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Ratgeber
Fotodioden können Licht unmittelbar in elektrische Energie umwandeln. Die Ausbeute ist zwar äußerst gering, doch da sich die abgegebene Spannung proportional zur Helligkeit verhält, sind Fotodioden perfekt für das Messen der Lichtintensität. Aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit lassen sie sich zudem als Sensor für modulierte IR-Signale verwenden, in Lichtschranken oder Optokopplern mit Leuchtdioden als Sender beispielsweise. In diesem Ratgeber informieren wir Sie über Aufbau und Funktion von Fotodioden und stellen die wichtigsten Einsatzbereiche vor.
Eine Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement, das Licht in elektrischen Strom umwandelt. Sie kann aus einer Vielzahl von Halbleitermaterialien bestehen, unter anderem aus Silizium, Germanium und Indium-Gallium-Arsenid. Jedes Material nutzt unterschiedliche Eigenschaften für Kostenvorteile, erhöhte Empfindlichkeit, Wellenlängenbereich, geringes Rauschen oder Reaktionsgeschwindigkeit.
Wie jede Diode, besitzt sie einen P-N-Übergang. Die positive P-Schicht hat einen Überschuss an Löchern, die negative N-Schicht einen Überschuss an Elektronen.
Ein sogenanntes Verarmungsgebiet entsteht durch die Diffusion von Elektronen aus der N-Schicht in die P-Schicht und die Diffusion von Löchern aus der P-Schicht in die N-Schicht. Dadurch ergibt sich ein Bereich zwischen den beiden Schichten, in dem nur wenige freie Ladungsträger existieren.
Treffen Lichtteilchen – die Photonen – mit ausreichender Energie auf Atome des Halbleiters, werden Elektronen freigesetzt und hinterlassen an ihrer bisherigen Position sozusagen einen leeren Raum, den man als Loch bezeichnet. Die Elektronen bewegen sich in Richtung des positiven Potentials an der Kathode und die Löcher in Richtung des negativen Potentials an der Anode. Diese beweglichen Ladungsträger bilden den Fotostrom in der Diode.
Typen mit P-N-Übergang
Dies ist die einfachste Form. Die Verarmungszone enthält nur wenige freie Ladungsträger, deren Breite durch Anlegen einer Vorspannung aber manipuliert werden können. Der Strom, der durch die Diode fließt, kann aufgrund der P- und N-dotierten Materialien nur in eine Richtung fließen. In umgekehrter Richtung fließt kein Strom.
PIN-Typen
Die PIN-Fotodiode ähnelt dem P-N-Typ mit einem wesentlichen Unterschied: Zwischen der P- und N-Schicht befindet sich zusätzlich eine hochohmige Schicht, erhöht damit die elektrische Feldstärke und vergrößert den Verarmungsbereich. Außerdem verringert sich die Kapazität des Übergangs, was der Geschwindigkeit zugute kommt. Die vergrößerte Schicht ermöglicht zudem ein größeres Volumen für die Umwandlung von Photonen in Elektronen-Löcher und eine höhere Quanteneffizienz.
Avalanche-Fotodioden
Avalanche-Fotodioden oder kurz APD nutzen die Stoß-Ionisation, die auch als Avalanche- oder Lawinen-Effekt bekannt ist. APDs erfordern eine hohe Sperrvorspannung nahe der Durchbruchsspannung in Sperrrichtung. Jeder Ladungsträger erzeugt mehr Elektronen-Loch-Paare, die sich durch den lawinenartigen Durchbruch multiplizieren. In der Diode entsteht eine interne Verstärkung, die wiederum die effektive Empfindlichkeit erhöht, da pro auftreffendem Photon ein größerer Strom erzeugt wird.
Der typische spektrale Ansprechbereich einer Avalanche-Fotodiode liegt bei 300 bis 1100 Nanometer. Allerdings ist das Stromrauschen in einer APD höher als in einer PIN-Fotodiode, dafür ist die Signalverstärkung viel größer. APDs besitzen im Allgemeinen eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit und die Fähigkeit, sichtbares Licht in niedrigeren Stufen zu erkennen oder zu messen.
Photovoltaischer Modus ohne Vorspannung
P-N- und PIN-Typen lassen sich ohne Vorspannung betreiben, im Gegensatz zu APDs, die für eine umgekehrte Vorspannung ausgelegt sind. Ohne zusätzliche Spannung an der Sperrschicht kann bei P-N- und PIN-Dioden der Dunkelstrom extrem niedrig sein. Das reduziert den gesamten Rauschstrom des Systems. Daher eignen sich P-N- oder PIN-Dioden ohne Vorspannung sehr gut für Anwendungen mit geringer Lichtstärke und für die Signalverarbeitung bis zu einer Frequenz von 350 Kilohertz.
Wird die Fotodiode beleuchtet, nimmt das elektrische Feld in der Verarmungszone zu. Es entsteht ein Fotostrom, der mit zunehmendem Photonenfluss ansteigt. Dies ist am häufigsten bei Solarzellen zu beobachten, bei denen die erzeugte Spannung zwischen den beiden Anschlüssen gemessen wird.
Der größte Nachteil von Fotodioden ohne Vorspannung ist die langsame Reaktionsgeschwindigkeit durch die relativ große Eigenkapazität.
Modus mit umgekehrter Vorspannung
Dabei ist die Fotodiode in Sperrichtung vorgespannt und erhält eine externe Spannung am P-N-Übergang. Der negative Pol ist mit der positiven P-Schicht verbunden und der positive Pol mit der negativen N-Schicht. Dies bewirkt, dass die freien Elektronen in der N-Schicht zum positiven Anschluss und die Löcher in der P-Schicht zum negativen Anschluss wandern. Es bilden sich negative Ionen mit zusätzlichen Elektronen. Die geladenen Atome widersetzen sich dem Fluss der freien Elektronen zur P-Schicht. Löcher durchlaufen den gleichen Prozess, um positive Ionen zu erzeugen, allerdings in umgekehrter Richtung. Bei umgekehrter Vorspannung fließt der Fotostrom nur bei einfallendem Licht.
Die Sperrvorspannung lässt das Potenzial über dem Verarmungsbereich ansteigen und verbreitert den Verarmungsbereichs. Dies ist ideal, um eine große Fläche für die Absorption der maximalen Menge an Photonen zu schaffen. Die Reaktionszeit wird außerdem durch die Sperrvorspannung verkürzt, da sich die Verarmungsschicht vergrößert. Die vergrößerte Breite verringert die Sperrschichtkapazität und erhöht Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger, wodurch sich die Reaktionszeit verbessert.
Ein Vorteil des Betriebs mit Sperrvorspannung ist die lineare Ausgabe des Fotostroms in Bezug auf die Beleuchtung. Das bedeutet, dass sich die Spannung und der Strom linear mit zunehmender optischer Leistung ändern.
Es gibt fünf wichtige Parameter, die bei der Auswahl der richtigen Fotodiode und der Entscheidung, ob die Fotodiode in Sperrrichtung vorgespannt werden soll oder nicht, eine Rolle spielen.
Die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch die Kapazität des P-N-Übergangs bestimmt. Sie ist die Zeit, die Ladungsträger benötigen, um den P-N-Übergang zu passieren. Dies wird direkt von der Breite des Verarmungsbereichs beeinflusst.
Fotodioden besitzen im Vergleich mit Fotowiderständen – kurz LDR – oder Fototransistoren eine deutlich höhere Schaltfrequenz, die bei PIN-Typen bis zu 1 Gigahertz reichen kann. Dies prädestiniert sie für den Einsatz in der Signalverarbeitung beispielsweise im Zusammenspiel mit IR-LEDs.
Die Empfindlichkeit ist das Verhältnis des durch einfallendes Licht erzeugten Fotostroms zu der einfallenden Lichtleistung. Dies wird normalerweise in der Einheit A/W – Strom über Leistung – ausgedrückt. Eine typische Empfindlichkeitskurve einer Fotodiode zeigt A/W als Funktion der Wellenlänge. Dieser Effekt wird als Quanteneffektivität bezeichnet.
Der Dunkelstrom ist der Strom, wenn kein Licht auf den Halbleiter fällt. Dies kann eine der Hauptquellen des Rauschens in einem Fotodiodensystem sein. Fotodioden sind normalerweise in einem Gehäuse untergebracht, das kein Licht auf den Halbleiter fallen lässt. Dabei kann es sich um Metallgehäuse ebenso handeln wie um Kunststoffgehäuse, die von der Form her normalen LEDs entsprechen und aus Materialien bestehen, die für Infrarot durchlässig sind.
Die Durchbruchsspannung ist die größte Sperrspannung, die an die Diode angelegt werden kann, bevor es zu einem exponentiellen Anstieg des Leckstroms oder Dunkelstroms kommt. Die Halbleiter sollten deshalb unterhalb dieser maximalen Sperrspannung betrieben werden, da es sonst zu Schäden kommen kann.
Lichtempfindliche Dioden aus unterschiedlichen Materialien wie Silizium, Germanium, Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid oder Indium-Gallium-Arsenid besitzen auch unterschiedliche Werte für Empfindlichkeit, Geschwindigkeiten und Dunkelstrom. Silizium zum Beispiel bietet eine Empfindlichkeit für Wellenlängen zwischen etwa 400 und 1000 Nanometer. Die höchste Empfindlichkeit liegt jedoch bei Wellenlängen von rund 900 Nanometer. Germanium hingegen bietet eine Empfindlichkeit für Wellenlängen zwischen 800 und 1600 Nanometer mit einer Spitze bei etwa 1400 Nanometer.