Il principio di funzionamento dei fotodiodi

I fotodiodi, in quanto dispositivo chiave che converte i segnali ottici in segnali elettrici, svolgono un ruolo cruciale nella moderna tecnologia elettronica. Dalla comunicazione, all'imaging alla tecnologia dei sensori, l'applicazione dei fotodiodi è onnipresente e apporta progressi rivoluzionari alla tecnologia moderna.
Il principio di funzionamento dei fotodiodi si basa principalmente sull'effetto fotoelettrico e sul principio della giunzione PN. L'effetto fotoelettrico si riferisce al fenomeno per cui quando la luce viene irradiata su determinate sostanze, gli elettroni all'interno di queste sostanze assorbono l'energia dei fotoni, provocando transizioni e la formazione di coppie di lacune elettroniche. Nei fotodiodi, questo effetto fotoelettrico si verifica nella regione della giunzione PN.
La giunzione PN è la struttura centrale di un fotodiodo, costituita da un semiconduttore di tipo P- e da un semiconduttore di tipo N-. Nella giunzione PN, a causa della diffusione delle lacune dal semiconduttore di tipo P-al semiconduttore di tipo N-e degli elettroni dal semiconduttore di tipo N-al semiconduttore di tipo P-, si forma un campo elettrico incorporato-. La direzione di questo campo elettrico-incorporato punta da N a P, impedendo un'ulteriore diffusione di lacune ed elettroni, formando così uno strato di svuotamento molto sottile all'interfaccia della giunzione PN.
Quando la luce viene irradiata sulla giunzione PN di un fotodiodo, i fotoni vengono assorbiti dagli atomi o dalle molecole nello strato di svuotamento, provocando la transizione degli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, producendo coppie di lacune elettroniche. Sotto l'azione del campo elettrico incorporato, gli elettroni si muovono verso la regione N e le lacune si muovono verso la regione P, formando così una forza elettromotrice fotoindotta su entrambi i lati della giunzione PN. L'entità di questa forza elettromotrice fotoindotta è direttamente proporzionale all'intensità della luce incidente.
Durante il funzionamento di un fotodiodo, di solito è necessario applicargli una tensione di polarizzazione inversa. Questo perché la tensione di polarizzazione inversa può potenziare ulteriormente l'effetto del campo elettrico-incorporato, rendendo più pronunciata la forza elettromotrice fotogenerata. Allo stesso tempo, la tensione di polarizzazione inversa può anche sopprimere la corrente oscura (ovvero la corrente debole generata in assenza di luce), migliorare la sensibilità e il rapporto segnale-/rumore- dei fotodiodi.