Photodiode

Eine Photodiode oder auch Fotodiode ist eine Halbleiter-Diode, die Licht – im sichtbaren, IR- oder UV-Bereich, oder bei Verwendung von Szintillatoren auch Röntgenstrahlen – an einem p-n-Übergang oder pin-Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt oder – je nach Beschaltung – diesem einen beleuchtungsabhängigen Widerstand bietet. Sie wird unter anderem verwendet, um Licht in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen.

Verschiedene Bauformen von Photodioden

Aufbau
Nahaufnahme einer Photodiode

Photodioden werden aus Elementhalbleitern wie Silizium, Germanium oder aus Verbindungshalbleitern wie Indiumgalliumarsenid hergestellt.[1] In folgender Tabelle sind einige übliche Werkstoffe für verschiedene Typen von Photodioden und der Bereich der nutzbaren optischen Empfindlichkeit angegeben:[2]

HalbleitermaterialEmpfindlichkeit
Wellenlänge (nm)
Silizium.0190 –01.100
Silizumkarbid .0200 – 355[3]
Germanium.0400 –01.700
Quecksilber-Cadmium-Tellurid.0400 – 14.000
Indiumgalliumarsenid.0800 –02.600
Blei(II)-sulfid1.000 –03.500
Cadmiumtellurid5.000 – 20.000

Der Bereich des sichtbaren Lichts liegt, zum Vergleich, bei Wellenlängen zwischen 380 nm bis 780 nm.

Aufgrund der größeren Bandlücke von Silizium weisen Photodioden aus Silizium ein vergleichsweise geringes Rauschen auf. Photodioden für Anwendungen im Bereich des mittleren Infrarot basierend auf Cadmiumtellurid, müssen zur Minimierung des Rauschens gekühlt werden, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, 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.

Photodioden zur Lichtmessung besitzen einen Tageslichtfilter, welcher 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.

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.[4] 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 CS auf. Dadurch wird die Bandbreite vergrößert. Im Gegensatz zu Photowiderständen (LDR) besitzen Photodioden wesentlich kürzere Ansprechzeiten. Typische Grenzfrequenzen von Photodioden liegen bei etwa 10 MHz, bei pin-Photodioden bei über 1 GHz.

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

Neuere Experimente widmen sich der Stromgewinnung durch Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) mit Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Photodioden.[5]

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.[6] 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 der Bandlücke 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 (ID) genannt. Er hängt exponentiell von der Temperatur der Photodiode ab. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Photodioden.

Der Fototransistor ist die Kombination einer Photodiode und eines Bipolartransistors und entsteht dadurch, dass Lichteinfall auf die als Photodiode fungierende Basis-Kollektor-Sperrschicht möglich ist. Der Photostrom ist um den Stromverstärkungsfaktor des Transistors höher, die Grenzfrequenz ist niedriger. Ähnlich gibt es Foto-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren und Fotothyristoren.

Betriebsarten
Kennlinie einer Photodiode

Photodioden können in den folgenden drei Betriebsarten eingesetzt sein:

  1. Betrieb in Vorwärtsrichtung als in der Form großflächig ausgeführte Photodiode, welche in dieser Bauform als Solarzelle bezeichnet wird. Primär zur Energiegewinnung genutzt.
  2. Betrieb im Quasi-Kurzschluss, zur Helligkeitsmessung
  3. Betrieb im Sperrbereich, um die Grenzfrequenz zu steigern

Betrieb als Photoelement

Die Photodiode liefert elektrische Energie. In dieser Funktion ist sie ein Photoelement, bei großflächiger Herstellung wird die Photodiode als Solarzelle bezeichnet. 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 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 niedrig.

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 CS 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 ID) 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 und Anwendungen
Schaltzeichen

Beispielhafte Kennwerte dienen zur Beschreibung einer Photodiode, in Klammern als Beispiel die Werte der Silizium-Photodiode BP 104:[7]

  • Zulässige Sperrspannung (20 Volt)
  • Spektrale Photoempfindlichkeit (55 nA / lx beziehungsweise bei 850 nm 0,62 A/W)
  • Spektralbereich der Photoempfindlichkeit (400 bis 1100 nm)

Anwendungen liegen bei Belichtungsmessern mit einer großflächigen Selen-Photodiode, die direkt ein Drehspulmesswerk speisen, Sensoren in Digitalkameras, Empfangselemente für Lichtwellenleiter.

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

Literatur
  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, 2002, ISBN 3-540-42849-6.
Commons: Photodiode – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise
  1. Archivierte Kopie (Memento vom 6. Januar 2010 im Internet Archive)
  2. Gilbert Held: Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications. CRC Press, 2008, ISBN 1-4200-7662-0, Kapitel 5, S. 116.
  3. Michael Schraml, Niklas Papathanasiou, Alexander May, Tilman Weiss, Tobias Erlbacher: Towards Sic-Based VUV Pin-Photodiodes - Investigations on 4H-SiC Photodiodes with Shallow Implanted Al Emitters, doi:10.4028/p-959z1t, Mai 2023
  4. Archivierte Kopie (Memento vom 4. Januar 2007 im Internet Archive)
  5. Michael P. Nielsen, Andreas Pusch, Muhammad H. Sazzad, Phoebe M. Pearce, Peter J. Reece: Thermoradiative Power Conversion from HgCdTe Photodiodes and Their Current–Voltage Characteristics. In: ACS Photonics. Band 9, Nr. 5, 18. Mai 2022, ISSN 2330-4022, S. 1535–1540, doi:10.1021/acsphotonics.2c00223 (acs.org [abgerufen am 27. Mai 2022]).
  6. Hari Singh Nalwa: Photodetectors and Fiber Optics. Gulf Professional Publishing, 2001, ISBN 978-0-12-513908-3, S. 314 (S. 314).
  7. https://www.vishay.com/docs/81500/bp104.pdf Datenblatt der BP 104
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