Eine Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement, das Licht in elektrischen Strom umwandelt. Es funktioniert nach dem Prinzip des photovoltaischen Effekts, bei dem durch die Absorption von Photonen (Lichtteilchen) Elektron-Loch-Paare im Halbleitermaterial erzeugt werden. Typischerweise besteht eine Fotodiode aus einem pn-Übergang mit Elektroden, die mit den p-Typ- und n-Typ-Bereichen verbunden sind. Wenn Licht mit ausreichender Energie (Wellenlänge) auf die Fotodiode trifft, regt es Elektronen im Verarmungsbereich des Übergangs an, wodurch Elektron-Loch-Paare entstehen. Der resultierende Stromfluss ist direkt proportional zur einfallenden Lichtintensität. Fotodioden werden häufig in Anwendungen wie optischer Kommunikation, Lichtsensorik, Bildgebungssystemen und optischen Instrumenten eingesetzt, bei denen die Erkennung und Messung der Lichtstärke von entscheidender Bedeutung ist.
Das Funktionsprinzip einer Fotodiode basiert auf ihrer Fähigkeit, Lichtenergie in elektrischen Strom umzuwandeln. Wenn Photonen auf den Verarmungsbereich des pn-Übergangs der Fotodiode treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare, indem sie Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband anregen. Dieser Prozess erzeugt einen Stromfluss, der direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist. In einer in Sperrrichtung vorgespannten Fotodiode beschleunigt das interne elektrische Feld die erzeugten Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in Richtung der jeweiligen Elektroden, was zu einem messbaren Fotostrom führt. Zu den Hauptmerkmalen von Fotodioden gehören ihr Ansprechverhalten (Effizienz der Umwandlung von Photonen in Strom), ihre Ansprechgeschwindigkeit, ihre spektrale Empfindlichkeit und ihr Rauschverhalten, die für ihre verschiedenen Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind.
Das Funktionsprinzip einer LED (Light Emitting Diode) und einer Fotodiode basiert auf ihrer Halbleiternatur und der Wechselwirkung mit Licht, ihre Funktionen unterscheiden sich jedoch erheblich. Eine LED emittiert Licht, wenn Strom in Vorwärtsrichtung durch sie fließt, und wandelt dabei elektrische Energie in Photonen um. Es besteht aus einem pn-Übergang, der Licht emittiert, wenn Elektronen und Löcher über den Übergang hinweg rekombinieren. Im Gegensatz dazu erkennt eine Fotodiode Licht und wandelt es in elektrischen Strom um, wenn Photonen auf ihre Oberfläche treffen. Beide Geräte nutzen Halbleitermaterialien und beruhen auf der Bewegung von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) innerhalb des Materials, um ihre jeweiligen Funktionen zu erfüllen – Lichtemission für LEDs und Lichterkennung für Fotodioden.
Das Grundprinzip eines Fotodetektors, einschließlich Fotodioden, besteht darin, optische Signale (Licht) in elektrische Signale umzuwandeln. Fotodetektoren arbeiten nach dem Prinzip, als Reaktion auf einfallendes Licht einen elektrischen Strom oder eine elektrische Spannung zu erzeugen. Bei diesem Prozess handelt es sich typischerweise um ein Halbleitermaterial, das Photonen absorbiert und Ladungsträger (Elektronen und Löcher) erzeugt, die dann gesammelt werden, um ein messbares elektrisches Signal zu erzeugen. Fotodetektoren sind wesentliche Komponenten in verschiedenen optischen Systemen und Geräten, einschließlich optischer Kommunikationsnetze, Sensoren, Bildgebungssysteme und wissenschaftlicher Instrumente, bei denen eine genaue Erkennung und Messung der Lichtstärke erforderlich ist.
Die Funktionsweise eines Fotodiodenwandlers beinhaltet seine Doppelfunktion als Fotodetektor und Wandler. Als Fotodetektor wandelt die Fotodiode einfallendes Licht basierend auf der Intensität des einfallenden Lichts in ein elektrisches Signal (Fotostrom) um. Als Wandler wandelt es dieses elektrische Signal weiter in eine andere Energie- oder Informationsform um. Beispielsweise wandeln Fotodiodenwandler in optischen Kommunikationssystemen modulierte Lichtsignale (die Daten übertragen) in elektrische Signale um, die verarbeitet und weiter übertragen werden können. Bei Sensoranwendungen wandeln sie Lichtschwankungen zu Überwachungs- und Steuerungszwecken in elektrische Signale um. Die Effizienz und Genauigkeit von Fotodiodenwandlern hängen von Faktoren wie ihrer Reaktionsfähigkeit, Reaktionsgeschwindigkeit und Rauscheigenschaften ab, die ihre Leistung in bestimmten Anwendungen beeinflussen.