Fotodioden

 

Fotodioden werden heute nur noch in Silizium - Technik gefertigt. Zu unterscheiden ist zwischen den PN - Fotodioden und den PIN - Fotodioden. Fotodioden werden wie Z - Dioden in Sperrichtung (UR 7 - 10V) und mit Vorwiderstand betrieben. Ohne Beleuchtung fließt durch die PN- Sperrrschicht wie bei jeder normalen Halbleiterdiode ein Sperrstrom, der stark temperaturabhängig ist. Dieser Sperrstrom wird bei Fotodioden meist als Dunkelstrom IR0 bezeichnet. Trift Licht auf die PN- Sperrschicht, so werden auch hier Kristallbindungen aufgerissen und es entstehen frei bewegliche Ladungsträger. Als Folge der Beleuchtung tritt somit ein zusätzlicher Fotostrom auf, der linear mit der Beleuchtungsstärke ansteigt. Dieser Fotostrom überlagert sich als Sperrstrom dem sehr viel kleineren Dunkelstrom. Da der Dunkelstrom vernachlässigt werden kann, ist der Fotostrom gleich dem gesamten Sperrstrom. Durch das lineare Verhalten kann die Fotodiode als Messfühler gut eingesetzt werden. Allerdings ist bei Präzisionsmessungen noch der temperaturabhängige Dunkelstrom zu berücksichtigen. Der relativ großflächige PN- Übergang bei den Fotodioden hat auch eine große Sperrschichtkapazität zur Folge. Sie wirkt sich ungünstig bei schnellen Änderungen der Beleuchtungsstärke aus, weil der Fotostrom den Änderungen nicht mehr linear folgen kann. Die Schaltzeiten liegen daher im Mikrosekundenbereich. Um diese Nachteile von PN - Fotodioden bei größeren Signaländerungsgeschwindigkeiten zu beseitigen, wurden die PIN - Fotodioden entwickelt. Der Name PIN weißt auf die Intrinsicschicht bei diesen Fotodioden hin.

Aufbau einer Fotodiode

 

Bei den PIN - Dioden befindet sich zwischen den sehr dünnen P- und N- Schichten noch eine breite Intrinsicschicht, das heißt eine nicht dotierte Schicht von eigenleitfähigem Halbleitergrundmaterial. Diese I- Schicht ist weitgehend frei von Ladungsträgern, so das an ihr fast die gesamte Spannung abfällt. Wegen der hohen Feldstärke der I- Schicht werden die bei Beleuchtung erzeugten Ladungsträger viel schneller als bei PN - Fotodioden in die P- bzw. N- Schicht abgesaugt. Diese größere Beweglichkeit der Ladungsträger wirkt sich günstig auf das Schaltverhalten aus, so dass die Schaltzeiten der PIN - Fotodioden im Nanosekundenbereich liegen. Die Fotoströme als Funktion der Beleuchtungsstärke sind bei den PIN - Fotodioden nur etwa halb so groß wie bei den PN - Fotodioden. Wegen der relativ breiten I- Schicht haben PIN - Fotodioden eine wesentlich höhere Sperrspannung. Sie liegt bei 50V bis 100V.

 

Schlüsselwörter für diese Seite: Optoelektronik, Licht, optische Strahlung, Fotodiode, PIN Fotodiode, Halbleiter, Christian Heidbreder