Explique como funcionam os seguintes detectores de radiação visível:
conjunto de fotodiodos

Passo 1

O enunciado pede para explicar o funcionamento de um conjunto de fotodiodos como detector de radiação visível. O conteúdo de matéria envolve efeitos fotoelétricos em semicondutores, princípio de operação de um fotodiodo isolado, e montagem em matrizes (arrays) para formação de imagens, incluindo circuitos de leitura de sinais.

Passo 2

Começamos pelo fotodiodo isolado. Um fotodiodo é basicamente uma junção p n de silício (ou outro semicondutor) polarizada reversamente. Quando chega luz com fótons de energia \geq E_g (energia de gap do semicondutor), gera-se par elétron–lacuna na região de depleção. O campo interno separa essas cargas, produzindo uma corrente proporcional ao fluxo de fótons. Essa corrente fotogerada \;I_{\text{ph}}\; satisfaz aproximadamente
I_{\text{ph}} = R(\lambda)\,P_{\text{inc}}
onde P_{\text{inc}} é a potência óptica incidente e
R(\lambda) = \eta(\lambda)\,\frac{q}{h\nu} = \eta(\lambda)\,\frac{q\,\lambda}{h\,c}
é a responsividade espectral, com \eta a eficiência quântica, q a carga do elétron, h a constante de Planck, c a velocidade da luz e \lambda o comprimento de onda.

Passo 3

Para otimizar a resposta temporal e o nível de ruído, o fotodiodo costuma ser polarizado com uma pequena tensão reversa. Essa polarização aumenta a largura da região de depleção, reduz a capacitância e acelera a coleta de cargas, melhorando a linearidade entre I_{\text{ph}} e P_{\text{inc}}. Existe ainda uma corrente de escuro I_D (sem luz) que define o limiar de mínima detecção.

Passo 4

Num conjunto de fotodiodos (array) cada unidade elementar funciona como um “pixel”. Esses pixels são dispostos em linhas e colunas, obtendo-se uma matriz bidimensional. A iluminação que incide em cada local gera uma corrente I_{\text{ph},ij} distinta em cada pixel (i,j). Para ler essa matriz, usa-se um circuito de varredura (scanning): em cada instante seleciona-se uma linha i (via chaveamento de transistores) e, coluna a coluna, converte-se a corrente de cada pixel em voltagem num amplificador transimpedância.

Passo 5

Existem duas arquiteturas principais:
  1. CCD (Charge-Coupled Device): carrega a carga acumulada em cada pixel e “empurra” sequencialmente até um único conversor analógico-digital. Tem alta sensibilidade e baixa ruído, mas consumo de potência maior e velocidade limitada.
  2. CMOS APS (Active Pixel Sensor): cada pixel integra um fotodiodo e um pequeno circuito amplificador/transistor de seleção, permitindo leitura random-access linha a linha. Tem menor consumo, integração com lógica on-chip e maior velocidade de varredura, porém ruído um pouco maior.

Passo 6

Os parâmetros chave de um array de fotodiodos são:
• Responsividade R(\lambda), que define quantos ampères se obtêm por watt incidente.
• Ruído de escuro I_D, que impõe o nível mínimo detectável.
• Tempo de resposta (bandwidth), relacionado à capacitância do pixel.
• Fill factor, razão entre área sensível à luz e área total do pixel (quanto maior, melhor a sensibilidade).

Resposta

Um conjunto de fotodiodos é uma matriz de junções p n reversamente polarizadas onde cada fotodiodo gera uma corrente I_{\text{ph}} proporcional à potência luminosa local. Essas correntes são então lidas linha a linha por circuitos de varredura (em CCD ou CMOS APS), convertidas em sinais de voltagem, digitalizadas e processadas, formando a imagem ou medida de intensidade da radiação visível incidente.

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