Arbetsprincipen för fotodioder

Fotodioder, som en nyckelenhet som omvandlar optiska signaler till elektriska signaler, spelar en avgörande roll i modern elektronisk teknik. Från kommunikation, bildbehandling till sensorteknik, tillämpningen av fotodioder är allestädes närvarande, vilket ger revolutionerande framsteg till modern teknik.
Arbetsprincipen för fotodioder är huvudsakligen baserad på den fotoelektriska effekten och PN-övergångsprincipen. Den fotoelektriska effekten hänvisar till fenomenet där när ljus bestrålas på vissa ämnen, absorberar elektronerna inuti dessa ämnen fotonernas energi, vilket resulterar i övergångar och bildandet av elektronhålspar. I fotodioder uppstår denna fotoelektriska effekt i PN-övergångsområdet.
PN-övergången är kärnstrukturen i en fotodiod, bestående av en halvledare av P-typ och en halvledare av N-typ. Vid PN-övergången, på grund av diffusionen av hål från halvledaren av P-typ till halvledaren av N-typ och elektroner från halvledaren av N-typ till halvledaren av P-typ, bildas ett inbyggt-elektriskt fält. Riktningen för detta inbyggda-elektriska fält pekar från N till P, vilket förhindrar ytterligare diffusion av hål och elektroner, vilket bildar ett mycket tunt utarmningsskikt vid PN-övergångsgränssnittet.
När ljus bestrålas på PN-övergången av en fotodiod, absorberas fotoner av atomer eller molekyler i utarmningsskiktet, vilket gör att elektroner övergår från valensbandet till ledningsbandet, vilket producerar elektronhålspar. Under verkan av det inbyggda-elektriska fältet rör sig elektroner mot N-regionen och hål rör sig mot P-regionen, och bildar därigenom en fotoinducerad elektromotorisk kraft på båda sidor av PN-övergången. Storleken på denna fotoinducerade elektromotoriska kraft är direkt proportionell mot intensiteten av det infallande ljuset.
Under driften av en fotodiod är det vanligtvis nödvändigt att applicera en omvänd förspänning på den. Detta beror på att den omvända förspänningen ytterligare kan förstärka effekten av det inbyggda-elektriska fältet, vilket gör den fotogenererade elektromotoriska kraften mer uttalad. Samtidigt kan omvänd förspänning också undertrycka mörkström (dvs. svag ström som genereras när det inte finns något ljus), förbättra känsligheten och signal-till-brusförhållandet för fotodioder.