Fotodiode

Fotodio.jpg Fotodioden bzw. Photodioden sind Halbleiter - Dioden, die Licht an einem p-n-Übergang durch den Inneren Fotoeffekt in einen elektrischen Strom umwandeln.

Fotodioden bestehen z. B. aus Silizium- (für sichtbares Licht bis ca. 1µm Wellenlänge), Germanium- (für infrarote Strahlung bis etwa 1,8µm Wellenlänge) oder anderen 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).
Früher baute man Belichtungsmesser mit einer großflächigen Selen-Fotodiode, die direkt ein Drehspulmesswerk speiste.
In Fototransistoren wird der Fotostrom des Kollektor-Basis-Überganges direkt im Bauteil verstärkt.

Seit 2005 gibt es auch Fotodioden aus organischen Halbleitern. Die Firma NANOIDENT Technologies AG hat den weltweit ersten organischen Fotodetektor entwickelt, der auf einer organischen Fotodiode basiert.
Weltweite Forschungsaktivitäten konzentrieren sich insbesondere auf die Entwicklung preiswerter Solarzellen, verbesserter CCD- und CMOS-Bildsensoren, sowie schneller, empfindlicher Fotodioden für die Glasfaser-Nachrichtennetze. Photo-diode.svg]]

Aufbau

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.

Funktion

Durch die Bestrahlung mit Licht werden in der Raumladungszone der Diode Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt, was zu einem Stromfluss führt, da die Ladungsträger in die jeweils entgegengesetzt dotierten Zonen wandern. 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 bei einer in Sperrichtung anliegenden Spannung ein kleiner Strom - der sog. Dunkelstrom. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Fotodioden.

Betriebsarten

Fotodioden können in folgenden 3 Betriebsarten eingesetzt sein:

liegt eine Spannung U>0 und ein Strom I<0 an, liefert die Fotodiode elektrische Energie (Fotoelement, Solarzelle). Ohne Last ist sie in Sättigung und die Spannung strebt einem Grenzwert zu (Leerlaufspannung), der wenig von der Lichtstärke abhängt. Mit sinkender Spannung steigt der Strom und strebt seinerseits einem Grenzwert zu. Am Knick dieser Kennlinie liegt Leistungsanpassung vor - der bei Fotovoltaikanlagen angestrebte Arbeitspunkt.
liegt keine Spannung an (Quasikurzschluss), liefert die Fotodiode 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. Damit lassen sich Bestrahlungsstärken sehr genau messen
Legt man an die Fotodiode eine Spannung in Sperrichtung, treten folgende Effekte auf:
- die Sperrschichtkapazität verringert sich, sodass die Reaktionszeit auch bei sich ändernder Spannung sehr kurz ist
- es tritt möglicherweise ein Avalanche-Effekt auf, der den Fotostrom durch Lawineneffekte verstärkt.
- ein Reststrom (Dunkelstrom) kann die Linearität beeinträchtigen.

Siehe auch

Fototechnik | Halbleiterbauelement | Festkörperphysik | Optik

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