Принцип действия большинства полупроводниковых фотоприемников с р-n-переходом (фотодиоды, фототранзисторы и др.) основан на пространственном разделении неравновесных электронов и дырок полем р-n-перехода. На рис. 1 показана энергетическая диаграмма р-n-перехода без освещения.
Рис.1. Энергетическая диаграмма р-n-перехода без освещения (а) и при освещении (б).
При освещении фотонами с энергией hn > Eg происходит генерация электронно-дырочных пар. Поведение неравновесных носителей зависит от того, где они возникают, т.е. в в каком месте структуры поглощается излучение. Для каждой области важным является поведение неосновных носителей, поскольку именно их концентрация может изменяться при засветке в широких пределах. Концентрация основных носителей с обеих сторон границы раздела (р-n-перехода) практически остается неизменной. Если излучение поглощается в р-области, то электроны, находящиеся на расстоянии от р-n-перехода, меньшем длины диффузии Ln, смогут достигнуть его. Электрическое поле р-n-перехода (потенциальный барьер) способствует переходу электронов в n-область. Аналогично, если излучение поглощается в n-области, то через р-n-переход в р-область переходят только дырки. Если же пары генерируются в области объемного заряда, то поле р-n-перехода ''разводит'' носители заряда таким образом, что они оказываются в той области структуры, где являются основными. Таким образом, р-n-переход играет роль стока неосновных носителей заряда.
Результатом пространственного разделения неравновесных носителей заряда является уменьшение потенциального барьера перехода Uk (рис. 1,б) на DU. Это можно представить как следствие частичной нейтрализации объемного заряда р-n-перехода. Уровни Ферми n- и р-областей оказываются смещенными друг относительно друга на DU. Разность потенциалов DU , возникающая на контактах фотодиода, зависит от сопротивления внешней цепи и достигает максимального значения при ее разрыве (режим холостого хода). Генерация вентильной фотоэдс при засветке р-n-перехода является основой функционирования фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных батарей и фотоприемников, работающих в вентильном режиме). Однако, одним из наиболее широко используемых в фотоприемниках вариантом включения р-n-перехода является фотодиодный режим работы, когда на р-n-переход подается обратное ( запирающее ) напряжение.
hγ
Рис. 2. Схемы включения фотодиода в фотовентильном (а) и фотодиодном (б) режимах работы.
На рисунке 2,а и 2,б представлены схемы включения фотодиода в фотовентильном и фотодиодных режимах соответственно. В первом случае p-n-переход используется в качестве источника эдс или тока. Во втором случае – на диод подается обратное напряжение и ток через структуру является функцией интенсивности падающего света.
Вольт-амперная характеристика фотодиода при освещении в общем случае имеет вид:
, (1)
- ток насыщения;
где
S – площадь фотоприемной поверхности ; mn , Ln – подвижность, диффузионная длина электронов в р-области соответственно, NA – концентрация легирующей акцепторной примеси в р-области ; mр , Lp – подвижность, диффузионная длина дырок в n-области соответственно , NД – концентрация доноров в n-области ; ni – концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике ; Iф – величина фототока в p-n-структуре ; I – результирующий ток во внешней цепи ; U – приложенное к p-n-переходу напряжение.
При работе фотодиода в вентильном режиме U = DU; это напряжение приложено в прямом направлении. В этом случае:
, и результирующий ток во внешней цепи будет равен разности фототока и темнового тока в p-n-структуре:
При работе фотодиода в фотодиодном режиме U= (Uобр - DU) , где Uобр – приложенное обратное напряжение. Когда / Uобр / > DU, то U < 0 . При этом с достаточной степенью точности (эта степень возрастает с увеличением Uобр) вольт-амперная характеристика фотодиода запишется :
, (2)
где h - квантовый выход внутреннего фотоэфекта ; a - коэффициент поглощения падающего излучения ; d – толщина базы ; Ф – интенсивность возбуждающего света.
Из сопоставления величин тока во внешней цепи при различных режимах работы фотодиода – вентильном и фотодиодном (при U = DU , и U = DU – Uобр соответственно) следует, что в последнем случае при одном и том же уровне засветки ток во внешней цепи значительно больший. Именно этим обстоятельством и объясняется предпочтительное использование фотодиодного режима работы для обнаружения и регистрации слабых световых сигналов, т.е. в случае, когда требуется высокая фоточувствительность фотодиодов.
Следует однако отметить, что при регистрации слабых сигналов необходимо учитывать шумы фотоприемника. Шумы представляют собой случайные хаотические флуктуации выходного сигнала (результируемого тока) фотодиода, обусловленные статистическим характером протекающих в нем оптических и электронных процессов, а также дискретностью носителей заряда и излучения. Эти флуктуации не могут быть устранены путем введения какой-либо специальной обработки выходного сигнала, т.е. шумы определяют принципиальные предельные возможности фотоприемника.
Реализация фотодиодного режима работы приводит к увеличению уровня шумов по сравнению с величиной Iш при работе в вентильном режиме. Поэтому обнаружительная способность фотодиода определяется не величиной результирующего тока во внешней цепи, а отношением сигнал / шум , т.е. I / Iш (пороговая чувствительность определяет уровень мощности регистрируемого излучения, при котором сигнал ( I ) равен шуму ( Iш ) .
, (1)
, 
и результирующий ток во внешней цепи будет равен разности фототока и темнового тока в p-n-структуре:
, (2)