Cosa è un fotodiodo?

Cos'è un fotodiodo?

Definizione di fotodiodo

Un fotodiodo è definito come un diodo a giunzione PN che genera corrente quando esposto alla luce. Questa giunzione è formata combinando materiali semiconduttori di tipo P e N. Il materiale di tipo P ha portatori di carica positivi in eccesso (buchi), mentre il materiale di tipo N ha portatori di carica negativi in eccesso (elettroni). Quando questi materiali si incontrano, gli elettroni dalla regione N si spostano nella regione P, ricombinando con i buchi e creando una regione di esaurimento. Questa regione agisce come barriera alla diffusione ulteriore dei portatori di carica.

Un fotodiodo ha due terminali, l'anodo e il catodo, che sono collegati rispettivamente alle regioni di tipo P e N. L'anodo è solitamente contrassegnato da una linguetta o un punto sul pacchetto del dispositivo. Il simbolo di un fotodiodo è mostrato di seguito, con due frecce puntate verso la giunzione per indicare che è sensibile alla luce.

Principio di funzionamento

Quando un fotodiodo è collegato in polarizzazione inversa a un circuito esterno, scorre una piccola corrente inversa dall'anodo al catodo. Questa corrente, nota come corrente oscura, risulta dalla generazione termica di portatori di carica minoritari nel semiconduttore. La corrente oscura non dipende dalla tensione inversa applicata ma varia con la temperatura e il livello di dopaggio.

Quando la luce di energia sufficiente colpisce il fotodiodo, crea coppie elettrone-buco nel materiale semiconduttore. Questo processo è anche noto come effetto fotoelettrico interno. Se l'assorbimento della luce avviene nella regione di esaurimento o nelle sue vicinanze, questi portatori di carica vengono spazzati dal campo elettrico attraverso la giunzione, creando una corrente fotoelettrica che si aggiunge alla corrente oscura. Pertanto, i buchi si muovono verso l'anodo, e gli elettroni verso il catodo, e la corrente inversa aumenta con l'aumentare dell'intensità luminosa.

La corrente fotoelettrica è proporzionale all'intensità luminosa per una lunghezza d'onda specifica e temperatura. Se l'intensità luminosa è troppo alta, la corrente fotoelettrica raggiunge un valore massimo chiamato corrente di saturazione, oltre il quale non aumenta più. Questa corrente di saturazione dipende dalla geometria del dispositivo e dalle proprietà del materiale.

Il fotodiodo può operare in due modalità: modalità fotovoltaica e modalità fotoconduttiva.

Modalità fotovoltaica

In modalità fotovoltaica, non viene applicata alcuna tensione inversa esterna al fotodiodo, facendolo agire come una cella solare che genera energia dalla luce. La corrente fotoelettrica scorre attraverso un cortocircuito o un'impedenza di carico collegata ai terminali. Se il circuito è aperto o ha un'impedenza elevata, si accumula una tensione sul dispositivo, polarizzandolo in avanti. Questa tensione, chiamata tensione a circuito aperto, dipende dall'intensità luminosa e dalla lunghezza d'onda.

La modalità fotovoltaica sfrutta l'effetto fotovoltaico, utilizzato per produrre energia solare dalla luce solare. Tuttavia, questa modalità presenta alcuni svantaggi, come una bassa velocità di risposta, una resistenza in serie elevata e una sensibilità bassa.

Modalità fotoconduttiva

In modalità fotoconduttiva, viene applicata una tensione inversa esterna al fotodiodo, e esso agisce come un resistore variabile che cambia la sua resistenza con l'intensità luminosa. La corrente fotoelettrica scorre attraverso un circuito esterno che fornisce una tensione di polarizzazione e misura la corrente o la tensione di uscita.

La modalità fotoconduttiva presenta alcuni vantaggi rispetto alla modalità fotovoltaica, come una alta velocità di risposta, una bassa resistenza in serie, una alta sensibilità e una ampia dinamica. Tuttavia, questa modalità presenta anche alcuni inconvenienti, come livelli di rumore più elevati, un consumo di potenza maggiore e una minore linearità.

Caratteristiche del fotodiodo

Le caratteristiche di un fotodiodo descrivono il suo comportamento in diverse condizioni di intensità luminosa, lunghezza d'onda, temperatura, tensione di polarizzazione, ecc. Alcune di queste caratteristiche sono:

Applicazioni del fotodiodo

• Comunicazione ottica

• Misurazione ottica

• Immaginazione ottica

• Commutazione ottica

• Generazione di energia solare

Conclusione

Un fotodiodo è un dispositivo semiconduttore che converte la luce in corrente elettrica. Funziona sul principio dell'effetto fotoelettrico interno che crea coppie elettrone-buco quando i fotoni colpiscono il diodo a giunzione PN. Un fotodiodo opera in condizioni di polarizzazione inversa e ha due modalità: modalità fotovoltaica e modalità fotoconduttiva. Un fotodiodo ha varie caratteristiche, come responsività, efficienza quantistica, risposta spettrale, corrente oscura, resistenza oscura, rumore, linearità e tempo di risposta.

Un fotodiodo ha molte applicazioni nella comunicazione ottica, nella misurazione ottica, nell'immaginazione ottica, nella commutazione ottica e nella generazione di energia solare. Un fotodiodo può essere utilizzato per realizzare circuiti di allarme e circuiti contatore rilevando l'interruzione di fasci luminosi. Un fotodiodo è un dispositivo versatile e utile che può rilevare e convertire la luce in elettricità.