Het werkingsprincipe van fotodiodes

Fotodiodes spelen, als sleutelapparaat dat optische signalen omzet in elektrische signalen, een cruciale rol in de moderne elektronische technologie. Van communicatie, beeldvorming tot sensortechnologie: de toepassing van fotodiodes is alomtegenwoordig en brengt revolutionaire vooruitgang in de moderne technologie.
Het werkingsprincipe van fotodiodes is voornamelijk gebaseerd op het foto-elektrische effect en het PN-overgangsprincipe. Het foto-elektrisch effect verwijst naar het fenomeen waarbij wanneer licht op bepaalde stoffen wordt gestraald, de elektronen in deze stoffen de energie van fotonen absorberen, wat resulteert in overgangen en de vorming van elektronengatparen. Bij fotodiodes treedt dit foto-elektrische effect op in het PN-overgangsgebied.
De PN-overgang is de kernstructuur van een fotodiode, bestaande uit een halfgeleider van het P--type en een halfgeleider van het N--type. Op de PN-overgang wordt, als gevolg van de diffusie van gaten van de halfgeleider van het P--type naar de halfgeleider van het N--type en elektronen van de halfgeleider van het N--type naar de halfgeleider van het P--type, een ingebouwd- elektrisch veld gevormd. De richting van dit ingebouwde elektrische veld wijst van N naar P, waardoor verdere diffusie van gaten en elektronen wordt voorkomen, waardoor een zeer dunne depletielaag wordt gevormd op het grensvlak van de PN-overgang.
Wanneer licht wordt bestraald op de PN-overgang van een fotodiode, worden fotonen geabsorbeerd door atomen of moleculen in de depletielaag, waardoor elektronen overgaan van de valentieband naar de geleidingsband, waardoor elektronengatparen ontstaan. Onder invloed van het ingebouwde elektrische veld bewegen elektronen naar het N-gebied en bewegen gaten naar het P-gebied, waardoor een foto-geïnduceerde elektromotorische kracht wordt gevormd aan beide zijden van de PN-overgang. De omvang van deze door foto geïnduceerde elektromotorische kracht is recht evenredig met de intensiteit van het invallende licht.
Tijdens de werking van een fotodiode is het meestal nodig om er een sperspanning op aan te leggen. Dit komt omdat de spervoorspanning het effect van het ingebouwde elektrische veld verder kan versterken, waardoor de door foto gegenereerde elektromotorische kracht duidelijker wordt. Tegelijkertijd kan de spervoorspanning ook de donkerstroom onderdrukken (dat wil zeggen zwakke stroom die wordt gegenereerd als er geen licht is), waardoor de gevoeligheid en de signaal-tot-ruisverhouding van fotodiodes worden verbeterd.