Was ist eine Fotodioden?
Eine Fotodiode ist ein Lichtempfangselement, in dem bei Lichteinstrahlung ein winziger Strom in eine bestimmte Richtung fließt.
Wenn Licht auf den Halbleiterübergang trifft, tritt ein interner photoelektrischer Effekt auf, bei dem Elektronen angeregt werden und ein elektrischer Strom fließt, der zur Erkennung des eingestrahlten Lichts verwendet wird. Aufgrund der hohen Genauigkeit, mit der der Lichtempfang erfasst wird, ist dieses Bauteil insbesondere für optische Kommunikationsgeräte erforderlich.
Sie werden auch in anderen medizinischen Geräten wie der Messung von Gaskonzentrationen eingesetzt. Es gibt hauptsächlich PN-, PIN- und Avalanche-Dioden, die sich in ihrer Lichtempfindlichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit unterscheiden.
Verwendungszwecke von Fotodioden
Typische Anwendungen für Fotodioden sind Pick-up-Points in CD/DVD-Playern, TV-Fernbedienungen und die optische Kommunikation. Insbesondere der PIN-Übergangstyp mit seiner hohen Lichtempfindlichkeit wird in optischen Telekommunikationssystemen verwendet, ist aber auch in anderen Anwendungen weit verbreitet.
Von den drei Fotodioden-Strukturen ist dies der am häufigsten verwendete Typ. Weitere Anwendungen sind Röntgentomographen in medizinischen Geräten.
Prinzip der Fotodiode
Fotodioden nutzen das physikalische Phänomen, dass bei Lichteinstrahlung auf das Element Elektronen am Halbleiterübergang angeregt werden und die Lichtmenge durch Messung des Stroms erfasst werden kann.
Die Wellenlänge des Lichts, das detektiert werden kann, hängt vom Material der Diode ab, das je nach Wellenlänge der Anwendung ausgewählt werden muss. Zu den wichtigsten Materialien gehören Silizium, Germanium und Bleisulfid.
1. Der PN-Übergangstyp
Wenn die Verarmungsschicht an der Grenze zwischen P- und N-Typ-Halbleitern mit Licht bestrahlt wird, fließen Elektronen in Richtung des N-Typ-Halbleiters und es entstehen Löcher im P-Typ-Halbleiter als Ergebnis des Elektronentransfers. Bei Lichteinstrahlung findet dieser Elektronen- und Löcherfluss statt, und der Elektronenfluss wird als Strom erfasst, aber die Ansprechgeschwindigkeit ist durch eine etwas langsame Ansprechzeit gekennzeichnet.
2. Der PIN-Übergangstyp
Die wegen ihres geringen Hintergrundrauschens am häufigsten verwendete Struktur für Fotodioden, die auch als Dunkelstrom bezeichnet wird, besteht aus einem P-Halbleiter, einem I-Halbleiter und einem N-Halbleiter, die nacheinander geschaltet sind.
Ein Merkmal dieser Struktur ist, dass durch Anlegen einer Sperrvorspannung an den I-Typ-Halbleiter die angeregten Elektronen gleichmäßig zum N-Typ-Halbleiter fließen, was zu einer schnelleren Ansprechgeschwindigkeit führt.
3. Avalanche-Übergangstyp
Dieser Typ ist dadurch gekennzeichnet, dass die P-Typ-Halbleiterschicht vom Elektrodenpunkt der P-Typ-Halbleiterschicht aus nacheinander in die p+-Schicht, die p-Schicht und die p-Schicht unterteilt wird. Aufgrund ihrer Avalanche-Verstärkungsfunktion (Elektronenlawine) hat sie die Eigenschaft, sehr schwaches Licht mit einer ultraschnellen Ansprechzeit zu erfassen. Sie werden in der Regel mit hohen Spannungen verwendet und sind unter der Abkürzung APD bekannt.
Weitere Informationen über Fotodioden
1. Fotodioden-Anwendungsschaltungen
Fotodioden haben eine große Temperaturabhängigkeit, wenn beide Elektroden offen sind, und wenn sie kurzgeschlossen sind, ist das Verhältnis zwischen Lichtintensität und Strom nicht linear, was ihre Anwendung erschwert. Daher wird für Anwendungen, die die Helligkeit messen, wie z. B. Beleuchtungsstärkemessgeräte und Belichtungsmesser, eine Schaltungskonfiguration verwendet, bei der die Kathode der Fotodiode mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und die Anode mit dem nichtinvertierenden Anschluss verbunden ist, und ein Rückkopplungswiderstand Rf zwischen dem Ausgangsanschluss und dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers eingefügt wird.
In dieser Schaltung wird der Kurzschlussstrom Is x Rückkopplungswiderstand Rf, der der Lichtintensität entspricht, zur Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (die invertierende Eingangsklemme ist die Referenzspannung), und die Spannung an beiden Enden der Fotodiode (zwischen Anode und Kathode) wird 0 V, d. h. sie entspricht einem Zustand, in dem beide Enden kurzgeschlossen sind (imaginärer Kurzschluss).
Daher ist der Kurzschlussstrom Is proportional zur Lichtintensität, so dass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers als Lichtintensität ausgedrückt werden kann. In einer tatsächlichen Schaltung ist ein Kondensator Cf angeschlossen, um eine Ansprechverzögerung aufgrund der Kapazität der Fotodiode zu gewährleisten und so die Ansprechgeschwindigkeit zu beschleunigen.
2. Spektrale Empfindlichkeitsmerkmale von Fotodioden
Fotodioden aus Silizium geben einen Strom für Licht mit Wellenlängen zwischen 320 nm und 1100 nm ab, sind aber besonders empfindlich im Nahinfrarotbereich zwischen 800 nm und 1000 nm. Der für den Menschen sichtbare Bereich reicht von 380 nm bis 720 nm, mit einer Spitzenempfindlichkeit um 550 nm, die sich von den spektralen Empfindlichkeitseigenschaften von Silizium Fotodioden unterscheidet.
Daher kann die Ausgangsleistung von Silizium-Fotodioden nicht mit der Helligkeit gleichgesetzt werden, die sie aufweisen. Beispielsweise steigt die Leistung einer Silizium-Fotodiode in einer Umgebung mit starker Nahinfrarotstrahlung an, aber der Bereich ist für das menschliche Auge unsichtbar, so dass er nicht hell erscheint.
Aus diesem Grund müssen die spektralen Empfindlichkeitseigenschaften von Silizium-Fotodioden an die Empfindlichkeitseigenschaften des menschlichen Auges angepasst werden, wenn sie als Sensoren in Beleuchtungsstärkemessgeräten und ähnlichen Anwendungen eingesetzt werden. In diesem Fall wird ein Filter zur Korrektur der visuellen Empfindlichkeit auf der Oberfläche der Silizium-Fotodiode angebracht.
Germanium und InGaAs werden auch für Anwendungen mit anderen Wellenlängen als Silizium verwendet. Dies ist auf die unterschiedlichen Bandlückenenergien der verschiedenen Materialeigenschaften zurückzuführen, wobei InGaAs ein besonders geeignetes Material für Wellenlängenanwendungen über 1 µm ist.