Fotodiode

Fotodioden bzw. Photodioden sind Halbleiter-Dioden, die sichtbares Licht, in manchen Ausführungen auch IR-, UV- oder Röntgenstrahlen, an einem p-n-Übergang oder pin-Übergang durch den inneren Fotoeffekt in einen elektrischen Strom umwandeln.

Fotodioden: oben eine Germanium-Fotodiode, darunter Silizium-Fotodioden

Sie werden unter anderem verwendet, um Licht in ein Spannungssignal umzusetzen, oder um mit Licht übertragene Informationen weiterverarbeiten zu können.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Fotodioden bestehen zum Beispiel aus Silizium- (für sichtbares Licht bis ca. 1 µm Wellenlänge), Germanium- (für infrarote Strahlung bis etwa 1,8 µm Wellenlänge) oder anderen, inzwischen auch organischen, Halbleiterdetektor-Materialien. Sie können auch für den Bereich des mittleren Infrarot (Wellenlänge 5...20 µm) gefertigt werden (CdTe-, Ge:Au-Dioden) – müssen dann allerdings gekühlt werden (flüssiger Stickstoff). Da Licht auf den p-n-Übergang treffen muss, befindet sich dieser hinter einer transparenten Elektrode (z. B. aus Indiumzinnoxid (kurz ITO für englisch indium tin oxide)). 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.

Funktion

Empfindlichkeit einer Photodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts

Treffen Photonen auf 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 Bandabstandes aufweisen, um diesen Effekt hervorzurufen (bei Silizium z. B. mehr als 1,1 eV). Der Fotostrom ist über viele Größenordnungen linear zum Lichteinfall, wenn keine Sättigung eintritt. Im Idealfall trägt jedes Lichtquant, das eine Energie besitzt, die größer als die charakteristische Energielücke (Bandabstand) des Halbleiters ist, zum Stromfluss bei. 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.

Betriebsarten

Kennlinie einer Fotodiode

Fotodioden können in den folgenden drei Betriebsarten eingesetzt sein:

  1. U>0, I<0, Betrieb als Fotoelement
    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). In dieser Betriebsart ist die Fotodiode relativ langsam und eignet sich nicht zur Detektion schneller Signale. Diese Schaltungsart wird zur Messung der Helligkeit, z. B. in Beleuchtungsmessgeräten (Belichtungsmesser, Luxmeter), verwendet. Im Gegensatz zum Fotowiderstand ist keine externe Spannungsquelle nötig. In CCD-Sensoren ist ein großer Teil der Sensorfläche mit Fotodioden ausgefüllt, wobei jede einen parallel geschalteten Kondensator auflädt. Wenn dessen gespeicherte Ladung rechtzeitig abtransportiert wird, bevor die Sättigungsspannung der Fotodiode erreicht ist, ist die Ladung proportional zur Helligkeit.
  2. U=0, I<0, Betrieb im Quasi-Kurzschluss
    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 an den Diodenanschlüssen einen virtuellen Kurzschluss bildet. Damit lassen sich Bestrahlungsstärken sehr genau messen.
  3. U<0, I<0, Betrieb im Sperrbereich
    Legt man an die Fotodiode eine Spannung in Sperrichtung (Bias) an, so fließt ein linear vom Licht abhängiger Sperrstrom, d. h. bei Bestrahlung leitet sie auch in Sperrrichtung. Es treten zusätzlich folgende Effekte auf:
    • die Sperrschichtkapazität CS verringert sich mit der angelegten Spannung, sodass sich die Reaktionszeit mit steigender Spannung verringert.
    • es tritt möglicherweise ein Avalanche-Effekt auf, der den Fotostrom durch Lawineneffekte verstärkt.
    • der Reststrom (Dunkelstrom ID) steigt mit der angelegten Spannung und kann die Linearität beeinträchtigen.

Kennwerte

Folgende Kennwerte dienen zur Beschreibung einer Fotodiode (Klammerwerte: Silizium-Fotodiode BP104):

  • Zulässige Sperrspannung (20 Volt)
  • spektrale Fotoempfindlichkeit (55 nA / lx beziehungsweise bei 850 nm 0,62 A/W)
  • Spektralbereich der Fotoempfindlichkeit (400 bis 1100 nm)
  • Quantenausbeute (0,9)
  • Wellenlänge der größten Fotoempfindlichkeit (800 nm)
  • Größe der bestrahlungsempfindlichen Fläche (2,2 mm x 2,2 mm)
  • Leerlaufspannung bei 1000 Lux (0,36 Volt)
  • Kurzschlußstrom bei 1000 Lux (50 µA)
  • Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Sperrspannung (2 nA bei 1 V)
  • Sperrschichtkapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung (48 pF bei 0 V, 12 pF bei 10 V)
  • Abhängigkeit vom Einfallswinkel (Richtcharakteristik)
  • Johnson-Rauschen als rauschäquivalente Strahlungsleistung

Anwendungsbeispiele

Weltweite Forschungsaktivitäten konzentrieren sich insbesondere auf die Entwicklung preiswerter Solarzellen, verbesserter CCD- und CMOS-Bildsensoren, sowie schneller, empfindlicher Fotodioden für Glasfaser-Nachrichtennetze.

Bauformen

Fotodiode

Die Gehäuse von Fotodioden besitzen ein transparentes Fenster oder bestehen komplett aus transparentem Kunststoff. Der Körper besitzt teilweise eine Linse oder auch eine Bohrung zur Aufnahme eines Lichtwellenleiters.

Fotodioden zur Lichtmessung besitzen ein Tageslichtfilter - es begrenzt die Empfindlichkeit im roten und infraroten Spektralbereich und gleicht die Empfindlichkeitskurve an die Hellempfindlichkeitskurve des Auges an.

Fotodioden zum Empfang infraroter Signale (zum Beispiel Fernbedienung) besitzen ein Tageslicht-Sperrfilter; sie sind zum Beispiel in dunkel eingefärbtem Kunstharz vergossen und dadurch vor Störungen durch sichtbares Licht geschützt.

Siehe auch


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