Fotodiode
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Fotodioden bzw. Photodioden sind Halbleiter-Dioden, die sichtbares Licht, in manchen Ausführungen auch UV- oder Röntgenstrahlen, an einem p-n-Übergang oder pin-Übergang durch den Inneren Fotoeffekt in einen elektrischen Strom umwandeln. Sie werden unter Anderem in Geräten eingesetzt, um Licht in ein messbares Signal umzusetzen, oder um mit Licht übertragene Informationen weiterverarbeiten zu können.
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[Bearbeiten] Aufbau
Fotodioden bestehen z. B. aus Silizium- (für sichtbares Licht bis ca. 1µm Wellenlänge), Germanium- (für infrarote Strahlung bis etwa 1,8µm Wellenlänge) oder anderen, inzwischen auch organischen, Halbleiterdetektor-Materialien Fotodioden können auch für den Bereich des Mittleren Infrarot (Wellenlänge 5...20µm) gefertigt werden (CdTe-, Ge:Au-Dioden) - diese müssen allerdings gekühlt werden (flüssiger Stickstoff). Da Licht auf den p-n-Übergang treffen muss, befindet sich dieser hinter einer transparenten Elektrode (z.B. aus Zinkoxid). Auch muss die obere n-Dotierungsschicht sehr dünn sein, damit das Licht nicht bereits dort absorbiert wird. Oft befindet sich vor der Fotodiode zusätzlich ein lichtdurchlässiges Schutzfenster oder sie befindet sich in transparentem Vergussmaterial. PIN-Fotodioden weisen durch die intrinsische Schicht zwischen p- und n- Schicht im allgemeinen eine höhere zulässige Sperrspannung und eine geringere Sperrschichtkapazität CS auf. Dadurch wird die Bandbreite vergrößert.
In Fototransistoren wird der Fotostrom des Kollektor-Basis-Überganges direkt im Bauteil verstärkt.
[Bearbeiten] Funktion
Geraten Photonen in das Material der Diode, so werden in der Raumladungszone Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt, was zu einem Stromfluss führt, da die Ladungsträger durch die Diffusionsspannung in die jeweils entgegengesetzt dotierten Zonen wandern. Die Photonen müssen eine höhere Energie als die des Bandabstand aufweisen, um diesen Effekt hervorzurufen (bei Silizium z.B. mehr als 1,1eV). Der Fotostrom ist über viele Größenordnungen linear zum Lichteinfall, wenn keine Sättigung eintritt. Im Idealfall führt jedes Lichtquant, welches eine Energie besitzt, die größer als die charakteristische Energielücke (Bandabstand) des Halbleiters ist, zu einem Beitrag zum Stromfluss. Praktisch ist der Wert jedoch kleiner und wird als Quantenausbeute bezeichnet. Die Reaktionszeit ist bei geeigneter Beschaltung sehr kurz; sie kann bis herab zu Bruchteilen einer Nanosekunde betragen.
Auch bei Dunkelheit fließt ein temperaturabhängiger, kleiner Strom - der sog. Dunkelstrom (ID). Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Fotodioden.
[Bearbeiten] Betriebsarten
Fotodioden können in folgenden 3 Betriebsarten eingesetzt sein:
- U>0, I<0
Die Fotodiode liefert elektrische Energie (Fotoelement, Solarzelle). Ohne Last ist sie in Sättigung und die Spannung strebt einem Grenzwert zu (Leerlaufspannung UL), der wenig von der Lichtstärke abhängt. Bei steigender Belastung (RL wird kleiner) sinkt die Spannung und der Strom strebt seinerseits einem Grenzwert (Kurzschlussstrom IK) zu. Am Knick dieser Kennlinie liegt Leistungsanpassung vor - der bei Fotovoltaikanlagen angestrebte Arbeitspunkt (Maximum Power Point). - U=0, I<0
Wird die Fotodiode im Kurzschluss betrieben, liefert sie einen über viele Größenordnungen linear von der Bestrahlungsstärke abhängigen Strom. Sie ist hierzu oft an einen Transimpedanzverstärker geschaltet - einer Schaltung, die aus dem Fotostrom ein proportionales Spannungssignal erzeugt und einen virtuellen Kurzschluss darstellt. Damit lassen sich Bestrahlungsstärken sehr genau messen - U<0, I<0
Legt man an die Fotodiode eine Spannung in Sperrichtung Bias, so arbeitet sie als Fotodiode. Es treten folgende Effekte auf:-
- die Sperrschichtkapazität CS verringert sich, sodass die Reaktionszeit auch bei sich ändernder Spannung kürzer wird.
- es tritt möglicherweise ein Avalanche-Effekt auf, der den Fotostrom durch Lawineneffekte verstärkt.
- der Reststrom (Dunkelstrom ID) steigt und kann die Linearität beeinträchtigen.
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[Bearbeiten] Kennwerte
Folgende Kennwerte dienen zur Beschreibung einer Fotodiode:
- Zulässige Sperrspannung
- Fotoempfindlichkeit
- Wellenlänge der größten Fotoempfindlichkeit
- Größe der bestrahlungsempfindlichen Fläche
- Leerlaufspannung UL (bei gegebener Beleuchtungsstärke)
- Kurzschlußstrom IK (bei gegebener Beleuchtungsstärke)
- Spektrale Empfindlichkeit
- Dunkelstrom ID in Abhängigkeit von der Bias-Spannung
- Sperrschitapazität CS in Abhängigkeit von der Bias-Spannung
- Abhängigkeit vom Einfallswinkel (Richtcharakteristik)
- Rauschstrom IR
[Bearbeiten] Anwendungsbeispiele
- Früher baute man Belichtungsmesser mit einer großflächigen Selen-Fotodiode, die direkt ein Drehspulmesswerk speiste.
- Sensoren in Digitalkameras
- Empfänger für Lichtwellenleiter
- Empfänger für Licht- und Gabellichtschranken
- Abtasteinheiten in CD-Abspielgeräten
- Sensoren in fotoelektrischen Rauchmeldern
- Detektoren für Röntgenstrahlen (in Verbindung mit Szintillatoren)
Weltweite Forschungsaktivitäten konzentrieren sich insbesondere auf die Entwicklung preiswerter Solarzellen, verbesserter CCD- und CMOS-Bildsensoren, sowie schneller, empfindlicher Fotodioden für die Glasfaser-Nachrichtennetze.
[Bearbeiten] Bauformen
Fotodioden sind in vielen Verschiedenen Ausführungen erhältlich. Ein wesentliches Merkmal der Gehäuse ist, dass es für die gewünschten Wellenlängen transparant sein muss, also z.B. für sichtbares Licht "durchsichtig".
