Principiul de funcționare al fotodiodelor

Fotodiodele, ca dispozitiv cheie care convertesc semnalele optice în semnale electrice, joacă un rol crucial în tehnologia electronică modernă. De la comunicare, imagistică la tehnologia senzorilor, aplicarea fotodiodelor este omniprezentă, aducând progrese revoluționare în tehnologia modernă.
Principiul de funcționare al fotodiodelor se bazează în principal pe efectul fotoelectric și pe principiul joncțiunii PN. Efectul fotoelectric se referă la fenomenul în care atunci când lumina este iradiată asupra anumitor substanțe, electronii din interiorul acestor substanțe absorb energia fotonilor, rezultând tranziții și formarea de perechi de găuri de electroni. În fotodiode, acest efect fotoelectric are loc în regiunea joncțiunii PN.
Joncțiunea PN este structura centrală a unei fotodiode, constând dintr-un semiconductor de tip P-și un semiconductor de tip N-. La joncțiunea PN, datorită difuzării găurilor de la semiconductorul de tip P-la semiconductorul de tip N-și electronilor de la semiconductorul de tip N-la semiconductorul de tip P{-, se formează un câmp electric-încorporat. Direcția acestui câmp electric încorporat-indică de la N la P, împiedicând difuzarea ulterioară a găurilor și a electronilor, formând astfel un strat de epuizare foarte subțire la interfața joncțiunii PN.
Când lumina este iradiată pe joncțiunea PN a unei fotodiode, fotonii sunt absorbiți de atomii sau moleculele din stratul de epuizare, determinând tranziția electronilor de la banda de valență la banda de conducție, producând perechi de găuri de electroni. Sub acțiunea câmpului electric încorporat-, electronii se deplasează spre regiunea N, iar găurile se deplasează spre regiunea P, formând astfel o forță electromotoare fotoindusă pe ambele părți ale joncțiunii PN. Mărimea acestei forțe electromotoare foto-induse este direct proporțională cu intensitatea luminii incidente.
În timpul funcționării unei fotodiode, este de obicei necesar să i se aplice o tensiune de polarizare inversă. Acest lucru se datorează faptului că tensiunea de polarizare inversă poate îmbunătăți și mai mult efectul câmpului electric-încorporat, făcând forța electromotoare generată de fotografie mai pronunțată. În același timp, tensiunea de polarizare inversă poate, de asemenea, suprima curentul întunecat (adică curentul slab generat atunci când nu există lumină), poate îmbunătăți sensibilitatea și raportul semnal-la-zgomot al fotodiodelor.