Fotodiodes zijn halfgeleiderelementen die licht omzetten in elektrische stroom. Ze zijn een cruciale component in veel opto-elektronische toepassingen, waaronder camera’s, optische communicatiesystemen en lichtsensoren.
Om de toestand en het gedrag van de P/N-overgang in een fotodiode te begrijpen, zullen we een kijkje nemen in het inwendige van de fotodiode.
Lees ook: Het foto-elektrisch effect
Inleiding tot fotodiodes
Een fotodiode is een elektronisch onderdeel dat stroom (elektronen) produceert als er licht (fotonen) op valt. De sensor van een digitale camera is opgebouwd uit miljoenen fotodiodes en dat maakt de fotodiode tot de ziel van een digitale camera.
In de fotodiode zit een P-N-halfgeleiderovergang (PN-junctie) en een lens om licht op de junctie te kunnen laten vallen.
Fotodiodes worden meestal gemaakt van halfgeleidermaterialen zoals silicium. Ze bestaan uit twee hoofdgebieden, het P-type (positief) (elektronengat) en het N-type (negatief) (elektronen) gebied, die samenkomen op de P/N-overgang (PN-junctie) of grens. De P/N-overgang is het belangrijkste element van een fotodiode. Op de grens van deze twee gebieden treden interessante verschijnselen op door het verschil in energieniveaus.
Status van de P/N-grens
De P/N-overgang bevindt zich in een toestand van thermodynamisch evenwicht wanneer er geen externe spanning wordt aangelegd. In deze toestand kunnen bepaalde karakteristieken worden waargenomen.
Ingebouwd potentiaal
Op de P/N-grens bestaat er een ingebouwd potentiaal door het verschil in elektronenaffiniteit tussen de P- en N-gebieden. Deze potentiaal werkt als een barrière die de stroom van meerderheidsdragers (elektronen in het N-gebied en gaten in het P-gebied) over de overgang verhindert.
Depletiegebied
De ingebouwde potentiaal creëert een verarmingsgebied in de buurt van de P/N-grens. In dit gebied is de concentratie van ladingsdragers (elektronen en gaten) erg laag.
Diffusie- en verloopstromen
In thermodynamisch evenwicht is er weliswaar geen nettostroom van ladingsdragers over de junctie, maar er is wel een diffusiestroom van elektronen van de N-regio naar de P-regio en een verloopstroom van gaten van de P-regio naar de N-regio. Deze stromen houden elkaar in evenwicht, waardoor er geen netto stroom vloeit.
Gedrag van de P/N-grens bij blootstelling aan licht
Wanneer een fotodiode wordt blootgesteld aan licht, treden er verschillende interessante gedragingen op bij de P/N-grens.
Absorptie van fotonen
Fotonen van het invallende licht worden geabsorbeerd door het halfgeleidermateriaal in de fotodiode.
Generatie en recombinatie
Elektronen en gaten die ontstaan door fotonabsorptie worden gegenereerd in het overgangsgebied of verarmingsgebied. Elektronen bewegen naar het N-gebied, terwijl gaten naar het P-gebied bewegen. Sommige van deze dragers recombineren in het verarmingsgebied, waardoor de ladingsscheiding kleiner wordt.
Fotostroom
De resterende elektron-gatparen die niet recombineren vormen een fotostroom. Deze fotostroom is evenredig met de intensiteit van het invallende licht.
Omgekeerde voorspanning
Door een omgekeerde voorspanning over de P/N-junctie toe te passen, wordt het verarmingsgebied breder, waardoor de waarschijnlijkheid van fotonabsorptie en dus de fotostroom toeneemt.
Gedrag van de P/N-grens onder voorwaartse voorspanning
Wanneer een voorwaartse voorspanning wordt toegepast, kunnen ladingsdragers vrij over de P/N-overgang stromen, waardoor de ingebouwde potentiaalbarrière wordt verkleind. Dit kan in sommige toepassingen worden gebruikt om de reactie van de fotodiode op licht te regelen.
Kwantumrendement
De kwantumefficiëntie van een fotodiode meet hoe effectief deze invallende fotonen omzet in elektronen. Dit hangt af van factoren zoals de materiaaleigenschappen, het ontwerp van de fotodiode en de golflengte van het invallende licht.
Donkstroom en ruis
Fotodiodes kunnen een kleine hoeveelheid donkere stroom vertonen, zelfs zonder licht, die kan worden toegeschreven aan thermisch gegenereerde dragers. Het verminderen van de donkerstroom en het minimaliseren van de ruis zijn cruciaal voor de prestaties van de fotodetector.
Reactietijd
Fotodiodes hebben een eindige responstijd, dat is de tijd die de fotostroom nodig heeft om te stijgen en te dalen als reactie op veranderingen in invallend licht. De responstijd wordt beïnvloed door factoren zoals mobiliteit van de drager en de RC-tijdconstante van het apparaat.
Toepassingen
Fotodiodes vinden toepassingen op een groot aantal gebieden, waaronder fotografie, optische communicatie, laserafstandsmeters en diverse wetenschappelijke instrumenten. Inzicht in de toestand en het gedrag van P/N-grenzen is cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties van fotodiodes in deze toepassingen.
Samengevat spelen de toestand en het gedrag van de P/N-grenzen in een fotodiode een cruciale rol in de werking ervan. De ingebouwde potentiaal van de P/N junctie, het depletiegebied en de respons op blootstelling aan licht staan centraal in de functie als licht-naar-elektriciteit omzetter. Afhankelijk van de toepassing en de operationele omstandigheden kunnen fotodiodes worden ontworpen om specifiek gedrag te vertonen door voorspanningen toe te passen of hun ontwerp te optimaliseren.
Inzicht in deze principes is natuurlijk niet noodzakelijk voor een fotograaf maar misschien maakt het wel iets duidelijker wat de sensor van de camera, waar miljoenen fotodioden gerangschikt zijn, eigenlijk is.
Lees ook: Het gedrag van elektronen