Principios de análisis instrumental

178 Capítulo 7 Componentes de los instrumentos ópticos «< Relojes Inicio Diodo 1 Diodo 2 Interruptor de r-------------<oo Reinicio ~;o;c; o ;,"egrndo~~ Salida - 5 V Diodo N FIGURA 7.32 Diagrama del circuito integrado de un detector de fotodiodos en serie. posición de dichos componentes. Observe que conectado en para– lelo con cada fotodiodo hay un capacitar de almacenamiento de 10-pF. Cada par diodo-capacitar está conectado en forma suce– siva a una línea de salida común mediante el registro de desplaza– miento de N bits y los interruptores de cada transistor. El registro de desplazamiento cierra suces ivamente cada uno de dicho s interruptores, y ocasiona que el capacitar se cargue de manera momentánea a -5 V, lo cual crea una polarización inversa en la unión pn del detector. La radiación que choca con la capa de agotamiento en la región p o en la n forma cargas (electrones y huecos) que crean una corriente que descarga el capacitar en el circuito en forma parcial. La carga del capacitar que se pierde de esta manera se reemplaza durante el ciclo siguiente. La corriente de carga resultante se integra mediante el circuito del pream– plificador, que produce un voltaje proporcional a la intensidad radiante. Después de la amplificación, la señal analógica prove– niente del preamplificador pasa al convertidor de señal analógica en digital y a una computadora que controla al sistema de lectura. Al utilizar un transductor de diodos en serie, la anchura de la rendija del espectrómetro se ajusta por lo regular de tal modo que la imagen de la rendija de entrada llena de manera exacta el área superficial de uno de los diodos que constituyen el sistema. Por tanto, la información que se obtiene equivale a la registrada durante el barrido con un espectrofotómetro tradicional. Sin embargo, con este acomodo, la información del espectro com– pleto se acumula en forma simultánea y en elementos separados y no de forma continua. Los arreglos de fotodiodos son capaces de dar tiempos de respuesta extremadamente rápidos (nanose– gundos). Algunos con placas de microcanales frontales también aportan ganancia y permiten la detección de bajos niveles de luz. Algunos de los transductores con fotoconductores que se mencionan en la sección anterior pueden fabricarse también en ensambles lineales para usarse en la región infrarroja. Algunos arreglos de fotodiodos de dos dimensiones también están dispo– nibles comercialmente. Dispositivos de transferencia de carga Los arreglos de fotodiodos no pueden igualar el rendimiento de los tubos fotomultiplicadores en cuanto a sensibilidad, intervalo diná- mico y relación señal-ruido. Por otra parte, los rendimientos de los dispositivos de transferencia de carga se aproximan y algunas veces sobrepasan al de los tubos fotomultiplicadores, además de que tienen la ventaja de ser multicanal. Como resultado, este tipo de transductores son cada vez más usados en instrumentos moder– nos para espectroscopia. 25 Un beneficio más de los dispositivos de transferencia de carga es que, por lo regular, son bidimensionales, es decir, que los elementos individuales del transductor están aco– modados en hileras y columnas. Por ejemplo, un detector que se describe en la sección siguiente consta de 244 hileras de elemen– tos transductores, y cada hilera está compuesta de 388 elementos detectores, que arroja como resultado un acomodo bidimensional de 19 672 transductores individuales, también conocidos como pixeles, sobre un circuito integrado de silicio de 6.5 mm por 8.7 mm. Con este dispositivo es posible registrar de modo simultáneo un espectro completo bidimensional desde un espectrómetro de escalera (figura 7.21). Los dispositivos de transferencia de carga funcionan como una película fotográfica al integrar información de señal conforme la radiación los golpea. La figur a 7.33 muestra un corte transversal de uno de los pixeles en un acomodo de transferencia de carga. Aquí, el pixel consiste en un par de electrodos conductores sobre una capa ais– lante de silicio (tenga en cuenta que en algunos dispositivos un pixel de transferencia de carga está constituido por más de dos electrodos). Esta capa de silicio separa los electrodos de una región de silicio n impuro o dopado. Este ensamble constituye un capacitar, hecho de semiconductor de óxido metálico, que alma– cena las cargas formadas cuando la radiación choca con el silicio dopado. Como se observa, cuando se aplica un voltaje negativo a los electrodos, se crea una región de inversión de carga bajo los electrodos, la cual es favorable desde el punto de vista energético para almacenar huecos. Los huecos móviles creados por la absor– ción de fotones migran entonces y concurren en esta región. Esta región, llamada pozo de potencial, puede contener de 10 5 a 10 6 car- 25 Para más detalles acerca de los dispositivos de transferencia de carga, véase J. M. Harnly y R. E. Fields, Appl. Spectros., 1997, 51, 334A; J. V. Sweedler, K. L. Ratzlaff, y M. B. Denton, eds., Charge-Transfer Devices in Spectroscopy, New York: YCH, 1994; J. V. Sweedler, Crit. Rev. Anal. Chem., 1993, 24, 59, DOI: 10.1080/10408349308048819.