Fotodiyotların Çalışma Prensibi

Optik sinyalleri elektrik sinyallerine dönüştüren önemli bir cihaz olan fotodiyotlar, modern elektronik teknolojisinde çok önemli bir rol oynamaktadır. İletişimden görüntülemeye, sensör teknolojisine kadar fotodiyotların uygulaması her yerde mevcuttur ve modern teknolojiye devrim niteliğinde ilerlemeler getirmektedir.
Fotodiyotların çalışma prensibi temel olarak fotoelektrik etki ve PN bağlantı prensibine dayanmaktadır. Fotoelektrik etki, ışığın belirli maddeler üzerine ışınlanması durumunda, bu maddelerin içindeki elektronların fotonların enerjisini emerek geçişlere ve elektron deliği çiftlerinin oluşmasına neden olduğu olguyu ifade eder. Fotodiyotlarda bu fotoelektrik etki PN bağlantı bölgesinde meydana gelir.
PN bağlantısı, bir P-tipi yarı iletken ve bir N-tipi yarı iletkenden oluşan bir fotodiyotun çekirdek yapısıdır. PN kavşağında, deliklerin P- tipi yarı iletkenden N- tipi yarı iletkene ve elektronların N- tipi yarı iletkenden P- tipi yarı iletkene difüzyonu nedeniyle yerleşik bir-elektrik alanı oluşur. Bu yerleşik elektrik alanının yönü N'den P'ye işaret eder, deliklerin ve elektronların daha fazla yayılmasını önler, böylece PN bağlantı arayüzünde çok ince bir tükenme katmanı oluşturur.
Işık bir fotodiyotun PN bağlantısına ışınlandığında, fotonlar tükenme katmanındaki atomlar veya moleküller tarafından emilir ve elektronların değerlik bandından iletim bandına geçişine neden olarak elektron delik çiftleri üretir. Yerleşik-elektrik alanın etkisi altında, elektronlar N bölgesine doğru hareket eder ve delikler P bölgesine doğru hareket eder, böylece PN bağlantısının her iki tarafında foto kaynaklı bir elektromotor kuvvet oluşur. Bu fotonun indüklediği elektromotor kuvvetin büyüklüğü, gelen ışığın yoğunluğuyla doğru orantılıdır.
Bir fotodiyotun çalışması sırasında, genellikle ona ters öngerilim voltajının uygulanması gerekir. Bunun nedeni, ters öngerilim voltajının, dahili-elektrik alanın etkisini daha da artırabilmesi ve fotonun oluşturduğu elektromotor kuvveti daha belirgin hale getirebilmesidir. Aynı zamanda, ters öngerilim voltajı aynı zamanda karanlık akımı da bastırabilir (yani, ışık olmadığında üretilen zayıf akım), fotodiyotların hassasiyetini ve sinyal--gürültü oranını iyileştirebilir.