La polarizzazione di un fotodiodo implica l’applicazione di una tensione ad esso in modo da ottimizzare le sue prestazioni per il rilevamento dei segnali luminosi. Un metodo comune consiste nel polarizzare il fotodiodo in polarizzazione inversa. Polarizzazione inversa significa applicare una tensione negativa alla giunzione p-n del fotodiodo, dove il semiconduttore di tipo p è collegato al terminale negativo dell’alimentatore e il semiconduttore di tipo n è collegato al terminale positivo. Questa polarizzazione inversa crea una regione di svuotamento all’interno del fotodiodo, che si allarga quando fotoni di energia sufficiente colpiscono il fotodiodo, generando coppie elettrone-lacuna. Queste coppie vengono quindi trascinate attraverso la regione di svuotamento dal campo elettrico, generando una fotocorrente proporzionale all’intensità della luce incidente.
La polarizzazione inversa di un fotodiodo offre numerosi vantaggi. Aumenta la larghezza della regione di svuotamento, migliorando l’efficienza della conversione dei fotoni incidenti in corrente elettrica. Ciò si traduce in una maggiore sensibilità e tempi di risposta più rapidi, rendendo i fotodiodi a polarizzazione inversa adatti per applicazioni che richiedono il rilevamento ad alta velocità di segnali ottici deboli, come nelle comunicazioni ottiche e nei fotorilevatori utilizzati negli strumenti scientifici.
Un fotodiodo funziona in base al principio dell’effetto fotovoltaico, dove i fotoni in arrivo di energia sufficiente (maggiore dell’energia bandgap del materiale semiconduttore) generano coppie elettrone-lacuna all’interno della regione di svuotamento del fotodiodo. La regione di svuotamento, creata applicando una tensione di polarizzazione inversa attraverso la giunzione pn, serve a separare queste coppie elettrone-lacuna e creare una differenza di potenziale che consente la generazione di una fotocorrente. Questa fotocorrente è direttamente proporzionale all’intensità della luce incidente, fornendo una misura diretta dell’intensità del segnale luminoso.
La corrente oscura in un fotodiodo si riferisce alla piccola corrente che scorre attraverso il dispositivo anche in assenza di luce. Questa corrente oscura è tipicamente causata da coppie elettrone-lacuna generate termicamente all’interno del materiale semiconduttore del fotodiodo. Per ridurre la corrente oscura si possono impiegare diverse tecniche. Un metodo efficace è abbassare la temperatura operativa del fotodiodo, riducendo così la generazione termica delle coppie elettrone-lacuna. Ciò è spesso ottenuto mediante raffreddatori termoelettrici o alloggiando il fotodiodo in un ambiente a temperatura controllata. Inoltre, selezionando fotodiodi con specifiche di corrente oscura inferiori e progettando attentamente i circuiti per ridurre al minimo il rumore termico è possibile ridurre ulteriormente l’impatto della corrente oscura sulle prestazioni del fotodiodo.