اصل کار فتودیودها

فتودیودها، به عنوان یک وسیله کلیدی که سیگنال های نوری را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند، نقش مهمی در فناوری الکترونیک مدرن ایفا می کند. از ارتباطات، تصویربرداری گرفته تا فناوری حسگر، استفاده از فتودیودها در همه جا وجود دارد و پیشرفت انقلابی را برای فناوری مدرن به ارمغان می آورد.
اصل کار فتودیودها عمدتاً بر اساس اثر فوتوالکتریک و اصل اتصال PN است. اثر فوتوالکتریک به پدیده‌ای اطلاق می‌شود که در آن هنگام تابش نور به مواد خاصی، الکترون‌های درون این مواد انرژی فوتون‌ها را جذب می‌کنند و در نتیجه انتقال و تشکیل جفت حفره‌های الکترونی ایجاد می‌شود. در فتودیودها، این اثر فوتوالکتریک در ناحیه اتصال PN رخ می دهد.
اتصال PN ساختار هسته یک فتودیود است که از یک نیمه هادی نوع P- و یک نیمه هادی نوع N- تشکیل شده است. در محل اتصال PN، به دلیل انتشار حفره ها از نیمه هادی نوع P به نیمه هادی نوع N-و الکترون ها از نیمه هادی نوع N- به نیمه هادی نوع P-، یک میدان الکتریکی داخلی-تشکیل می شود. جهت این میدان الکتریکی ساخته شده از N به P اشاره می‌کند و از انتشار بیشتر حفره‌ها و الکترون‌ها جلوگیری می‌کند، بنابراین یک لایه تخلیه بسیار نازک در رابط اتصال PN تشکیل می‌دهد.
هنگامی که نور به محل اتصال PN یک فوتودیود تابش می‌کند، فوتون‌ها توسط اتم‌ها یا مولکول‌های لایه تخلیه جذب می‌شوند و باعث می‌شوند که الکترون‌ها از باند ظرفیت به نوار رسانایی منتقل شوند و جفت حفره‌های الکترونی تولید کنند. تحت عمل میدان الکتریکی ساخته شده-، الکترون ها به سمت ناحیه N حرکت می کنند و حفره ها به سمت ناحیه P حرکت می کنند، در نتیجه یک نیروی الکتروموتور ناشی از عکس در دو طرف اتصال PN تشکیل می دهند. بزرگی نیروی الکتروموتور ناشی از این عکس مستقیماً با شدت نور فرودی متناسب است.
در حین کار یک فتودیود، معمولاً لازم است یک ولتاژ بایاس معکوس به آن اعمال شود. این به این دلیل است که ولتاژ بایاس معکوس می‌تواند تأثیر میدان الکتریکی داخلی را بیشتر-افزایش دهد و نیروی الکتروموتور ایجاد شده در عکس را برجسته‌تر کند. در عین حال، ولتاژ بایاس معکوس همچنین می‌تواند جریان تاریک را سرکوب کند (یعنی جریان ضعیفی که در صورت عدم وجود نور تولید می‌شود)، حساسیت و نسبت سیگنال-به-فتودیودها را بهبود بخشد.