Zasada działania fotodiod

Fotodiody, jako kluczowe urządzenie przetwarzające sygnały optyczne na sygnały elektryczne, odgrywają kluczową rolę we współczesnej technologii elektronicznej. Od komunikacji, obrazowania po technologię czujników, zastosowanie fotodiod jest wszechobecne, przynosząc rewolucyjny postęp w nowoczesnej technologii.
Zasada działania fotodiod opiera się głównie na efekcie fotoelektrycznym i zasadzie złącza PN. Efekt fotoelektryczny odnosi się do zjawiska, w którym po napromieniowaniu światłem pewnych substancji elektrony znajdujące się w tych substancjach absorbują energię fotonów, powodując przejścia i tworzenie par elektronowo-dziurowych. W fotodiodach ten efekt fotoelektryczny występuje w obszarze złącza PN.
Złącze PN to rdzeń fotodiody składający się z półprzewodnika typu P- i półprzewodnika typu N-. Na złączu PN, w wyniku dyfuzji dziur z półprzewodnika typu P- do półprzewodnika typu N- i elektronów z półprzewodnika typu N- do półprzewodnika typu P-, powstaje-wbudowane pole elektryczne. Kierunek tego wbudowanego pola elektrycznego-jest skierowany od N do P, co zapobiega dalszej dyfuzji dziur i elektronów, tworząc w ten sposób bardzo cienką warstwę zubożoną na granicy faz złącza PN.
Kiedy światło jest naświetlane na złącze PN fotodiody, fotony są absorbowane przez atomy lub cząsteczki w warstwie zubożonej, powodując przejście elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, tworząc pary dziur elektronowych. Pod działaniem wbudowanego-pola elektrycznego elektrony przemieszczają się w kierunku obszaru N, a dziury w kierunku obszaru P, tworząc w ten sposób indukowaną światłem siłę elektromotoryczną po obu stronach złącza PN. Wielkość tej fotoindukowanej siły elektromotorycznej jest wprost proporcjonalna do intensywności padającego światła.
Podczas pracy fotodiody zwykle konieczne jest przyłożenie do niej napięcia polaryzacji zaporowej. Dzieje się tak, ponieważ napięcie polaryzacji zaporowej może jeszcze bardziej wzmocnić efekt wbudowanego-pola elektrycznego, dzięki czemu siła elektromotoryczna generowana przez zdjęcie będzie bardziej wyraźna. Jednocześnie napięcie polaryzacji zaporowej może również tłumić ciemny prąd (tj. słaby prąd generowany przy braku światła), poprawiać czułość i stosunek sygnału-do-szumu fotodiod.