Een fotodiode is een halfgeleiderapparaat dat licht omzet in elektrische stroom. Het werkt op basis van het principe van het fotovoltaïsche effect, waarbij de absorptie van fotonen (lichtdeeltjes) elektron-gatparen genereert in het halfgeleidermateriaal. Typisch bestaat een fotodiode uit een pn-overgang met elektroden die zijn verbonden met de p-type en n-type gebieden. Wanneer licht met voldoende energie (golflengte) de fotodiode raakt, exciteert het elektronen over het uitputtingsgebied van de junctie, waardoor elektronen-gatparen ontstaan. De resulterende stroom is recht evenredig met de intensiteit van het invallende licht. Fotodiodes worden vaak gebruikt in toepassingen zoals optische communicatie, lichtdetectie, beeldvormingssystemen en optische instrumentatie waarbij detectie en meting van lichtniveaus van cruciaal belang zijn.
Het werkingsprincipe van een fotodiode is gebaseerd op zijn vermogen om lichtenergie om te zetten in elektrische stroom. Wanneer fotonen het uitputtingsgebied van de pn-overgang van de fotodiode treffen, genereren ze elektronen-gatparen door elektronen van de valentieband naar de geleidingsband te exciteren. Dit proces creëert een stroom die recht evenredig is met de intensiteit van het invallende licht. In een omgekeerde fotodiode versnelt het interne elektrische veld de gegenereerde ladingsdragers (elektronen en gaten) naar de respectieve elektroden, wat resulteert in een meetbare fotostroom. De belangrijkste kenmerken van fotodiodes zijn onder meer hun responsiviteit (efficiëntie van het omzetten van fotonen in stroom), reactiesnelheid, spectrale gevoeligheid en ruisprestaties, die cruciaal zijn voor hun verschillende toepassingen.
Het werkingsprincipe van zowel een LED (Light Emitting Diode) als een fotodiode draait om hun halfgeleiderkarakter en interactie met licht, maar hun functies verschillen aanzienlijk. Een LED straalt licht uit wanneer er stroom doorheen stroomt in voorwaartse richting, waardoor elektrische energie wordt omgezet in fotonen. Het bestaat uit een p-n-overgang die licht uitzendt terwijl elektronen en gaten over de kruising recombineren. Een fotodiode daarentegen detecteert licht en zet dit om in een elektrische stroom wanneer fotonen het oppervlak raken. Beide apparaten maken gebruik van halfgeleidermaterialen en zijn afhankelijk van de beweging van ladingsdragers (elektronen en gaten) in het materiaal om hun respectievelijke functies te vervullen: lichtemissie voor LED’s en lichtdetectie voor fotodiodes.
Het basisprincipe van een fotodetector, inclusief fotodiodes, is het omzetten van optische signalen (licht) in elektrische signalen. Fotodetectoren werken volgens het principe van het genereren van een elektrische stroom of spanning als reactie op invallend licht. Dit proces omvat doorgaans een halfgeleidermateriaal dat fotonen absorbeert en ladingsdragers (elektronen en gaten) creëert, die vervolgens worden verzameld om een meetbaar elektrisch signaal te produceren. Fotodetectoren zijn essentiële componenten in verschillende optische systemen en apparaten, waaronder optische communicatienetwerken, sensoren, beeldvormingssystemen en wetenschappelijke instrumenten, waarbij nauwkeurige detectie en meting van lichtniveaus vereist zijn.
De werking van een fotodiode-transducer omvat de dubbele functionaliteit ervan als fotodetector en als transducer. Als fotodetector zet de fotodiode invallend licht om in een elektrisch signaal (fotostroom) op basis van de intensiteit van het invallende licht. Als transducer zet hij dit elektrische signaal verder om in een andere vorm van energie of informatie. In optische communicatiesystemen zetten fotodiode-transducers bijvoorbeeld gemoduleerde lichtsignalen (die gegevens dragen) om in elektrische signalen die verder kunnen worden verwerkt en verzonden. Bij detectietoepassingen zetten ze lichtvariaties om in elektrische signalen voor bewakings- en controledoeleinden. De efficiëntie en nauwkeurigheid van fotodiodetransducers zijn afhankelijk van factoren zoals hun reactievermogen, reactiesnelheid en ruiskarakteristieken, die hun prestaties in specifieke toepassingen beïnvloeden.