Fotónica y optoelectrónica
El silicio detecta la luz muy bien y casi no la emite: su banda prohibida es indirecta. Por eso las celdas solares son de silicio y los LED, de galio.
01Fotones y bandas
Un fotón de energía mayor que la banda prohibida puede ser absorbido y crear un par electrón-hueco; un par que se recombina puede emitir un fotón con la energía de la banda prohibida. Toda la optoelectrónica sale de esas dos frases y de la relación entre energía y longitud de onda:
La diferencia entre absorber y emitir está en el tipo de banda prohibida. En los semiconductores de banda directa (GaAs, GaN, InP) el electrón puede caer al hueco emitiendo solo un fotón, y lo hace en nanosegundos. En los de banda indirecta, como el silicio, la transición necesita además una vibración de la red, es muy improbable, y el electrón casi siempre se recombina por defectos sin emitir luz, el mecanismo de la unidad de transporte. Por eso el silicio sirve para detectar luz y para las celdas solares, pero no para hacer LED ni láseres.
02El fotodiodo
Los pares que la luz genera dentro de la zona de agotamiento de una juntura PN, o a menos de una longitud de difusión de ella, son separados por el campo y producen una corriente en sentido inverso proporcional a la potencia óptica. La constante es la responsividad:
| Modo o tipo | Cómo se usa | Ventaja |
|---|---|---|
| Fotovoltaico, sin polarizar | Contra un amplificador de transimpedancia, con tensión nula | Sin corriente de oscuridad: el menor ruido, para medir luz débil |
| Fotoconductivo, en inversa | Con tensión inversa, que ensancha la zona de agotamiento | Menos capacidad y más velocidad |
| PIN | Una capa intrínseca ancha entre la P y la N | Casi toda la absorción ocurre en zona con campo: rápido y eficiente |
| De avalancha (APD) | Cerca de la ruptura, con multiplicación interna | Ganancia de decenas a cientos, para señales muy débiles |
03La celda solar
Una celda solar es un fotodiodo grande que trabaja en el cuarto cuadrante: la luz genera corriente y la juntura, en directa, entrega potencia a la carga. Su curva es la del diodo corrida hacia abajo en la fotocorriente:
La eficiencia de una celda de una sola juntura tiene un techo teórico, el límite de Shockley-Queisser: los fotones con menos energía que la banda prohibida no se absorben, y los que tienen más pierden el excedente como calor. El óptimo, cerca de 1,34 eV, da un 33,7 %; para el silicio el límite es de unos 29 %, y las mejores celdas de laboratorio superan el 26 %. Las celdas de varias junturas apiladas, con bandas distintas, pasan el 40 % y se usan en satélites.
Una celda de silicio de 156 × 156 mm con 9 A de cortocircuito y 0,64 V de circuito abierto a 1000 W/m² y 25 °C, factor de idealidad 1,2 y 4 mΩ de resistencia serie. Elegís la irradiancia y la temperatura de la celda: se grafican la corriente y la potencia contra la tensión, con el punto de máxima potencia, que es donde un buen regulador la hace trabajar.
04El LED
En un LED la juntura se polariza en directa, se inyectan portadores a cada lado y, en un material de banda directa, buena parte de las recombinaciones emiten luz con la energía de la banda prohibida. Por eso el color lo fija el material, y la tensión directa es aproximadamente la banda prohibida dividida por la carga del electrón:
| Color | Material | Longitud de onda | Tensión directa típica |
|---|---|---|---|
| Infrarrojo | GaAs, AlGaAs | 850 a 940 nm | 1,2 a 1,5 V |
| Rojo y ámbar | AlGaInP | 590 a 630 nm | 1,8 a 2,2 V |
| Verde | InGaN | 520 a 530 nm | 2,8 a 3,4 V |
| Azul | InGaN | 450 a 470 nm | 2,8 a 3,4 V |
| Blanco | LED azul con un fósforo amarillo | Espectro amplio | 2,8 a 3,4 V |
El LED azul de nitruro de galio, que hizo posible el LED blanco y con él la iluminación de estado sólido, valió el Premio Nobel de Física de 2014 a Akasaki, Amano y Nakamura. Como un diodo, el LED se maneja por corriente: su curva exponencial hace que una tensión fija dé una corriente muy incierta, y por eso siempre lleva una resistencia en serie o una fuente de corriente.
05El láser semiconductor
Si se inyecta tanta corriente que en la juntura hay más electrones arriba que abajo (inversión de población), un fotón que pasa estimula la emisión de otro idéntico, en fase y en la misma dirección. Con dos caras espejadas que forman una cavidad, la luz va y vuelve amplificándose, y por encima de una corriente umbral la emisión se vuelve coherente y muy angosta en longitud de onda. Por debajo del umbral, el láser es un LED mediocre.
Los láseres semiconductores están en los lectores ópticos, en las impresoras y, sobre todo, en las comunicaciones por fibra óptica, que usan las tres ventanas donde la fibra pierde poco: 850, 1310 y 1550 nm. Los VCSEL, que emiten por la superficie de la oblea, iluminan los enlaces cortos de los centros de datos y los sensores de rostro de los teléfonos.
06El optoacoplador
Un LED infrarrojo y un fototransistor enfrentados dentro de un encapsulado opaco transmiten una señal sin conexión eléctrica: la aislación es de miles de volts. El parámetro que lo define es la relación de transferencia de corriente (CTR), la corriente de salida sobre la de entrada: en el PC817 va del 50 al 600 % según la clase. Separa la parte de control de la de potencia en fuentes conmutadas, en variadores de motores y en las entradas de los PLC.
07Dónde aparece en la electrónica
| Caso | Dispositivo |
|---|---|
| Instalación fotovoltaica | Paneles de celdas de silicio y un inversor con seguimiento del punto de máxima potencia |
| Control remoto y sensor de presencia | LED infrarrojo y fotodiodo con filtro |
| Enlace de fibra óptica | Láser, fibra y fotodiodo PIN o de avalancha |
| Fuente conmutada aislada | Optoacoplador en el lazo de realimentación |
| Cámara digital | Millones de fotodiodos en un sensor CMOS |
| Oxímetro de pulso | LED rojo e infrarrojo y un fotodiodo que compara cuánto absorbe la sangre |
08En el laboratorio
Medir la tensión a la que empiezan a conducir LED de cuatro colores y graficarla contra \( 1/\lambda \). La pendiente es \( h c / q \): despejar \( h \).
Con una celda o un panel chico al sol, medir tensión y corriente sobre una carga variable desde cortocircuito hasta circuito abierto. Graficar la curva y la potencia, ubicar el punto de máxima potencia y calcular el factor de forma.
Con un PC817, medir la corriente de colector para corrientes de LED de 1 a 20 mA con 5 V en la salida, y graficar el CTR. Verificar la clase contra la hoja de datos.
09Errores frecuentes
- Conectar un LED directo a una tensión. Sin limitar la corriente, se destruye.
- Esperar luz de una juntura de silicio. Su banda indirecta casi no emite.
- Hacer trabajar una celda solar a tensión fija arbitraria. Se pierde potencia; hay que seguir el punto de máxima potencia.
- Olvidar que la celda pierde con el calor. La tensión de circuito abierto baja unos 2 mV por grado.
- Leer la responsividad como eficiencia. 0,6 A/W no es el 60 %: depende de la longitud de onda.
10Autoevaluación
¿Hasta qué longitud de onda absorbe un material de 1,42 eV?
\( 1240 / 1{,}42 \approx 873 \) nm.
¿Por qué no se fabrican LED de silicio?
Porque su banda prohibida es indirecta: la recombinación con emisión de un fotón es muy improbable y los portadores se recombinan por defectos, sin emitir luz.
Un fotodiodo con \( \eta = 0{,}8 \) a 850 nm, ¿qué responsividad tiene?
\( 0{,}8 \times 850 / 1240 \approx 0{,}55 \) A/W.
Si la irradiancia baja a la mitad, ¿qué pasa con \( I_{sc} \) y con \( V_{oc} \)?
\( I_{sc} \) baja a la mitad; \( V_{oc} \) baja apenas \( n V_T \ln 2 \), unos 20 mV.
¿Qué mide el CTR de un optoacoplador?
El cociente entre la corriente de salida del fototransistor y la corriente del LED.
11Para ampliar
- E. Fred Schubert. Light-Emitting Diodes. 2.ª ed., Cambridge University Press, 2006. La referencia sobre el LED: materiales, eficiencia, color y encapsulado.
- Jenny Nelson. The Physics of Solar Cells. Imperial College Press, 2003. La celda solar desde la física de la juntura, con el límite de Shockley-Queisser explicado.
- Bahaa E. A. Saleh y Malvin Carl Teich. Fundamentals of Photonics. 3.ª ed., Wiley, 2019. Fotodetectores, láseres semiconductores y fibras en un solo texto, con mucho detalle.