Warum ist die Fotodiode in Sperrrichtung vorgespannt, während die LED in Durchlassrichtung vorgespannt ist?

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Funktionen und Funktionsprinzipien ist eine Fotodiode in Sperrrichtung vorgespannt, während eine LED in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Eine Fotodiode soll Licht erkennen und ihre Empfindlichkeit erhöhen, indem sie in Sperrrichtung vorgespannt wird. Bei umgekehrter Vorspannung erweitert sich der Verarmungsbereich, was eine effiziente Erzeugung und Trennung von Elektron-Loch-Paaren ermöglicht, wenn Lichtphotonen auf die Fotodiode treffen. Dadurch entsteht ein messbarer Photostrom proportional zur Lichtintensität. Eine LED hingegen ist darauf ausgelegt, Licht auszustrahlen. Bei Vorwärtsspannung fließt Strom durch die LED, wodurch sich Elektronen mit Löchern im Verarmungsbereich rekombinieren und Energie in Form von Licht freisetzen. Bei einer Vorspannung in Sperrrichtung findet dieser Vorgang nicht statt, weshalb eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung erforderlich ist, damit LEDs funktionieren.

Eine Fotodiode wird in Sperrrichtung betrieben, da diese Konfiguration ihre Fähigkeit zur Lichterkennung verbessert, indem sie einen großen Verarmungsbereich und ein starkes elektrisches Feld erzeugt, die für die effiziente Erzeugung und Sammlung fotogenerierter Ladungsträger unerlässlich sind. Während der Strom bei Vorwärtsvorspannung viel größer ist als bei Rückwärtsvorspannung, hängt dieser Strom nicht mit der Lichterkennung zusammen, sondern mit dem natürlichen Ladungsträgerfluss aufgrund der angelegten Spannung. Bei umgekehrter Vorspannung ist der erzeugte Fotostrom direkt proportional zur Lichtintensität und ermöglicht so eine genaue Messung und Erkennung.

Eine Fotodiode funktioniert bei Vorspannung in Vorwärtsrichtung nicht effektiv, da ihre Hauptfunktion darin besteht, Licht zu erkennen, was eine Konfiguration erfordert, die die Lichtempfindlichkeit maximiert. Bei Vorwärtsspannung ist der Verarmungsbereich schmal und das elektrische Feld schwach, was zu einer ineffizienten Trennung der photogenerierten Elektron-Loch-Paare führt. Dies führt zu einem niedrigen und inkonsistenten Fotostrom, der für eine genaue Lichterkennung nicht geeignet ist. Die Sperrvorspannung bietet mit ihrem größeren Verarmungsbereich und dem stärkeren elektrischen Feld optimale Bedingungen für die Lichtdetektion.

Eine LED wird nicht in Sperrrichtung verwendet, da sie so konzipiert ist, dass sie Licht emittiert, wenn sie in Vorwärtsrichtung betrieben wird. Bei Vorwärtsspannung lässt die LED Strom durch das Gerät fließen, was zu einer Elektronen-Loch-Rekombination im Verarmungsbereich und zur Emission von Licht führt. Bei umgekehrter Vorspannung blockiert die LED den Stromfluss, verhindert den Rekombinationsprozess und emittiert somit kein Licht. Die Struktur und die Materialien von LEDs sind für die Lichtemission unter Vorwärtsvorspannungsbedingungen optimiert, sodass der Betrieb mit Rückwärtsvorspannung unwirksam ist.

Eine LED-Diode ist in Durchlassrichtung vorgespannt, wenn sie für ihre Hauptfunktion, nämlich die Lichtemission, verwendet wird. Bei Vorwärtsspannung lässt die LED Strom durch, was die Rekombination von Elektronen und Löchern im Verarmungsbereich erleichtert, wodurch Energie in Form von Photonen freigesetzt und Licht erzeugt wird. Das Vorspannen einer LED in Sperrrichtung verhindert den Stromfluss und den Rekombinationsprozess und emittiert daher unter diesen Bedingungen kein Licht. Die Vorwärtsspannung ist für den Betrieb der LED als Lichtquelle von wesentlicher Bedeutung.