superficie acumula agujeros para evitar el agotamiento y aislar el área activa de las trampas de interfaz en el límite de óxido de silicio. Este diseño permite una acumulación y transferencia eficiente de fotoelectrones, lo que lo distingue de los fotodiodos de unión pn más simples.

Desarrollado a principios de la década de 1980 por Nobukazu Teranishi y colegas de NEC Corporation, el PPD se introdujo inicialmente para CCD de transferencia entre líneas para suprimir la mancha vertical y reducir la generación de corriente oscura, lo que marcó un avance fundamental con respecto a los fotodiodos de canal de superficie. Su adaptación a los sensores de píxeles activos CMOS a mediados de la década de 1990, dirigida por Eric Fossum en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, revolucionó las imágenes científicas y de consumo al integrar la detección de bajo ruido con la amplificación en el chip. La física de la estructura se basa en el potencial fijado que mantiene un campo eléctrico estable, que confina los electrones fotogenerados en el pozo n durante la exposición y al mismo tiempo permite el agotamiento completo para la transferencia de carga.

En una operación típica dentro de un píxel CMOS de cuatro transistores (4T), el PPD integra fotocarga bajo polarización inversa desde el contacto del sustrato, con electrones recolectados en el bolsillo potencial de la región n a medida que la absorción de luz crea pares electrón-hueco: agujeros que se desplazan hacia el sustrato p y electrones hacia la capa enterrada n.[111] La lectura implica pulsar la puerta de transferencia implantada en n⁺ para formar un canal debajo del óxido de la puerta, transfiriendo rápidamente el paquete de carga a un nodo de difusión flotante adyacente sin retraso residual, seguido de un buffer fuente-seguidor y un muestreo doble correlacionado para restar el ruido de reinicio.[110] La acumulación de agujeros en la capa de fijación suprime la generación asistida por trampa, lo que produce densidades de corriente oscura tan bajas como 0,1–1 e⁻/píxel/s a temperatura ambiente en procesos optimizados.

Las ventajas clave incluyen una eficiencia de transferencia de carga casi completa (>99,99 %), la eliminación del retraso de la imagen que se observa en diodos parcialmente agotados y un ruido de lectura inherentemente bajo (hasta niveles subelectrónicos con CDS), que admite un alto rango dinámico superior a 70 dB en implementaciones retroiluminadas.[109] La capa p⁺ poco profunda mejora la sensibilidad a la luz azul al reducir las pérdidas de absorción cerca de la superficie, mientras que la compatibilidad con la fabricación CMOS estándar permite un escalado rentable a matrices de megapíxeles.[110] Las limitaciones implican una posible variabilidad del voltaje de fijación que afecta la capacidad total del pozo (normalmente entre 10 000 y 50 000 electrones), abordada en variantes avanzadas mediante la optimización del espesor epitaxial.[111]