Explique como funcionam os seguintes detectores de radiação visível:
conjunto de fotodiodos
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
–
de silício (ou outro semicondutor) polarizada reversamente. Quando chega luz com fótons de energia
(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
satisfaz aproximadamente
onde
é a potência óptica incidente e
é a responsividade espectral, com
a eficiência quântica,
a carga do elétron,
a constante de Planck,
a velocidade da luz e
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
e
. Existe ainda uma corrente de escuro
(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
distinta em cada pixel
. Para ler essa matriz, usa-se um circuito de varredura (scanning): em cada instante seleciona-se uma linha
(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:
- 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.
- 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 , que define quantos ampères se obtêm por watt incidente.
• Ruído de escuro , 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).
• Responsividade
• Ruído de escuro
• 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
–
reversamente polarizadas onde cada fotodiodo gera uma corrente
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.