Fotodioden
(194)Photodioden sind eine Art von Komponenten aus einer großen Familie von p-n-Halbleiterelementen. Sie werden manchmal als Fotosensoren oder Fotodetektoren bezeichnet. Diese Elemente wandeln die Energie von Photonen, also die Lichtenergie, in Elektrizität um, im Gegensatz zu LEDs (Light-Emitting Diodes), die Elektrizität benötigen, um es zu erzeugen. Die erste Anwendung, die in den Sinn kommt, sind Photovoltaikmodule, aber für diesen Zweck gibt es eine spezielle Familie von Photodioden, die Solarzellen genannt werden. Eine weitere Anwendung von Photosensoren ist der Einsatz in Dämmerungssensoren, in Lampen, die bei Einbruch der Dunkelheit automatisch aufleuchten oder in Sensoren, die mit einer Laserdiode arbeiten, die direkt auf den Photodioden-Anschluss strahlt. Eine solche Lösung findet sich beispielsweise bei in der Industrie eingesetzten Laservorhängen, dank derer sie die Unterbrechung des Laserstrahls erkennen und so die Steuerung z. B. über die Anwesenheit eines Menschen im Gefahrenbereich informieren können, zum Beispiel in der Nähe eines arbeitenden Industrieroboters. Sie werden auch in Zählern und Steuer- oder Schaltstromkreisen, aber auch als Infrarotlichtdetektoren, Entfernungsmesser oder für die Glasfaserkommunikation eingesetzt.
Anwendungen der Photodiode
Die standardmäßige Verwendung von Photodioden ist die Detektorfunktion. Dank der Verwendung eines solchen Elements im elektronischen System kann der Benutzer die Lichtintensität messen, die auf die Fotodiode fällt. Dazu muss der p-n-Anschluss des Photosensors im System in Sperrrichtung polarisiert sein. Dies bedeutet, dass die Sperrschicht des Übergangs vergrößert wird und die Diffusion der Majoritätsträger in den Bereich mit der entgegengesetzten Dotierung erschwert wird. Fallen jedoch Photonen mit ausreichend hoher Energie auf den p-n-Übergang der Photodiode, können sie Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband herausschlagen. Geschieht dies in ausreichend großem Abstand vom p-n-Übergang, hat das Elektron zusammen mit dem so entstandenen Loch genügend Zeit, sich zu rekombinieren. Wenn dies jedoch nahe genug am p-n-Übergang auftritt, wird ein Elektron mit positivem Potential vom Pin angezogen, und das Loch wird mit negativem Potential vom Pin angezogen. Ein Strom fließt dann durch einen einfachen elektrischen Stromkreis, der eine Fotodiode verwendet. Wenn pro Zeiteinheit mehr Photonen auf den Photosensor fallen, werden mehr Loch-Elektronen-Paare erzeugt, so dass das Element einen Strom mit größerer Intensität erzeugt. Dank dieses Funktionsprinzips ist die Fotodiode (oder das Messsystem, das sie als Sensor verwendet) in der Lage, die Intensität des auf sie einfallenden Lichts zu messen.
Wenn es um Photodioden geht, findet man oft die Kennlinie dieser Art von Komponenten, die im Diagramm gezeichnet wird, in dem der Strom, in Ampere [A], angegeben, abhängig von der Spannung dargestellt wird, die in Volt [V] angegeben wird. Da die Polarisation der Photodiode meistens umgekehrt ist und der von ihr erzeugte Strom in umgekehrter Richtung fließt, werden beide als negativ dargestellt und der wichtigste Teil des Diagramms befindet sich im dritten Quadranten des Koordinatensystems. Ein solches Diagramm zeigt eine Zunahme der Stromstärke mit einer Zunahme der Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen der Photodiode, jedoch nur in einem sehr engen Bereich, gezählt von der Nullpotentialdifferenz, und dann stabilisiert sich dieser Wert sehr schnell. Eine weitere Erhöhung der Spannungsdifferenz wirkt sich nur minimal auf den in Sperrrichtung durch die Diode fließenden Strom aus, da die Erhöhung der Stromstärke hauptsächlich von der auf den Photodiodenanschluss fallenden Lichtmenge abhängt. Aus diesem Grund kann man an ihren Eigenschaften mehrere Linien erkennen, die die Stromstärkewellenformen in Abhängigkeit vom Wert der angelegten Spannungsdifferenz an ihren Anschlüssen für unterschiedliche Intensitäten des auf ihre Verbindung einfallenden Lichts bestimmen. Bei Photodioden ist die Abhängigkeit des durch sie fließenden Stroms von der Lichtintensität nahezu linear. Falls kein Licht auf den Photodioden-Übergang fällt, kann man immer noch einen vernachlässigbaren Wert des fließenden Stroms beobachten, der als Schwarzstrom (black current) bezeichnet wird. Dies liegt an der thermischen Energie, die, wenn sie den Elektronen im Valenzband zugeführt wird, diese in kleinen Mengen in das Leitungsband herausschlagen kann.
Die Photodiode kann auch im Photovoltaik-Modus arbeiten. An die Pins des p-n-Übergangs wird dann keine externe Potentialdifferenz angelegt. Der Stromfluss, und zwar ein Minoritätsträger, tritt dann als Ergebnis der Belichtung der Photodiode auf.
PIN-Photodiode
Eine spezielle Variante der Photodiode mit p-n-Übergang ist die PIN-Photodiode. Es hat eine breite undotierte Halbleiterfläche, d.h. es verwendet in seiner Struktur einen intrinsischen Halbleiter, der sich zwischen dem Halbleitergebiet auf dem p-Halbleitergebiet befindet, wodurch die Sperrschicht eine große Dicke hat, die die Kapazität und Trägheit von eine solche Fotodiode relativ kurz. Dies führt zu einer sehr schnellen Reaktion auf Änderungen der Lichtintensität.
Lawinenphotodiode
Es gibt auch eine Photodiode, die als Lawinenphotodiode (Avalanche-Photodiode) bezeichnet wird. Aufbau und Funktionsprinzip sind nahezu identisch mit denen einer Standard-Photodiode. Der Unterschied besteht darin, dass es bei einer sehr hohen Sperrspannung polarisiert werden kann. Die durch den Einfall von Photonen auf den Photodioden-Übergang in das Leitungsband herausgeschlagenen Elektronen werden so stark beschleunigt, dass sie das Herausschlagen der nächsten bewirken. Dies ist der sogenannte Lawineneffekt. Auf diese Weise kann selbst die kleinste Lichtmenge, die auf die Fotosensoranschluss einfällt, erfasst werden.
Parameter der Photodioden
Photodioden zeichnen sich durch mehrere Schlüsselparameter aus, die bei der Auswahl des geeigneten Elements für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden sollten. Die erste ist die maximale Sperrspannung der Photodiode. Normalerweise reicht sie von einigen bis zu zig Volt. Eine Überschreitung dieses Parameters kann zu dem sogenannten Punktion der Diode führen und folglich ihre irreversible Beschädigung verursachen. Berücksichtigenswert ist auch die Schwarzstromstärke, die in Nanoampere [nA] angegeben wird. Dies ist ein sehr kleiner Wert, kann aber bei einigen Anwendungen eine bedeutende Rolle spielen. Ein weiterer Parameter, der nicht vernachlässigt werden darf, ist die Wellenlänge, die die Diode detektieren kann, sowie die Wellenlänge am Punkt der maximalen Empfindlichkeit, für die sich der Wert des von der Photodiode erzeugten Stroms in Abhängigkeit von der Intensität des Lichts ändert Vorfall an seiner Kreuzung wird der größte sein. Wird dieser Parameter nicht für eine bestimmte Anwendung oder für bereits im System verwendete Elemente ausgewählt, kann dies zu einer Situation führen, in der die Diode das Signal der gewünschten Wellenlänge nicht "sieht" und das gesamte System möglicherweise nicht richtig funktioniert. Einige LEDs können einen Infrarotfilter haben, der nur auf eine Wellenlänge reagiert, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Blickwinkel der Photodiode, der von 10°, z. B. das Ergebnis des Produkts aus der von der Fotodiode erzeugten Strommenge und der an ihren Anschlüssen angelegten Spannung ist der Wert der optischen Leistung, der auch oft von den Herstellern angegeben wird. Seine Grundeinheit ist Watt [W].
Photodioden sind wie die meisten anderen elektronischen Bauteile erhältlich in Form von oberflächenmontierten Elementen, den sogenannten SMD-Elementen oder den Durchgangslochselementen, sog. THT. Dies wirkt sich auch auf die Art des Gehäuses aus, in dem es platziert wird. Zu den beliebtesten zählen beispielsweise 0805, DIL (Dual In Line), 3 mm oder TO5.
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