Principios de análisis instrumental

174 Capítulo 7 Componentes de los instrumentos ópticos <« semiconductor se forman electrones y huecos. Los electrones que han sido impulsados a la banda de conducción migran entonces hacia la película metálica y los huecos hacia la base, donde está depositado el semiconductor. Los electrones liberados están libres para migrar a través del circuito externo para interactuar con estos huecos. El resultado es una corriente eléctrica de una mag– nitud que es proporcional a la cantidad de fotones que golpean contra la superficie del semiconductor. Las corrientes producidas por una celda fotovoltaica son lo suficientemente grandes para ser medidas con un microamperímetro; si la resistencia del circuito externo se conserva pequeña (<400 D), la corriente fotoeléctrica es directamente proporcional a la potencia radiante que golpea a la celda. Las corrientes del orden de 10 a 100 f.!A son comunes. Las celdas de capa-barrera constituyen un medio rudimen– tario y barato para medir la potencia radiante, por lo que no requiere ninguna fuente externa de energía eléctrica. La baja resis– tencia interna de la celda hace que la amplificación de su salida sea poco conveniente. Por consiguiente, la celda de capa-barrera proporciona una respuesta que se puede medir con prontitud con altos niveles de iluminación, pero carece de sensibilidad a bajos niveles. Otra desventaja de esta celda es que manifiesta fatiga, es decir, su salida de corriente disminuye en forma gradual durante la iluminación continua. El diseño adecuado del circuito y la elec– ción de mejores condiciones experimentales reducen al mínimo este efecto. Las celdas de capa-barrera se utilizan en instrumen– tos sencillos y portátiles cuyo bajo costo es importante. En aná– lisis rutinarios, estos instrumentos aportan información analítica totalmente confiable. Fototubos de vacío Un segundo tipo de dispositivo fotoeléctrico es el fototubo de vacío, 22 que consiste en un cátodo semicilíndrico y un ánodo de alambre sellados dentro de un recipiente transparente al vacío (véase la figura 7.27). La superficie cóncava del electrodo soporta Electrones Cátodo Ánodo de alambre Haz de fotones R FIGURA 7.27 Fototubo y sistema de Lectura de amplificador opera– cional. La corriente fotoeléctrica inducida por La radiación ocasiona una caída de voltaje en R, La cual aparece como v 0 en La salida del convertidor corriente a voltaje. Este voltaje se despliega en un medi– dor o puede ser obtenido por un sistema de adquisición de datos. 22 Para un estudio muy práctico aunque antiguo acerca de los fototubos de vacío, tubos fotomultiplicadores y sus circuitos consulte F. E. Lytle, Anal. Chem., 1974, 46, 545A, DOI: 10.1021/ac60342a718. una capa de material fotoemisor (sección 6C.1) que tiende a emitir electrones al ser irradiado. Cuando se aplica un voltaje a los elec– trodos, los electrones emitidos fluyen hacia el ánodo de alambre generando una corriente fotoeléctrica que, por lo general, es de casi un décimo de la asociada con una celda fotovoltaica para una inten– sidad radiante dada. En cambio, la amplificación se logra con facili– dad porque el fototubo tiene una alta resistencia eléctrica. La cantidad de electrones que son expulsados de una superfi– cie fotoemisora es directamente proporcional a la potencia radiante del haz que golpea la superficie. Conforme el voltaje aplicado en los dos electrodos del tubo aumenta, la fracción de los electrones emitidos que llega al ánodo se incrementa con rapidez; cuando se consigue el voltaje de saturación, todos los electrones se encuen– tran en el ánodo. Entonces, la corriente se vuelve independiente del voltaje y es directamente proporcional a la potencia radiante. Los fototubos funcionan casi siempre a un voltaje de alrededor de 90 V, el cual está muy adentro de la región de saturación. En los fototubos comerciales se usa una variedad de superfi– cies fotoemisoras. Los ejemplos comunes se muestran en la figura 7.28. Desde el punto de vista del usuario, las superficies fotoemi– soras están dentro de cuatro categorías: muy sensibles, sensibles al rojo, sensibles al ultravioleta y de respuesta plana. Los cátodos más sensibles son del tipo dialcalino como el número 117 de la figura 7.28; están hechos de potasio, cesio y antimonio. Los mate– riales sensibles al rojo son formulaciones del tipo multialcalino, por ejemplo, Na/K/Cs/Sb o Ag/0/Cs. El comportamiento de la superficie Ag/0/Cs se muestra como S-11 en la figura. Las com– posiciones de Ga/In/As extienden la región roja hasta casi 1.1 flm. La mayor parte de las formulaciones son sensibles al ultravioleta si el tubo está equipado con ventanas transparentes a los rayos UV. Se obtienen respuestas relativamente planas con composiciones Ga/As como la que se marcó con el número 128 en la figura 7.28. Con frecuencia, los fototubos producen una corriente resi– dual pequeña (véase la ecuación 7.19) que resulta de la emisión de electrones térmicamente inducida y de la radiactividad natural proveniente de 4 °K presente en la cubierta de vidrio del tubo. 80 ;?: 60 :;: E "O "' :g 40 ~ "' e ., Cll 20 200 400 600 800 1000 Longitud de onda, nm FIGURA 7.28 Respuesta espectral de algunas superficies fotoemiso– ras representativas. (Tomado de F. E. Lytle, Anal. Chem., 1974, DOI: 10.1021/ac60342a718, figura 1, p. 546A. Copyright 1974 American Chemical Society.)