Operar fotodiodo em polarização reversa (cátodo positivo relativo a ânodo) não é convenção — é necessidade física para detecção de luz de alto desempenho. Polarização direta o torna LED (emissor); polarização reversa o transforma em contador de fótons sensível, rápido, linear.
1. Região de Depleção Alargada = Volume Detecção Maior
Região de depleção é volume desprovido de portadores livres onde campo elétrico embutido existe. Fótons absorvidos aqui geram pares elétron-buraco (PEBs) que são instantaneamente separados pelo campo — elétrons varridos para lado-n, buracos para lado-p — criando fotocorrente.
- Polarização reversa alarga esta região (W ∝ √(Vbi + VR)).
- Mais volume → maior eficiência quântica (mais fótons capturados).
- Crítico para IR próximo (InGaAs, Ge) onde profundidade absorção é mícrons.
2. Campo Elétrico Forte = Coleta Rápida Portadores (Velocidade)
- Velocidade deriva satura ~10⁷ cm/s em campos fortes. Tempo trânsito τtr = W / vsat.
- Região depleção mais larga aumenta distância trânsito, mas campo escala com tensão. Resultado líquido: resposta sub-nanossegundo a poucos ns alcançável.
- Capacitância cai (Cj ∝ 1/√VR). Menor constante RC com resistor carga → maior largura banda (f3dB = 1/2πRC).
3. Corrente Escura Suprimida = Piso Ruído Menor
- Corrente escura = geração térmica PEBs em região depleção + vazamento superfície + difusão regiões neutras.
- Polarização reversa varre portadores minoritários antes que difundam na junção, reduzindo componente difusão.
- Vazamento superfície gerenciado por guard rings/passivação.
- Resultado: pA–nA corrente escura (Si) vs. µA–mA em polarização direta. Permite detecção nível femtowatt.
4. Fotocorrente Linear vs. Iluminância
Em polarização reversa, fotocorrente Iph = R × Popt (Responsividade × Potência Óptica). Relação é linear sobre 6–9 ordens magnitude porque:
- Coleta portadores é saturada por campo (sem screening carga espacial).
- Tensão junção fixa por fonte polarização (não modulada por fotocorrente).
- Sem dependência eficiência injeção (diferente de polarização direta).
5. Região Breakdown: APDs e SPADs (Casos Especiais)
- Fotodiodos Avalanche (APD): Polarizados perto breakdown (100–200V para Si). Ionização impacto dá ganho interno (M=10–1000). Fator ruído excessivo aplica.
- Diodos Avalanche Single-Photon (SPAD): Polarizados acima breakdown (modo Geiger). Um fóton → avalanche auto-sustentada → pulso digital. Requer quenching ativo.
Polarização Direta? Só Para Modo LED
Polarização direta injeta portadores → recombinação → emissão luz. Mesma junção, operação oposta. Modo fotovoltaico (polarização zero) usado para colheita energia (células solares) onde tensão gerada, mas velocidade e linearidade sofrem.
Tabela Resumo
| Parâmetro | Polarização Reversa (Fotocondutiva) | Polarização Zero (Fotovoltaica) | Polarização Direta |
|---|
| Velocidade | Mais rápida (ns–ps) | Mais lenta (µs–ms) | N/A (Emissor) |
| Corrente Escura | Mais baixa | Maior | Alta (Corrente Diodo) |
| Linearidade | Excelente | Boa (baixa luz) | Não-linear |
| Capacitância | Baixa (ajustável) | Alta (Cj0) | Muito Alta |
| Uso Principal | Comunicações, LiDAR, Instrumentação | Solar, Sensores baixo custo | Emissão Luz |
Conclusão
Polarização reversa maximiza volume depleção, fortalece campo coleta, minimiza capacitância e corrente escura, e impõe resposta linear fotocorrente. É a única condição polarização que desbloqueia potencial do fotodiodo como receptor óptico de precisão.
