Nguyên lý làm việc của điốt quang

Photodiodes, như một thiết bị quan trọng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, đóng một vai trò quan trọng trong công nghệ điện tử hiện đại. Từ truyền thông, hình ảnh đến công nghệ cảm biến, việc ứng dụng photodiod rất phổ biến, mang lại những tiến bộ mang tính cách mạng cho công nghệ hiện đại.
Nguyên lý làm việc của photodiode chủ yếu dựa trên hiệu ứng quang điện và nguyên lý tiếp giáp PN. Hiệu ứng quang điện đề cập đến hiện tượng khi ánh sáng chiếu vào một số chất nhất định, các electron bên trong các chất này sẽ hấp thụ năng lượng của photon, dẫn đến sự chuyển tiếp và hình thành các cặp lỗ trống electron. Trong điốt quang, hiệu ứng quang điện này xảy ra ở vùng tiếp giáp PN.
Điểm nối PN là cấu trúc cốt lõi của photodiode, bao gồm chất bán dẫn loại P- và chất bán dẫn loại N-. Tại điểm nối PN, do sự khuếch tán của các lỗ trống từ chất bán dẫn loại P- sang chất bán dẫn loại N- và các electron từ chất bán dẫn loại N- sang chất bán dẫn loại P-, một điện trường-tích hợp được hình thành. Hướng của điện trường-tích hợp này hướng từ N đến P, ngăn chặn sự khuếch tán thêm của lỗ trống và electron, do đó tạo thành một lớp suy giảm rất mỏng ở bề mặt tiếp giáp PN.
Khi ánh sáng chiếu vào điểm nối PN của photodiode, các photon bị hấp thụ bởi các nguyên tử hoặc phân tử trong lớp suy giảm, khiến các electron chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, tạo ra các cặp lỗ trống electron. Dưới tác động của điện trường-tích hợp, các electron di chuyển về phía vùng N và các lỗ trống di chuyển về phía vùng P, do đó tạo thành lực điện động cảm ứng ảnh ở cả hai phía của điểm nối PN. Độ lớn của suất điện động cảm ứng từ bức ảnh này tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng tới.
Trong quá trình hoạt động của photodiode, người ta thường phải đặt một điện áp phân cực ngược vào nó. Điều này là do điện áp phân cực ngược có thể nâng cao hơn nữa tác dụng của điện trường- tích hợp, làm cho lực điện động được tạo ra bởi ảnh trở nên rõ ràng hơn. Đồng thời, điện áp phân cực ngược cũng có thể triệt tiêu dòng điện tối (tức là dòng điện yếu được tạo ra khi không có ánh sáng), cải thiện độ nhạy và tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu của điốt quang.