Fotodioden arbeiten in Sperrrichtung, da diese Konfiguration ihre Empfindlichkeit und Reaktion auf Licht erhöht. Wenn eine Fotodiode in Sperrrichtung vorgespannt ist, bildet sich zwischen den p-Typ- und n-Typ-Halbleiterschichten ein Verarmungsbereich. Einfallende Photonen erzeugen innerhalb dieser Verarmungsregion Elektron-Loch-Paare. Die umgekehrte Vorspannung erzeugt ein elektrisches Feld, das diese Ladungsträger zu den jeweiligen Elektroden bewegt, was zu einem Photostrom führt, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Diese Konfiguration reduziert auch die Sperrschichtkapazität und ermöglicht so schnellere Reaktionszeiten bei der Erkennung von Lichtschwankungen.
Eine Fotodiode funktioniert bei Vorspannung in Vorwärtsrichtung nicht effektiv, da die Vorspannung in Vorwärtsrichtung dazu neigt, dass der Strom ungehindert durch die Diode fließen kann, ohne dass es zu einer nennenswerten Wechselwirkung mit dem einfallenden Licht kommt. Bei Vorwärtsvorspannung verringert die an der Fotodiode angelegte Spannung die Größe des Verarmungsbereichs, wodurch die Fähigkeit der Fotodiode, Photonen effizient in elektrischen Strom umzuwandeln, eingeschränkt wird. Daher eignet sich die Vorspannung in Vorwärtsrichtung nicht für Anwendungen, die eine präzise Lichterkennung oder -messung erfordern, bei denen die Empfindlichkeit und Reaktionszeit der Fotodiode entscheidend sind.
Eine Fotodiode wird vorzugsweise in Sperrrichtung verwendet, da sie ihre Reaktion auf einfallendes Licht maximiert und ihre Empfindlichkeit erhöht. Bei umgekehrter Vorspannung beschleunigt das elektrische Feld innerhalb des Verarmungsbereichs die von Photonen erzeugten Ladungsträger in Richtung der Elektroden, was zu einem größeren Photostrom führt. Diese Konfiguration stellt sicher, dass selbst Licht geringer Intensität genau erkannt und gemessen werden kann, was eine Sperrvorspannung für Anwendungen wie optische Kommunikation, Lichterkennung und -erfassung unerlässlich macht.
Um eine Fotodiode mit Sperrvorspannung zu betreiben, umfasst eine Vorspannungsschaltung typischerweise eine Spannungsquelle, die mit umgekehrter Polarität an die Fotodiode angeschlossen ist. Die Schaltung sorgt für eine konstante Sperrspannung an der Fotodiode und optimiert so deren Leistung bei der Lichterkennung. Kennlinien einer beleuchteten Fotodiode zeigen den Zusammenhang zwischen dem erzeugten Fotostrom und der angelegten Sperrspannung. Diese Kurven veranschaulichen die Empfindlichkeit und Linearität der Fotodiode als Reaktion auf unterschiedliche Lichtintensitäten unter unterschiedlichen Vorspannungsbedingungen und helfen bei der Charakterisierung und Auswahl für bestimmte Anwendungen.
Aus mehreren Gründen wird eine Sperrdiode in verschiedenen elektronischen Anwendungen verwendet. Ein Hauptvorteil besteht darin, dass die Vorspannung in Sperrrichtung die Breite des Verarmungsbereichs innerhalb des Halbleiterübergangs vergrößert und so den Leckstrom durch die Diode verringert. Aufgrund dieser Eigenschaft eignen sich Sperrdioden für Anwendungen, die hohe Durchbruchspannungen und niedrige Leckströme erfordern, beispielsweise in Spannungsregelkreisen, Signalgleichrichtungen und Schutzschaltungen. Darüber hinaus verbessert die Sperrvorspannung die Reaktion der Diode auf externe Reize, wie z. B. Licht im Fall von Fotodioden, und ermöglicht so präzise Erkennungs- und Messfunktionen, die für optische und Sensortechnologien von entscheidender Bedeutung sind.
