7 Descreva o funcionamento de um fotodetector. O que é o limite quântico de fotodetecção? Descreva os fotodetectores principais: diodo PIN e APD(avalanche).

Passo 1

A questão pede para a gente entender o que é um fotodetector, definir o limite quântico de fotodetecção e analisar os dois principais tipos—diodo PIN e APD. O conteúdo envolve fenômenos semicondutores e estatística de fótons.

Passo 2

Um fotodetector funciona convertendo luz em corrente elétrica. Isso ocorre quando um fóton é absorvido no semicondutor, gerando um par elétron-buraco. Sob polarização reversa, o campo elétrico separa esses portadores, criando uma corrente proporcional ao fluxo de fótons incidentes.

Passo 3

O limite quântico de fotodetecção surge da natureza discreta dos fótons. Mesmo com eficiência quântica ideal (η=1), a flutuação estatística na chegada de fótons (shot noise) gera uma incerteza mínima. Assim, o menor sinal detectável é dado quando a relação sinal-ruído chega a 1, ditada pela raiz quadrada do número médio de fótons coletados.

Passo 4

O diodo PIN tem três camadas: p, intrínseca (i) e n. A camada intrínseca amplia a região de depleção, aumentando a área de absorção e melhorando a velocidade. Não há ganho interno, então a responsividade é limitada à eficiência quântica e à largura de banda é alta, mas a sensibilidade é moderada.

Passo 5

O APD (avalanche photodiode) é polarizado próximo à tensão de ruptura. Quando um portador ganha energia suficiente, ele causa ionização por impacto, gerando cascata de portadores (ganho M). Isso melhora a sensibilidade, mas aumenta o ruído (fator excess noise) e exige alto campo elétrico e circuitos de polarização mais complexos.

Resposta

Um fotodetector converte fótons em corrente via geração e separação de pares elétron-buraco. O limite quântico de fotodetecção é determinado pela flutuação estatística na chegada de fótons (shot noise), definindo a menor detecção possível. O diodo PIN usa uma camada intrínseca para obter alta velocidade e sem ganho interno (sensibilidade moderada). Já o APD opera em avalanche, promovendo ganho interno M>1 por ionização de impacto, o que eleva a sensibilidade à custa de maior ruído e tensão de operação.

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