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TRANSDUCTORES ÓPTICOS

Dpto. Bioingeniería

Transductores Biomédicos

2021

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REFRACTION

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LA LUZ NO VIAJA MÁS DESPACIO

En cada átomo se “pierde tiempo” con la secuencia “absorbo-emito”

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DIFRACCIÓN SIMPLE

Las ondas recorren diferentes longitudes hasta el punto indicado (green), y llegan defasadas.

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DIFRACCIÓN DOBLE

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¿Dónde encontrar fotodetectores?�Instrumentos ópticos

Espectrofotómetro: Provee información sobre la intensidad de radiación como función de la longitud de onda o frecuencia
Colorímetro: Instrumento para la medida de la absorción en la que filtros de vidrio de diferentes colores. El color que se ve, es el complemento del color absorbido.
Fluorímetro: Medidas de fluorescencia

Espectrofotómetro

Marcadores fluorescentes

Los métodos ópticos espectroscópicos se

basan en seis fenómenos:

1.-Absorción

2.-Fluorescencia

3.-Fosforescencia

4.-Dispersión

5.-Emisión

6.-Quimioluminiscencia: Bajo quimoluminiscencia se entiende el fenómeno que en algunas reacciones químicas la energía se entiende el fenómeno que en algunas reacciones químicas la energía liberada no sólo se emite en forma de calor se entiende el fenómeno que en algunas reacciones químicas la energía liberada no sólo se emite en forma de calor o de energía química se entiende el fenómeno que en algunas reacciones químicas la energía liberada no sólo se emite en forma de calor o de energía química sino en forma de luz.

􀂄 En todos los casos la respuesta es proporcional a la concentración del analit

Un fluorímetro es un dispositivo de laboratorio utilizado para medir los parámetros de la fluorescenciaUn fluorímetro es un dispositivo de laboratorio utilizado para medir los parámetros de la fluorescencia: su intensidadUn fluorímetro es un dispositivo de laboratorio utilizado para medir los parámetros de la fluorescencia: su intensidad y la distribución de longitudes de ondaUn fluorímetro es un dispositivo de laboratorio utilizado para medir los parámetros de la fluorescencia: su intensidad y la distribución de longitudes de onda delespectro de emisiónUn fluorímetro es un dispositivo de laboratorio utilizado para medir los parámetros de la fluorescencia: su intensidad y la distribución de longitudes de onda delespectro de emisión después de la excitación por un cierto espectroUn fluorímetro es un dispositivo de laboratorio utilizado para medir los parámetros de la fluorescencia: su intensidad y la distribución de longitudes de onda delespectro de emisión después de la excitación por un cierto espectro de luz. Estos parámetros se utilizan para identificar la presencia y la cantidad de ciertasmoléculas específicas en un medio.

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¿Dónde encontrar fotodetectores?�Instrumentos ópticos

Diagrama de bloques de un espectrofotómetro (Webster)

Diagrama de bloques de un fotómetro de llama (Webster)

Diagrama de bloques de un fluorímetro(Webster)

Componentes de los instrumentos opticos

1. Fuente estable de energía radiante

2. Recipiente transparente a la radiación de interés para contener la

muestra

3. Selector de longitud de onda

4. Detector de radiación

5. Tratamiento y lectura de la señal.(Ej.)

Componentes del espectrofotometro

􀂄 Fuentes de radiación

1)Haz de radiación con potencia suficiente en el

rango de longitud de onda de interés

2)Estable

3)Tipos:

• Fuentes continuas

emiten radiación cuya intensidad varia sólo de forma

gradual en función de la longitud de onda.

• Fuentes de lineas

emiten un número limitado de bandas de radiación, con un

intervalo muy reducido de longitud de onda.

• Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation)

haces de radiación estrechos y muy intenso, altamente

monocromático y muy coherente.

Fuentes de radiación

laseres

Selectores: Filtros por absorción (Un vidrio coloreado), interferencia (Una rejilla de difracción), primas

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¿Dónde encontrar fotodetectores?�Instrumentos ópticos

Estable
Continuas: Lámpara de tungsteno
Por líneas: Lámpara de cátodo hueco
Monocromática: Láser

Filtros: por absorción o interferencia
Monocromadores: Rejillas de difracción o prismas

Ejemplos

UV: Cuarzo

IR: Cristales de sal (NaCl)

Vis: Cuarzo y vidrio

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Fuentes continuas

Producen un amplio intervalo de longitudes de onda.

– Sólido incandescente (Globar, hilo de nicromio) (1-40μm).

– Lámpara de tunsgeno (300-3000nm)

– Lámpara de cuarzo de tunsgeno y halógenos (QTH) (200-3000 nm)

• Alta temperatura (3500K)

– Lámpara de deuterio D2 o lámpara-arco de Hg/Xe (160-400 nm)

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Selectores de longitud de onda

Filtros

– Interferencia

(UV,Vis,IR)

– Absorción (Vis)

Absorben ciertas porciones del espectro mediante el uso de vidrios coloreados o colorantes suspendidos en gelatina inmovilizada entre platos de vidrio

Monocromadores

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Monocromadores

Varian la longitud de onda de la radiación en un amplio rango mediante un proceso denominado scan o barrido

Tipos

– Rejilla

– Prisma

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Celdas

Su material debe ser transparente a la radiacion usada

– UV:cuarzo

– Visible: cuarzo y vidrio

– IR: cristales de sal (ej.: NaCl. KBr)

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El fotodetector

Características

Alta sensibilidad
Alta razón señal/ruido.
Respuesta constante en un rango amplio de longitudes de onda
Señal directamente proporcional a la potencia de radiación
En ausencia de radiación la señal debe ser cero (dark current)

“Convierte la energía radiante en una señal eléctrica”

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El fotodetector�Los más usados

Los transductores más utilizados para las regiones UV/Vis son:

Fototubo
Fotomultiplicador

Fotodiodo
Celda fotovoltaica

Detectores FOTOEMISIVOS

Detectores SEMICONDUCTORES

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Fotomultiplicador

Fotodiodo

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Detectores SEMICONDUCTORES�Celda Fotovoltaica

RADIACIÓN

electrones y huecos

ELECTRODOS

CORRIENTE PROPORCIONAL A LA INTENSIDAD DE RADIACIÓN RECIBIDA

FOTOCELDAS.- Las celdas fotovoltaicas son utilizadas para detectar y medir la radiación

en la región visible y su rango de detección es aproximadamente el del ojo humano. Estas

consisten de una hoja de cobre o hierro, la cual sirve como electrodo, sobre la cual está

depositada una capa de un material semiconductor tal como óxido de cobre (I) o selenio

(Figura 6). La superficie exterior del semiconductor es cubierta por una capa trasparente

de oro, plata o plomo, el cual sirve como segundo electrodo o electrodo colector. El

sistema está protegido por una cubierta trasparente.

Cuando incide radiación de suficiente energía sobre el semiconductor, los enlaces

covalentes de este son rotos con el resultado de que se forman huecos y electrones en el

semiconductor. Para compensar este efecto los electrones emigran hacia la película

metálica y los huecos a el electrodo que sirve de base al semiconductor. Los electrones

liberados emigran a través del circuito externo para interaccionar con los huecos del

segundo electrodo y el resultado es el flujo de una corriente, cuya magnitud es

proporcional a la intensidad de la radiación recibida. Esta corriente es lo suficientemente

grande para ser medida con un galvanómetro o microamperímetro, por lo cual en estos

instrumentos generalmente el sistema de lectura es una aguja conectada a un

galvanómetro.

El uso de fotoceldas adolece de las desventajas de que no tiene buenos límites de

sensibilidad, además de que se desgasta por fatiga con el tiempo y pierde sus

características originales. Cuando los requerimientos de sensibilidad no sean muy

estrictos y para trabajo ordinario es recomendable equipos con este sistema de detección

debido a su bajo costo.

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Detectores SEMICONDUCTORES�Celda Fotovoltaica

DESVENTAJAS

No tiene buenos límites de sensibilidad
Desgaste por fatiga con el tiempo y pierde sus
características originales

VENTAJAS

Bajo costo.

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Detectores SEMICONDUCTORES�Fotodiodos

Modos de operación

Fotoconductivo: tensión inversa aplicada
Fotovoltaico: sin tensión aplicada
Cortocircuito: diodo en cortocircuito

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Detectores SEMICONDUCTORES�Fotodiodo: Modo Fotoconductivo

Fotodiodo PN

i_ph = QΦλq/hc

Q: eficiencia cuántica del detector (relación entre e- producidos y fotones incidentes)

Φ: energía incidente por unidad de tiempo

THE JUNCTION PHOTODIODE

Basic photodiode is a pn-diode with junction exposed to light

Under equilibrium conditions a potential barrier, V_o, exists across the depleted areas on either side of the pn-junction

no net current flows through the diode.

Two distinct modes of operation are possible

photovoltaic mode - diode is operated with no applied voltage

photoconductive mode - with an applied reverse voltage

Photodiode with no irradiation

JUNCTION DIODE IN PHOTOVOLTAIC MODE

PHOTOVOLTAIC MODE

Diode is operated open circuit

When illuminated the equilibrium is upset

e-h pairs are generated in depletion region

pd across junction pulls electrons to the n-side and the holes to the p-side

holes in p-type are increased as are electrons in n-type

a photon induced reverse current, i_ph, flows through the diode from the n side to the p side

The energy barrier is reduced with respect to its equilibrium value

now, more holes can cross from the p to n side and more electrons cross from n to p

creating a forward current through the diode

Diode is open circuit, the photon current must exactly balance the forward current

no net current can flow

the drop in energy barrier is seen as a forward voltage across the ends of the diode

The photon induced voltage is measured → photovoltaic

PHOTOVOLTAIC RESPONSE

Diode equation

forward current produced in pn junction for given applied potential

The forward current is balanced by the reverse photocurrent

i_f = i_ph

i_o[exp(qV_ph/kT)-1] = i_ph

Assuming the exponential term to be much greater than unity

i_o[exp(qV_ph/kT)] ≈ i_ph

Thus external photovoltage, V_ph, across the ends of the diode is

V_ph = (kT/q)ln(i_ph/i_o)

But the photon generated current is a linear function of light power

i_ph = ηΦλq/hc

Voltage developed across O/C diode is logarithmic function of power

V_ph ∝ lnΦ

Characteristics of photovoltaic mode

output voltage is non-linear function of incident light power

e-h pairs are pulled to respective contacts under internal field

speed of response depends on diode thickness ⇒ generally slow

absence of a leakage current provides low noise

Photodiode in PHOTOVOLTAIC MODE

PHOTOCONDUCTIVE MODE

pn junction is operated under reverse potential bias

positive terminal is connected to n-side and negative to p side

Electrons in the n-side are pulled out of the depletion region and holes are pulled from the p side

This leaves more fixed ions of both kinds in the depletion region causing it to widen

Consequently, the energy barrier increases in accordance with the applied potential

The flow of majority carriers of any kind is halted and the only current that can flow is the reverse current, i_o due to thermally generated minority carriers

Under illumination, the photogenerated electron-hole pairs are again swept apart by the internal electric field across the junction

Constitute a reverse photon current, i_ph, in the same direction as the thermally generated leakage current.

The major benefit of the photoconductive mode

the photon generated current constitutes the measured output signal and not the voltage drop across the diode

→ output signal is a linear function of the incident light power

→ i_ph ∝ Φ = QΦλq/hc

Photoconductive operation results in a higher response speed than photovoltaic

because of the wide depletion layer and higher electric field

transit time for charge carriers to reach their respective electrodes is reduced

Main disadvantage of PC mode is increased noise due to ever present leakage current.

JUNCTION DIODE IN PHOTOCONDUCTIVE MODE

Photodiode in PHOTOCONDUCTIVE MODE

pin DIODE

pin diode is a variation on standard pn-diode

An intrinsic (pure) layer of semiconductor is fabricated between the p and n-types

Depletion layer widens

Internal electric field is maintained over a wider layer

Because very few electrons and holes are in this region

Its resistivity is low

Only a small reverse bias is needed to increase the depletion region

Stretches almost entire way between the terminals

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Detectores SEMICONDUCTORES�Fotodiodo: Modo Fotoconductivo

Características del Modo Fotoconductivo

I salida es la señal y no la tensión en el diodo

La señal de salida es una función lineal de la potencia lumínica incidente

i_ph ∝ Φ i_ph = QΦλq/hc

Velocidad de respuesta mayor que en el modo fotovoltaico

El tiempo de tránsito de los portadores de carga para alcanzar sus respectivos electrodos se reduce

Desventaja: Mayor ruido debido a la corriente de fuga siempre presente

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Detectores SEMICONDUCTORES�Fotodiodo: Modo Fotovoltaico

Fotodiodo PN: Curva IV

Φ: energía incidente por unidad de tiempo

If: Corriente directa

Iph: Fotocorriente inversa

i_f = i_ph

i_o[exp(qV_ph/kT)] = i_ph

V_ph = (kT/q)ln(i_ph/i_o)

JUNCTION DIODE IN PHOTOVOLTAIC MODE

PHOTOVOLTAIC MODE

Diode is operated open circuit

When illuminated the equilibrium is upset

e-h pairs are generated in depletion region

pd across junction pulls electrons to the n-side and the holes to the p-side

holes in p-type are increased as are electrons in n-type

a photon induced reverse current, i_ph, flows through the diode from the n side to the p side

The energy barrier is reduced with respect to its equilibrium value

now, more holes can cross from the p to n side and more electrons cross from n to p

creating a forward current through the diode

Diode is open circuit, the photon current must exactly balance the forward current

no net current can flow

the drop in energy barrier is seen as a forward voltage across the ends of the diode

The photon induced voltage is measured → photovoltaic

PHOTOVOLTAIC RESPONSE

Diode equation

forward current produced in pn junction for given applied potential

The forward current is balanced by the reverse photocurrent

i_f = i_ph

i_o[exp(qV_ph/kT)-1] = i_ph

Assuming the exponential term to be much greater than unity

i_o[exp(qV_ph/kT)] ≈ i_ph

Thus external photovoltage, V_ph, across the ends of the diode is

V_ph = (kT/q)ln(i_ph/i_o)

But the photon generated current is a linear function of light power

i_ph = ηΦλq/hc

Voltage developed across O/C diode is logarithmic function of power

V_ph ∝ lnΦ

Characteristics of photovoltaic mode

output voltage is non-linear function of incident light power

e-h pairs are pulled to respective contacts under internal field

speed of response depends on diode thickness ⇒ generally slow

absence of a leakage current provides low noise

Photodiode in PHOTOVOLTAIC MODE

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Detectores SEMICONDUCTORES�Fotodiodo: Modo Fotovoltaico

La corriente fotónica generada es una función lineal de la potencia lumínica:

i_ph = ηΦλq/hc

La tensión desarrollada a través del diodo en circuito abierto es una función logarítimica de la potencia lumínica:

V_ph ∝ lnΦ

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Detectores SEMICONDUCTORES�Fotodiodo: Modo Fotovoltaico

Características del Modo Fotovoltaico

V no es lineal con Φ
Pares e-h empujados por un campo interno
Lentos
Bajo ruido
Para aplicaciones de baja f (< 350 kHz)
Para aplicaciones de ultra bajos niveles de luz

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Detectores SEMICONDUCTORES�Fotodiodo: Modo Cortocircuito

La corriente por el circuito es simplemente la fotocorriente ip

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Detectores FOTOEMISIVOS�Fototubo

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Detectores FOTOEMISIVOS�Fotomultiplicador

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RESISTORES DEPENDIENTES DE LA LUZ (LDR)

Están basados en la variación de la resistencia eléctrica en un semiconductor causada por la incidencia de una radiación óptica (λ entre 1mm y 10 nm)

MATERIALES CdS, Se, Si

Basados en un efecto fotoeléctrico interno donde a mayor iluminación, mayor la conductividad.
Relación entre la R y la iluminación E_recibida altamente alineal:

R = A . E ^–^α

Donde A y α dependen del material y de parámetros de fabricación. Ej: para CdS 0.7 < α < 0.9

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RESISTORES DEPENDIENTES DE LA LUZ (LDR)

Conductividad del material

Depende del Nº portadores de carga

Si T Nº Portadores

Semiconductor dopado luz incidente

Transición banda-banda (idem intrínseco)
Ionización de un donor e^- en la banda de conducción
Ionización de un aceptor huecos en la banda de valencia

Sensibilidad a la radiación incidente depende de cuánto tiempo permanecen los portadores libres antes de recombinarse.

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CARACTERÍSTICAS

Son altamente sensibles a la temperatura
La respuesta espectral es angosta para varios materiales, por lo tanto el material depende de la λ a detectar.

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CARACTERÍSTICAS

R depende de:

la iluminación en ese momento
la historia de iluminación

“Rise Time”: Tiempo para el cual R alcanza el 63% del valor final cdo se ilumina [ms]

“Fall Time”: Tiempo requerido para decaer a un 37% de su valor final al oscurecerla

Las LDR son sensibles a la T:

Un T generación de pares e-hueco
Ruido térmico

HISTÉRESIS

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Características de LDR Visibles e IR