Un fotodiodo rileva la luce in base al principio della conversione dei fotoni (particelle luminose) in corrente elettrica. Quando i fotoni di energia sufficiente colpiscono il materiale semiconduttore del fotodiodo, generano coppie elettrone-lacuna all’interno della regione di svuotamento del dispositivo. Questo processo avviene perché l’energia dei fotoni in arrivo è sufficiente per rompere i legami covalenti all’interno del reticolo del semiconduttore, creando elettroni liberi e lacune. Il campo elettrico all’interno della regione di svuotamento separa quindi questi portatori di carica, risultando in una fotocorrente proporzionale all’intensità della luce incidente. Questa fotocorrente può essere amplificata ed elaborata per rilevare la presenza, l’intensità e le caratteristiche della luce incidente.
I fotodiodi sono progettati specificamente per rilevare la luce ottimizzando il materiale e la struttura del semiconduttore. Solitamente sono costituiti da una giunzione pn o una giunzione PIN (tipo p, intrinseca, tipo n) in cui la regione intrinseca consente un efficiente assorbimento dei fotoni. La composizione del materiale viene scelta in base alla lunghezza d’onda della luce da rilevare, garantendo un’elevata efficienza quantistica, ovvero il rapporto tra fotoni convertiti in coppie elettrone-lacuna. Il fotodiodo è solitamente alloggiato in un contenitore che riduce al minimo le interferenze esterne e migliora la sensibilità alla luce. In alcuni casi, vengono applicati rivestimenti antiriflesso per massimizzare l’assorbimento della luce e migliorare le prestazioni su specifici intervalli di lunghezze d’onda.
Il principio di un rilevatore a fotodiodo ruota attorno alla sua capacità di convertire la luce incidente in un segnale elettrico. Quando i fotoni colpiscono l’area attiva del fotodiodo, generano coppie elettrone-lacuna all’interno del materiale semiconduttore. Il campo elettrico incorporato dovuto alla tensione di polarizzazione inversa applicata ai capi del fotodiodo accelera questi portatori di carica verso i rispettivi elettrodi, creando una fotocorrente. Questa corrente è direttamente proporzionale all’intensità della luce incidente, consentendo al fotodiodo di funzionare come un rilevatore sensibile per vari segnali ottici.
Un fotodiodo rileva i segnali ottici convertendo i fotoni luminosi in corrente elettrica. Nei sistemi di comunicazione ottica, ad esempio, i segnali ottici che trasportano dati vengono ricevuti da un fotodiodo. La luce incidente modula la fotocorrente in base al segnale trasmesso. La capacità del fotodiodo di rispondere rapidamente ai cambiamenti dell’intensità della luce gli consente di rilevare e demodulare accuratamente i segnali ottici, convertendoli in segnali elettrici che possono essere ulteriormente elaborati e trasmessi attraverso circuiti elettronici.
I fotodiodi misurano l’intensità della luce quantificando la fotocorrente generata in risposta alla luce incidente. L’intensità della fotocorrente è direttamente proporzionale all’intensità della luce incidente. Tipicamente, il fotodiodo è collegato a un circuito convertitore corrente-tensione o a un amplificatore a transimpedenza che converte la fotocorrente in un segnale di tensione misurabile. Calibrando la relazione tra la fotocorrente e l’intensità della luce incidente, i fotodiodi possono misurare e quantificare accuratamente i livelli di luce in un’ampia gamma di applicazioni, tra cui fotometria, spettroscopia e rilevamento ottico.
