Un fotodiodo è un dispositivo a semiconduttore che converte la luce in corrente elettrica. Funziona sulla base del principio dell’effetto fotovoltaico, dove l’assorbimento di fotoni (particelle di luce) genera coppie elettrone-lacuna all’interno del materiale semiconduttore. Tipicamente, un fotodiodo è costituito da una giunzione pn con elettrodi collegati alle regioni di tipo p e di tipo n. Quando la luce con sufficiente energia (lunghezza d’onda) colpisce il fotodiodo, eccita gli elettroni attraverso la regione di svuotamento della giunzione, creando coppie elettrone-lacuna. Il flusso di corrente risultante è direttamente proporzionale all’intensità della luce incidente. I fotodiodi sono comunemente utilizzati in applicazioni quali comunicazione ottica, rilevamento della luce, sistemi di imaging e strumentazione ottica in cui il rilevamento e la misurazione dei livelli di luce sono fondamentali.
Il principio di funzionamento di un fotodiodo è incentrato sulla sua capacità di convertire l’energia luminosa in corrente elettrica. Quando i fotoni colpiscono la regione di svuotamento della giunzione p-n del fotodiodo, generano coppie elettrone-lacuna eccitando gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questo processo crea un flusso di corrente direttamente proporzionale all’intensità della luce incidente. In un fotodiodo a polarizzazione inversa, il campo elettrico interno accelera i portatori di carica generati (elettroni e lacune) verso i rispettivi elettrodi, risultando in una fotocorrente misurabile. Le caratteristiche chiave dei fotodiodi includono la loro reattività (efficienza di conversione dei fotoni in corrente), velocità di risposta, sensibilità spettrale e prestazioni di rumore, che sono cruciali per le loro varie applicazioni.
Il principio di funzionamento sia di un LED (diodo a emissione luminosa) che di un fotodiodo ruota attorno alla loro natura di semiconduttore e all’interazione con la luce, ma le loro funzioni differiscono in modo significativo. Un LED emette luce quando la corrente lo attraversa in direzione diretta, convertendo l’energia elettrica in fotoni. È costituito da una giunzione pn che emette luce quando gli elettroni e le lacune si ricombinano attraverso la giunzione. Al contrario, un fotodiodo rileva la luce e la converte in corrente elettrica quando i fotoni colpiscono la sua superficie. Entrambi i dispositivi utilizzano materiali semiconduttori e si affidano al movimento dei portatori di carica (elettroni e lacune) all’interno del materiale per svolgere le rispettive funzioni: emissione di luce per i LED e rilevamento della luce per i fotodiodi.
Il principio di base di un fotorivelatore, inclusi i fotodiodi, è convertire i segnali ottici (luce) in segnali elettrici. I fotorilevatori funzionano secondo il principio della generazione di corrente elettrica o tensione in risposta alla luce incidente. Questo processo coinvolge tipicamente un materiale semiconduttore che assorbe fotoni e crea portatori di carica (elettroni e lacune), che vengono poi raccolti per produrre un segnale elettrico misurabile. I fotorilevatori sono componenti essenziali in vari sistemi e dispositivi ottici, tra cui reti di comunicazione ottica, sensori, sistemi di imaging e strumenti scientifici, dove sono richiesti rilevamento e misurazione accurati dei livelli di luce.
Il funzionamento di un trasduttore fotodiodo implica la sua doppia funzionalità sia come fotorivelatore che come trasduttore. Come fotorivelatore, il fotodiodo converte la luce incidente in un segnale elettrico (fotocorrente) in base all’intensità della luce incidente. Come trasduttore, converte ulteriormente questo segnale elettrico in un’altra forma di energia o informazione. Ad esempio, nei sistemi di comunicazione ottica, i trasduttori a fotodiodo convertono i segnali luminosi modulati (che trasportano dati) in segnali elettrici che possono essere elaborati e trasmessi ulteriormente. Nelle applicazioni di rilevamento, convertono le variazioni di luce in segnali elettrici per scopi di monitoraggio e controllo. L’efficienza e la precisione dei trasduttori a fotodiodi dipendono da fattori quali la reattività, la velocità di risposta e le caratteristiche del rumore, che influenzano le loro prestazioni in applicazioni specifiche.