Photodiode

Eine Photodiode oder auch Fotodiode ist eine Halbleiter-Diode, die sichtbares Licht – in manchen Ausführungen auch IR-, UV- oder Röntgenstrahlen – an einem p-n-Übergang oder pin-Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt. Sie wird unter anderem verwendet, um Licht in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen.

Schaltzeichen

Aufbau

Photodioden (von oben): Germanium-Photodiode; 3 Silizium-Photodioden: ?, BPW 34, ?

Photodioden bestehen zum Beispiel aus Silizium (für sichtbares Licht bis ca. 1 µm Wellenlänge), Germanium (Ge; für Infrarot bis etwa 1,8 µm Wellenlänge) oder anderen, inzwischen auch organischen Halbleiterdetektor-Materialien. Für einen ähnlichen Wellenlängenbereich wie den von Germanium sind Photodioden aus dem besser geeigneten Material InGaAs üblich.

Photodioden können auch für den Bereich des mittleren Infrarot (Wellenlänge 5–20 µm) gefertigt werden (CdTe-, Ge:Au-Dioden). Sie müssen dann allerdings zum Beispiel mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, weil die Wärmebewegung bei Raumtemperatur ausreicht, um Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband zu heben. Dadurch wird der Dunkelstrom dieser Photodioden bei Raumtemperatur so groß, dass das zu messende Signal darin untergeht. Ein zweiter Grund für die Kühlung ist die ansonsten stattfindende Überlagerung der IR-Strahlung des Sensorgehäuses selbst.

Eine typische Silizium-Photodiode besteht aus einem schwach n-dotierten Grundmaterial mit einer stärker dotierten Schicht auf der Rückseite, die den einen Kontakt (Kathode) bildet. Die Lichtempfindliche Fläche wird definiert durch einen Bereich mit einer dünnen p-dotierten Schicht an der Vorderseite. Diese Schicht ist dünn genug damit das meiste Licht bis zum p-n-Übergang gelangen kann. Der elektrische Kontakt ist meistens am Rand. Auf der Oberfläche ist eine Schutzschicht als Passivierung und Antireflexionsschicht. Oft befindet sich vor der Photodiode zusätzlich ein lichtdurchlässiges Schutzfenster oder sie befindet sich in transparentem Vergussmaterial.

PIN-Photodioden weisen durch die intrinsische Schicht zwischen p- und n-Schicht im Allgemeinen eine höhere zulässige Sperrspannung und eine geringere Sperrschichtkapazität C_S auf. Dadurch wird die Bandbreite vergrößert.

Funktion

Empfindlichkeit einer Silizium-Photodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts

Treffen Photonen ausreichender Energie auf das Material der Diode, so werden Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt. In der Raumladungszone driften die Ladungsträger schnell entgegen der Diffusionsspannung in die gleichartig dotierten Zonen, und führen zu einem Strom. Außerhalb der Raumladungszone erzeugte Ladungsträger können auch zum Strom beitragen. Sie müssen aber erst per Diffusion bis zur Raumladungszone gelangen. Dabei geht ein Teil durch Rekombination verloren und es entsteht eine kleine Verzögerung. Ohne externe Verbindung der Anschlüsse entsteht an diesen eine messbare Spannung gleicher Polarität wie die Durchflussspannung (Sättigung). Sind die Anschlüsse miteinander elektrisch verbunden oder befinden sie sich an einer Spannung in Sperrrichtung der Diode, fließt ein Photostrom, der proportional zum Lichteinfall ist.

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 Photostrom 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 Strom 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.

Wenn von außen eine Spannung in Sperrrichtung der Diode angelegt wird, fließt selbst bei Dunkelheit ein kleiner Strom. Dieser wird Dunkelstrom (I_D) genannt. Er hängt exponentiell von der Temperatur der Photodiode ab. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Photodioden.

Betriebsarten

Kennlinie einer Photodiode

Photodioden können in den folgenden drei Betriebsarten eingesetzt sein:

1. U ≥ 0, I ≤ 0, Betrieb als Photoelement
2. U = 0, I ≤ 0, Betrieb im Quasi-Kurzschluss
3. U ≤ 0, I ≤ 0, Betrieb im Sperrbereich

Betrieb als Photoelement

Die Photodiode liefert elektrische Energie (Photoelement, Solarzelle). Ohne Last ist sie in Sättigung und die Spannung strebt einem Grenzwert zu (Leerlaufspannung U_L), der wenig von der Lichtstärke abhängt. Bei steigender Belastung (R_L wird kleiner) sinkt die Spannung, und der Strom strebt seinerseits einem Grenzwert (Kurzschlussstrom I_K) zu. Am Knick dieser Kennlinie liegt Leistungsanpassung vor – der bei Photovoltaikanlagen angestrebte Arbeitspunkt (engl. Maximum Power Point). In dieser Betriebsart ist die Photodiode 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 Photowiderstand (LDR) ist keine externe Spannungsquelle nötig. In CCD-Sensoren ist ein großer Teil der Sensorfläche mit Photodioden ausgefüllt, wobei jede einen parallel geschalteten Kondensator auflädt. Wenn dessen gespeicherte Ladung rechtzeitig abtransportiert wird, bevor die Sättigungsspannung der Photodiode erreicht ist, ist die Ladung proportional zur Helligkeit. Die Grenzfrequenz ist recht gering.

Betrieb im Quasi-Kurzschluss

Wird die Photodiode im Kurzschluss (U = 0) betrieben, liefert sie einen über viele Größenordnungen linear von der Bestrahlungsstärke abhängigen Strom in Sperrrichtung (I ≤ 0). Dazu ist sie oft an einen Transimpedanzverstärker geschaltet – eine Schaltung, die aus dem Photostrom ein proportionales Spannungssignal erzeugt und an den Diodenanschlüssen einen virtuellen Kurzschluss bildet. Damit lassen sich Bestrahlungsstärken sehr genau messen. Weil sich die Spannung an der Photodiode nicht ändert, wird keine Kapazität umgeladen. Dadurch sind hohe Grenzfrequenzen möglich.

Betrieb im Sperrbereich

Legt man an die Photodiode eine Spannung in Sperrrichtung (U ≤ 0) an, so fließt ein linear vom Licht abhängiger Sperrstrom, d. h., bei Bestrahlung leitet sie auch in Sperrrichtung (I ≤ 0). Diese Betriebsart wird üblicherweise für Photodioden in integrierten CMOS-Sensoren gewählt. Für den Sperrbereich sind weiterhin folgende Effekte charakteristisch:

• Die Sperrschichtkapazität C_S verringert sich mit der angelegten Spannung, so dass sich die Reaktionszeit mit steigender Spannung verringert. Damit lassen sich hohe Grenzfrequenzen erreichen.
• Möglicherweise tritt ein Avalanche-Effekt auf, der den Photostrom durch Lawineneffekte verstärkt. (Siehe auch Avalanche-Photodiode)
• Der Reststrom (Dunkelstrom I_D) steigt mit der angelegten Spannung und der Temperatur; er überlagert den Photostrom und bestimmt bei geringer Bestrahlung maßgeblich das Rauschen.
• Da der differentielle Widerstand sehr groß ist, hängt der Strom kaum von der Betriebsspannung ab.

Kennwerte

Folgende Kennwerte dienen zur Beschreibung einer Photodiode (in Klammern als Beispiel die Werte der Silizium-Photodiode BP 104):

• Zulässige Sperrspannung (20 Volt)
• Spektrale Photoempfindlichkeit (55 nA / lx beziehungsweise bei 850 nm 0,62 A/W)
• Spektralbereich der Photoempfindlichkeit (400 bis 1100 nm)
• Quantenausbeute (0,9)
• Wellenlänge der größten Photoempfindlichkeit (800 nm)
• Größe der bestrahlungsempfindlichen Fläche (2,2 mm × 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 (engl. Noise Equivalent Power, kuz NEP)

Anwendungsbeispiele

• Belichtungsmesser mit einer großflächigen Selen-Photodiode, die direkt ein Drehspulmesswerk speiste.
• Sensoren in Digitalkameras
• Empfänger für Lichtwellenleiter
• Empfänger für Licht- und Gabellichtschranken
• Abtasteinheiten in CD-Abspielgeräten
• Sensoren in photoelektrischen Rauchmeldern
• Detektoren für Röntgenstrahlen (in Verbindung mit Szintillatoren)
• Leistungsüberwachung beim Laser
• Laserharfen
• Optische Inkrementalgeber

Weltweite Forschungsaktivitäten konzentrieren sich insbesondere auf die Entwicklung preiswerter Solarzellen, verbesserter CCD- und CMOS-Bildsensoren sowie auf schnellere und empfindlichere Photodioden für Glasfaser-Nachrichtennetze.

Bauformen

Photodiode

Das Gehäuse einer Photodiode besitzt ein transparentes Fenster oder besteht komplett aus transparentem Kunststoff. Der Körper besitzt teilweise eine Linse oder auch eine Bohrung zur Aufnahme eines Lichtwellenleiters.

Photodioden zur Lichtmessung besitzen ein Tageslichtfilter, das die Empfindlichkeit im roten und infraroten Spektralbereich begrenzt und die Empfindlichkeitskurve an die des Auges angleicht. Dagegen besitzen Photodioden zum Empfang infraroter Signale (wie in Fernbedienungen) einen Tageslicht-Sperrfilter. Sie sind zum Beispiel in dunkel eingefärbtem Kunstharz vergossen und dadurch vor Störungen durch sichtbares Licht geschützt.

Die Lateraldiode ist eine spezielle Bauform einer Photodiode, um beispielsweise die Position eines Laserstrahls zu erfassen.

Siehe auch

• Photodiodenzeile
• Phototransistor
• Liste elektronischer Bauteile

Weblinks

 Commons: Photo diodes – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien