Arbejdsprincippet for fotodioder
Oct 08, 2024| Fotodioder, som en nøgleenhed, der konverterer optiske signaler til elektriske signaler, spiller en afgørende rolle i moderne elektronisk teknologi. Fra kommunikation, billeddannelse til sensorteknologi er anvendelsen af fotodioder allestedsnærværende, hvilket bringer revolutionerende fremskridt til moderne teknologi.
Arbejdsprincippet for fotodioder er hovedsageligt baseret på den fotoelektriske effekt og PN-forbindelsesprincippet. Den fotoelektriske effekt refererer til det fænomen, hvor når lys bestråles på visse stoffer, absorberer elektronerne inde i disse stoffer fotonernes energi, hvilket resulterer i overgange og dannelsen af elektronhulpar. I fotodioder forekommer denne fotoelektriske effekt i PN-forbindelsesområdet.
PN-forbindelsen er kernestrukturen af en fotodiode, der består af en halvleder af P-type og en halvleder af N-type. Ved PN-krydset, på grund af diffusionen af huller fra P--type halvleder til N--type halvleder og elektroner fra N--type halvleder til P--type halvleder, dannes et indbygget- elektrisk felt. Retningen af dette indbyggede-i elektriske felt peger fra N til P, hvilket forhindrer yderligere diffusion af huller og elektroner og danner således et meget tyndt udtømningslag ved PN-forbindelsesgrænsefladen.
Når lys bestråles på PN-forbindelsen af en fotodiode, absorberes fotoner af atomer eller molekyler i udtømningslaget, hvilket får elektroner til at gå fra valensbåndet til ledningsbåndet, hvilket producerer elektronhulpar. Under påvirkning af det indbyggede- elektriske felt bevæger elektroner sig mod N-regionen, og huller bevæger sig mod P-regionen og danner derved en fotoinduceret elektromotorisk kraft på begge sider af PN-krydset. Størrelsen af denne foto-inducerede elektromotoriske kraft er direkte proportional med intensiteten af det indfaldende lys.
Under driften af en fotodiode er det normalt nødvendigt at anvende en omvendt forspænding på den. Dette skyldes, at den omvendte forspænding yderligere kan forstærke effekten af det indbyggede- elektriske felt, hvilket gør den fotogenererede elektromotoriske kraft mere udtalt. Samtidig kan omvendt bias-spænding også undertrykke mørk strøm (dvs. svag strøm genereret, når der ikke er lys), forbedre følsomheden og signal-til-støjforholdet for fotodioder.