Fotodetector (fotocélula): qué es, funcionamiento, tipos y aplicaciones

Una fotocélula, también conocida como fotorresistencia, es un componente electrónico, dispositivo que cambia su conductividad eléctrica cuando la luz incide sobre él. En la imagen, la electricidad fluye a través de la parte rojiza. Normalmente, cuando le da la luz, fluye más electricidad. Cuando está oscuro, casi no fluye la electricidad. El selenio se puede utilizar para fabricar fotocélulas, aunque también se pueden utilizar otras sustancias químicas.

Los semiconductores se utilizan para fabricar muchas fotocélulas. Cuando la luz incide en la fotocélula, ésta "suelta" los electrones, permitiéndoles fluir y crear una corriente eléctrica. Este proceso se fundamenta en el efecto fotoeléctrico interno o en el efecto fotovoltaico, según el tipo de dispositivo.

Qué es exactamente una fotocélula (fotodetector)

El término fotocélula se emplea de forma amplia: puede referirse tanto a las fotorresistencias (LDR) como a fotodiodos, fototransistores, celdas solares y otros detectores sensibles a la luz. En todos los casos la función básica es convertir radiación luminosa en una señal eléctrica medible (variación de resistencia, corriente o tensión).

Principio de funcionamiento

Fotoconductividad: en dispositivos como las fotorresistencias (LDR), la resistividad del material disminuye con la iluminación porque se generan portadores de carga adicionales.
Efecto fotovoltaico: en celdas solares se genera una tensión (y corriente) al separar los electrones y huecos creados por fotones en una unión p-n.
Efecto fotovoltaico interno / fotodiodos: en fotodiodos y fototransistores la absorción de fotones crea pares electrón-hueco que producen una corriente; frecuentemente se opera con polarización inversa para mayor rapidez y linealidad.
Emisión fotoeléctrica: en fotomultiplicadores la luz provoca la emisión de electrones desde una superficie y estos electrones se amplifican mediante etapas de multiplicación.

Tipos principales de fotodetectores

Fotorresistencia (LDR): material semiconductor (p. ej. sulfuro de cadmio, CdS) cuya resistencia varía con la luz. Ventajas: barato y sencillo. Inconvenientes: lento (tiempos de respuesta en ms a s) y poca precisión.
Fotodiodo (PIN, Schottky): rápido, lineal y con bajo ruido. Se usa en telecomunicaciones, detectores de fibra óptica y mediciones rápidas. Silicon para visible y NIR hasta ~1100 nm; InGaAs o Ge para IR más prolongado.
Fototransistor: similar al fotodiodo pero con ganancia interna, más sensible que un fotodiodo pero más lento y con mayor ruido.
Celdas fotovoltaicas (panales/pequeñas celdas solares): convierten luz en tensión continua útil para energía o sensores de luz con salida de voltaje.
Fotomultiplicador (PMT): extremadamente sensible, usado donde la señal es muy débil (astronomía, detectores de laboratorio); requiere alto voltaje y es voluminoso.
Diodos APD (avalanche): ofrecen ganancia interna mediante avalancha, útiles cuando se necesita alta sensibilidad y rapidez, p. ej. en LIDAR.
Sensores de imagen (CCD, CMOS): matrices de fotodetectores usadas en cámaras para capturar imágenes completas; ofrecen alta resolución espacial.

Materiales y rango espectral

Diferentes materiales determinan la sensibilidad espectral:

Silicio (Si): sensible desde el UV cercano hasta ~1100 nm (visible + near-IR).
Germanio (Ge) e InGaAs: para infrarrojo cercano y medio (hasta ~1700 nm o más según la aleación).
Selenio, CdS, CdSe: usados históricamente en LDRs y algunas fotocélulas específicas.
Materiales III-V (GaAs, InP): empleados en detección óptica de alta velocidad o en telecomunicaciones ópticas.

Características eléctricas y de rendimiento

Sensibilidad: cuánta corriente o voltaje genera una determinada irradiancia.
Respuesta espectral: dependencia de la sensibilidad con la longitud de onda.
Tiempo de respuesta: desde microsegundos o nanosegundos (fotodiodos rápidos) hasta milisegundos o segundos (LDR).
Ruido y corriente de oscuridad: la corriente generada sin luz limita la relación señal/ruido.
Linealidad y rango dinámico: cuán proporcional es la señal frente a diferentes niveles de luz.
Ganancia: algunos dispositivos (fototransistores, APD, PMT) amplifican la señal internamente.

Aplicaciones comunes

Encendido/apagado automático de iluminación y sensores de presencia.
Sistemas de seguridad y alarmas (detección de intrusos mediante barreras fotoeléctricas).
Cámaras fotográficas y vídeo (sensores CCD/CMOS).
Telecomunicaciones por fibra óptica (fotodiodos rápidos).
Medida de intensidad lumínica y luxómetros.
Control industrial y automatización (posicionamiento, detección de objetos).
Medicina y biomedicina (p. ej. detección en pulsioxímetros, espectroscopía).
Astronomía y física experimental (PMT, sensores de baja señal).
Paneles solares para generación de energía.

Consejos para elegir una fotocélula

Defina la longitud de onda de interés (visible, IR, UV) y elija el material adecuado.
Considere la velocidad: LDR para aplicaciones lentas; fotodiodos/fototransistores para respuesta rápida.
Evalúe sensibilidad y ruido: para señales débiles, prefiera APD o PMT (si el presupuesto y condiciones lo permiten).
Revise la necesidad de amplificación: puede requerirse un amplificador transimpedancia para fotodiodos.
Tenga en cuenta condiciones ambientales (temperatura, humedad) que afectan la estabilidad y la longevidad.

Ejemplos prácticos de uso en circuito

Fotorresistencia (LDR): usada en un divisor de tensión junto a una resistencia fija para generar una salida analógica proporcional a la luz.
Fotodiodo: conectado en polarización inversa a un amplificador transimpedancia para convertir corriente en tensión con baja capacitancia y alta velocidad.
Fototransistor: reemplaza a un transistor normal en circuitos de conmutación sensibles a la luz, proporcionando ganancia sin etapas adicionales.

Limitaciones y mantenimiento

Al seleccionar e instalar fotocélulas hay que considerar la degradación por exposición prolongada (especialmente en materiales orgánicos o algunos semiconductores), la deriva térmica y la necesidad de calibración en aplicaciones de precisión. Además, el ruido de fondo y la luz parásita pueden requerir filtrado óptico o mecánico (filtros, obturadores, blindajes).

En resumen, una fotocélula es un dispositivo esencial para convertir luz en señal eléctrica y existen muchos tipos —desde las económicas fotorresistencias hasta detectores altamente sensibles— adaptados a distintas aplicaciones según su velocidad, sensibilidad y rango espectral.

Fotocélula