Fotodiodo
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Un fotodiodo è un particolare tipo di diodo che funziona come sensore ottico in grado di riconoscere una determinata lunghezza d'onda e di trasformare questo evento in un segnale elettrico di corrente.
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[modifica] Struttura del fotodiodo
Un fotodiodo è sostanzialmente un diodo particolare caratterizzato da una giunzione p-n drogata asimmetricamente. La zona p, cioè la zona drogata con Na accettori è molto più drogata rispetto alla zona n, zona caratterizzata dalla presenza di atomi Nd donori. La zona p, disposta molto vicino alla struttura esterna del fotodiodo è a sua volta rivestita da uno strato antiriflesso e corredata da due elettrodi in Ossido di silicio. Sopra lo strato antiriflesso è in genere inserita una lente il cui scopo è quello di rendere perpendicolari i raggi luminosi incidenti sulla superficie.
[modifica] Polarizzazione diretta
Il fotodiodo, se polarizzato direttamente si comporta come un comune diodo. La corrente che esso è in grado di condurre segue, in prima approssimazione, la legge esponenziale del diodo. Non essendo tuttavia progettato per la polarizzazione diretta, esso non avrà una capacità di corrente tale da suggerirne un simile utilizzo, in quanto il surriscaldamento dovuto al passaggio di corrente potrebbe danneggiare gli elementi ottici.
[modifica] Polarizzazione inversa
Il fotodiodo opera correttamente se polarizzato in inversa, e cioè se la tensione ai propri terminali si presenta più alta nella zona n che nella zona p. In questo caso, il campo elettrico di built-in, presente in tutti i dispositivi a giunzione, tenderà ad aumentare di intensità favorendo la creazione di una zona di svuotamento (depletion region). Questa regione svuotata può essere considerata come una zona resistiva oppure come una zona neutra. Nel momento in cui un fotone incide sulla superficie del fotodiodo, l'energia, data dall'equazione
Eg = hν
se sarà maggiore del Bandgap tra banda di valenza e banda di conduzione del dispositivo, causerà la creazione di una coppia elettrone-lacuna libera (EHP). Una EHP libera consiste in un elettrone eccitato in banda di conduzione ed una lacuna in banda di valenza. Una volta generata la coppia, essa sarà soggetta al campo elettrico generato dalla differenza di potenziale applicata. L'elettrone sarà quindi spontaneamente attratto verso la zona n mentre la lacuna verso la zona p. A causa della assenza di una coppia elettrone-lacuna nella zona svuotata, la regione non sarà più neutra. Non essendo più neutra. il dispositivo compenserà questa situazione con un movimento di elettroni-lacune prelevati dal generatore di polarizzazione, causando così la presenza di una fotocorrente inversa che rappresenta il segnale elettrico prodotto dall'incidenza del fotone.
[modifica] Utilizzo apolarizzato
Se il fotodiodo non è sottoposto ad alcuna polarizzazione, esso agirà, se opportunamente connesso ad un carico, come generatore di corrente ed una determinata tensione. Questo utilizzo è anche detto utilizzo fotovoltaico. La corrente erogata, e la conseguente potenza elettrica generata è presente sempre nella forma di corrente inversa. Questa modalità di funzionamento è il principio con cui la cella fotovoltaica opera.
[modifica] Materiali
Il materiale con cui è prodotto il fotodiodo è di importanza critica per il suo funzionamento. Da essi dipende infatti l'energia minima che il fotone dovrà possedere per poter generare la fotocorrente.
I materiali più comunemente utilizzati per produrre fotodiodi sono:
| Materiale | Lunghezza d'onda (nm) |
|---|---|
| Silicio | 190–1100 |
| Germanio | 800–1700 |
| Arseniuro di Indio Gallio | 800–2600 |
| Solfuro di Piombo | <1000-3500 |
[modifica] Funzionamento circuitale
Dal punto di vista circuitale, il fotodiodo è un diodo che viene utilizzato in polarizzazione inversa e che comprende (ma non limita il suo fuzionamento a) tutte le caratteristiche dei diodi.
[modifica] Parametri di efficienza
Nel valutare i fotodiodi si utilizzano sempre due parametri di efficienza per valutare e compararne le prestazioni: l'efficienza quantica e la responsività. Esse sono definite in questo modo:
Efficienza quantica: L'efficienza quantica il numero di EHP generate per ogni fotone incidente.
L'equazione che rappresenta questo parametro è:
dove Iph è la fotocorrente generata, e è la carica dell'elettrone, h la costante di Planck e ν è la frequenza della luce incidente.
La Responsività è definita invece in questo modo:La responsività è il rapporto tra la fotocorrente generata e la potenza ottica incidente. Anch'essa ha un'equazione che la definisce:
.
Esiste una relazione tra i parametri di efficienza per cui:
Grazie a questa relazione è possibile passare da un parametro di efficienza all'altro comodamente.
[modifica] Frequenza di funzionamento
Come tutti i dispositivi a giunzione, anche il fotodiodo presenta delle capacità parassite dovute alla presenza della giunzione stessa. Nel caso del fotodiodo, l'effetto capacitivo parassita è ulteriormente incrementato dal fatto che il dispositivo deve essere utilizzato in polarizzazione inversa, con quindi un incremento significativo della regione di svuotamento e quindi della capacità parassita. La capacità è in genere approssimabile con la seguente equazione:
.
Dove A è la superficie delle interfacce delle aree drogate ed L è la lunghezza della zona svuotata.
La capacità qui approssimata, risentirà degli effetti della resistenza di carico del rivelatore. Questa situazione farà si che il fotodiodo avrà una frequenza di taglio propria la cui costante τ sarà:
τ = RCdep.
[modifica] Tipologie di fotodiodi
Esistono molti tipi di fotodiodi, che si differenziano per progettazione interna ed efficienza.
Il più comune, utilizzato per applicazioni a basso rumore è il modello PiN, mentre per applicazioni che necessitano di alto segnale è stato creato il fotodiodo APD (o fotodiodo a valanga).
[modifica] Utilizzi dei fotodiodi
Tra gli impieghi del fotodiodo, i più diffusi sono quelli nel campo delle fibre ottiche, dove sono utilizzati per il riconoscimento del segnale contenente l'informazione, nel campo della misurazione di precisione e nel campo della fotografia digitale.
Utilizzi particolari sono quelli che si trovano negli isolatori ottici.
Nel campo biomedicale, si segnala l'utilizzo di fotodiodi nella sperimentazione della visione artificiale, progetto che vede l'impiego dei fotorivelatori in sostituzione di coni danneggiati. Un esempio di tale utilizzo è riscontrabile nel progetto MARC.
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