OPTOELECTRONICA

La optoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz.
Los sistemas optoelectrónicos están cada vez más de moda. Hoy en día parece imposible mirar cualquier aparato eléctrico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos más o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los walkman disponen de un piloto rojo que nos avisa, siempre en el momento más inoportuno, que las pilas se han agotado y que deben cambiarse. Las pantallas de cristal líquido, los modernos sistemas de comunicaciones mediante fibra óptica, son algunos de los ejemplos de aplicación de las propiedades ópticas.

La radiación electromagnética

La radiación electromagnética está formada por fotones. Cada fotón lleva asociada una energía que se caracteriza por su longitud de onda según la ecuación.

E=hc/y

Dónde:

E = energía del fotón.
c = velocidad de la luz 3•108m/s
h = constante de Planck.
y = longitud de onda del fotón.

El numerador de la expresión de la energía es una constante. Por eso, la energía de un fotón es mayor cuanto menor sea la longitud de onda, que se encuentra en el denominador.
La luz, tal y como la entiende la persona de a pie, no es más que una parte de la radiación electromagnética que es capaz de excitar las células de la retina del ojo. La radiación electromagnética abarca un concepto más general.

La radiación electromagnética queda dividida según su longitud de A continuación se comentan algunos aspectos relativos a estas divisiones:

• Las ondas de radio son generadas por circuitos electrónicos, como osciladores LC, y son utilizadas en comunicaciones.
• Las microondas abarcan la zona desde 1 mm hasta 30 cm. Resultan adecuadas para los sistemas de radar, navegación aérea y para el estudio de las propiedades atómicas de la materia.
• Las ondas infrarrojas son llamadas también ondas térmicas ya que estas ondas son producidas principalmente por cuerpos calientes y son absorbidas fácilmente por la mayoría de los materiales. La energía absorbida aparece como calor. Estas ondas comprenden longitudes de onda desde 1 mm hasta 4x10-7 m.
• La luz visible es la parte del espectro que puede percibir el ojo humano. Incluye las longitudes de onda desde 4x10-7 hasta 7x10-7 metros o lo que es lo mismo, desde 400nm hasta 700nm. Los diferentes colores corresponden a ondas de diferente longitud de onda.
• La luz ultravioleta (6x10-8 - 3.8x10-7) es producida principalmente por el sol. Es la causa de que la gente se ponga morena.
• Los rayos X y los rayos gamma son ondas de gran energía que dañan la estructura de los tejidos humanos.
La optoelectrónica se centra principalmente en la parte del espectro electromagnético correspondiente a la luz visible y la parte del infrarrojo cercano a la luz visible.
Dispositivos optoelectrónicos básicos
A nivel de componentes podemos distinguir tres tipos de dispositivos:
• Dispositivos emisores: emiten luz al ser activados por energía eléctrica. Son dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía luminosa. A este nivel corresponden los diodos LED o los LÁSER.
• Dispositivos detectores: generan una pequeña señal eléctrica al ser iluminados. Transforma, pues, la energía luminosa en energía eléctrica.
• Dispositivos fotoconductores: Conducen la radiación luminosa desde un emisor a un receptor. No se producen transformaciones de energía.
Dispositivos emisores

Los dispositivos emisores son aquellos que varían sus propiedades ópticas con la aplicación de un determinado potencial. Estas propiedades pueden ser la emisión de luz o simplemente la absorción o reflexión de la luz.

En este apartado se presentan los siguientes componentes:

• Diodos LED.
• Diodos láser.
• Tubo de rayos Catódicos.
• Cristales líquidos.
Diodos emisores de luz (leds)

Un diodo emisor de luz es un dispositivo de unión PN que cuando se polariza directamente emite luz.
Al aplicarse una tensión directa a la unión, se inyectan huecos en la capa P y electrones en la capa N. Como resultado de ello, ambas capas tienen una mayor concentración de portadores (electrones y huecos) que la existente en equilibrio. Debido a esto, se produce una recombinación de portadores, liberándose en dicha recombinación la energía que les ha sido comunicada mediante la aplicación de la tensión directa.

Se pueden distinguir dos tipos de recombinación en función del tipo de energía que es liberada:

• Recombinación no radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera al cristal como energía térmica.
• Recombinación radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera en forma de radiación.
Para caracterizar la eficacia en la generación de fotones se definen una serie de parámetros:
La eficacia cuántica interna (s) es la relación entre el número de fotones generados y el número de portadores (electrones y huecos) que cruzan la unión PN y se recombinan. Este parámetro debe hacerse tan grande como sea posible. Su valor depende de las probabilidades relativas de los procesos de combinación radiante y combinación no radiante, que a su vez dependen de la estructura de la unión el tipo de impurezas, y sobre todo, del material semiconductor.

Sin embargo, la obtención de una alta eficacia cuántica interna no garantiza que la emisión de fotones del LED sea alta. La radiación generada en la unión es radiada en todas las direcciones. Es esencial que esa radiación generada en el interior del material pueda salir de él. A la relación entre el número de fotones emitidos y el número de portadores que cruzan la unión PN se le llama eficacia cuántica externa (ext). Las causas de que ext sea menor que s son tres:

• Sólo la luz emitida en la dirección de la superficie entre el semiconductor y el aire es útil.
• En la superficie entre el semiconductor y el aire se pueden dar fenómenos de reflexión, quedando los fotones atrapados en el interior del material.
• Los fotones pueden ser absorbidos por el material para volverse a formar un par electrón-hueco.
Una de las aplicaciones más populares de los LEDs es la de señalización. Quizás la más utilizada sea la de 7 LEDs colocados en forma de ocho tal y como se indica en la figura.

Diodos laser

LASER es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Las aplicaciones de estos diodos son muy diversas y cubren desde el corte de materiales con haces de gran energía hasta la transmisión de datos por fibra óptica.

Características: ventajas frente a los diodos LED

Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son:

• La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.
• La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por un láser poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda.

Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.
Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información digital de soportes de datos tipo CD-ROM o la reproducción de discos compactos musicales. El principio de operación de uno y otro es idéntico.

Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.

Un conjunto de unos y ceros es una información digital, que puede ser convertida en información analógica en un convertidor digital-analógico. Pero esa es otra historia que debe de ser contada en otra ocasión.
Display de cristal líquido (lcds)

Los LCDs difieren de otros tipos de displays en que no generan luz sino que trabajan con la reflexión de la luz. El principio de funcionamiento es sencillo. Estos cristales líquidos están formados por unas moléculas alargadas con forma de puro, que se llaman moléculas nemáticas y se alinean con una estructura simétrica. En este estado el material es transparente. Un campo eléctrico provoca que las moléculas se desalinien de manera que se vuelven opacas a la luz. De esta manera, aplicando o no aplicando un campo eléctrico (es decir, polarizando o no polarizando), podemos jugar con oscuridad o transparencia respectivamente. Si aplicamos el campo localmente en geometrías iguales al display de 7 segmentos, conseguiremos un display análogo al de los LEDs pero con cristal líquido.

En la construcción de un LCD se depositan electrodos transparentes en la cara interior de los cristales, estos electrodos tienen la geometría deseada, por ejemplo, el display de 7 segmentos. El espesor del cristal líquido es muy pequeño, del orden de 0.01mm.

Si no se polarizan los terminales, al incidir la luz sobre el cristal frontal, pasa a través del cristal líquido y es reflejada por el espejo incidiendo en el ojo que está mirando. El resultado: todo se ve de color claro.
Si se polariza un electrodo, el cristal líquido pegado al electrodo se vuelve opaco, negro, oscuro. La luz ya no es reflejada.

Fotodetectores

Los componentes fotodetectores son aquellos componentes que varían algún parámetro eléctrico en función de la luz. Todos los componentes fotodetectores están basados en el mismo principio. Si construimos un componente con un material semiconductor de manera que la luz pueda incidir sobre dicho material, la luz generará pares electrón - hueco.

• Fotorresistencias.
• Fotodiodos.
• Fototransistores.

Fotorresistencias

Una fotorresistencia se compone de un material semiconductor cuya resistencia varía en función de la iluminación. La fotorresistencia reduce su valor resistivo en presencia de rayos luminosos. Es por ello por lo que también se le llama resistencias dependientes de luz (light dependent resistors), fotoconductores o células fotoconductoras.

Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrón - hueco. Al haber un mayor número de portadores, el valor de la resistencia disminuye. De este modo, la fotorresistencia iluminada tiene un valor de resistencia bajo.

Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda determinadas. Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda determinada. Esta longitud de onda depende del material y el dopado, y deberá ser suministrada por el proveedor.

Fotodiodos

El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que, solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa.
El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de fugas de valor IS. Las corrientes de fugas son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa.

El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa.

Para caracterizar el funcionamiento del fotodiodo se definen los siguientes parámetros:

• Se denomina corriente oscura (dark current), a la corriente en inversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente.
• Se define la sensibilidad del fotodiodo al incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes o en mW/cm2.
Fototransistor
Se trata de un transistor bipolar sensible a la luz. El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:
• Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (Ib=0) aunque en algunos casos hay fototransistores tienen disponible un terminal de base para trabajar como un transistor normal.
• La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganacia del transistor.