Принцип роботи фотодіодів

Фотодіоди, як ключовий пристрій, що перетворює оптичні сигнали в електричні, відіграють вирішальну роль у сучасній електронній техніці. Від зв’язку, обробки зображень до сенсорних технологій, застосування фотодіодів є повсюдним, приносячи революційний прогрес у сучасні технології.
Принцип роботи фотодіодів в основному заснований на фотоелектричному ефекті та принципі PN-переходу. Фотоефект відноситься до явища, коли коли світло опромінюється на певні речовини, електрони всередині цих речовин поглинають енергію фотонів, що призводить до переходів і утворення пар електронно-дірок. У фотодіодах цей фотоелектричний ефект виникає в області PN-переходу.
PN-перехід — це основна структура фотодіода, що складається з напівпровідників типу P- і напівпровідника типу N-. У PN-переході внаслідок дифузії дірок від напівпровідника типу P- до напівпровідника типу N- і електронів від напівпровідника типу N- до напівпровідника типу P- утворюється вбудоване-електричне поле. Напрямок цього вбудованого-електричного поля вказує від N до P, запобігаючи подальшій дифузії дірок і електронів, таким чином утворюючи дуже тонкий виснажений шар на межі PN-переходу.
Коли світло потрапляє на PN-перехід фотодіода, фотони поглинаються атомами або молекулами в виснаженому шарі, змушуючи електрони переходити з валентної зони в зону провідності, утворюючи електронні діркові пари. Під дією вбудованого -електричного поля електрони рухаються до N-області, а дірки — до P-області, таким чином утворюючи фотоіндуковану електрорушійну силу з обох боків PN-переходу. Величина фотоіндукованої електрорушійної сили прямо пропорційна інтенсивності падаючого світла.
Під час роботи фотодіода зазвичай необхідно подати на нього зворотну напругу зміщення. Це пояснюється тим, що зворотна напруга зміщення може ще більше посилити ефект вбудованого-електричного поля, роблячи електрорушійну силу, створювану фото, більш помітною. У той же час напруга зворотного зміщення також може пригнічувати темновий струм (тобто слабкий струм, який утворюється, коли немає світла), покращувати чутливість і співвідношення сигнал-до-шуму фотодіодів.