Fotodioden: Gerät, Eigenschaften und Funktionsprinzipien

Die einfachste Fotodiode ist eine herkömmliche Halbleiterdiode, die die Möglichkeit bietet, optische Strahlung am p-n-Übergang zu beeinflussen.

Im Gleichgewichtszustand, wenn der Strahlungsfluss vollständig fehlt, entsprechen Ladungsträgerkonzentration, Potentialverteilung und Energiebanddiagramm der Photodiode vollständig der üblichen pn-Struktur.

Bei Strahlungseinwirkung senkrecht zur Ebene des pn-Übergangs entstehen durch die Absorption von Photonen mit einer Energie größer als die Bandbreite Elektron-Loch-Paare im n-Bereich. Diese Elektronen und Löcher werden Phototräger genannt.

Während der Phototrägerdiffusion tief in den n-Bereich hat der Hauptanteil der Elektronen und Löcher keine Zeit zur Rekombination und erreicht die pn-Übergangsgrenze. Hier werden die Phototräger durch das elektrische Feld des p-n-Übergangs getrennt und die Löcher gelangen in den p-Bereich, und die Elektronen können das Übergangsfeld nicht überwinden und sammeln sich an der Grenze des p-n-Übergangs und des n-Bereichs an.

Somit ist der Strom durch den p-n-Übergang auf die Drift von Minoritätsträgerlöchern zurückzuführen. Der Driftstrom von Phototrägern wird Photostrom genannt.

Fototräger-Löcher laden die p-Region positiv gegenüber der n-Region und Fototräger-Elektronen die n-Region negativ gegenüber der p-Region. Die resultierende Potentialdifferenz wird als photoelektrisches Potential Ef bezeichnet. Der in der Fotodiode erzeugte Strom wird umgekehrt, er wird von der Kathode zur Anode geleitet und sein Wert ist umso größer, je stärker die Beleuchtung ist.

Fotodioden können in einem von zwei Modi betrieben werden – ohne externe elektrische Energiequelle (Photogenerator-Modus) oder mit einer externen elektrischen Energiequelle (Photokonverter-Modus).

Als Stromquellen, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln, werden häufig im Photogeneratormodus arbeitende Fotodioden eingesetzt. Sie werden Solarzellen genannt und sind Teil von Solarmodulen, die in Raumfahrzeugen verwendet werden.

Der Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen liegt bei etwa 20 %, während er bei Folien-Solarzellen weitaus wichtiger sein kann. Wichtige technische Parameter von Solarzellen sind das Verhältnis ihrer Ausgangsleistung zur Masse und der von der Solarzelle eingenommenen Fläche. Diese Parameter erreichen Werte von 200 W/kg bzw. 1 kW/m2.

Wenn die Fotodiode im Fotokonversionsmodus arbeitet, ist die Stromversorgung E in Sperrrichtung an den Stromkreis angeschlossen (Abb. 1, a). Die umgekehrten Zweige der I-V-Kennlinie der Fotodiode werden bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken verwendet (Abb. 1, b).

Reis. 1. Schema zum Einschalten der Fotodiode im Fotokonvertierungsmodus: a – Schaltkreis, b – I – V-Kennlinie der Fotodiode

Strom und Spannung im Lastwiderstand Rn lassen sich grafisch aus den Schnittpunkten der Strom-Spannungs-Kennlinie der Fotodiode und der dem Widerstandswert des Widerstands Rn entsprechenden Lastlinie ermitteln. Ohne Beleuchtung arbeitet die Fotodiode im Modus einer herkömmlichen Diode. Der Dunkelstrom beträgt für Germanium-Fotodioden 10 – 30 μA, für Silizium-Fotodioden 1 – 3 μA.

Wenn in Fotodioden wie bei Halbleiter-Zenerdioden ein reversibler elektrischer Durchschlag mit Lawinenvervielfachung von Ladungsträgern verwendet wird, erhöht sich der Fotostrom und damit die Empfindlichkeit erheblich.

Die Empfindlichkeit von Lawinenfotodioden kann um mehrere Größenordnungen höher sein als die von herkömmlichen Fotodioden (für Germanium – 200 – 300-fach, für Silizium – 104 – 106-fach).

Avalanche-Photodioden sind Hochgeschwindigkeits-Photovoltaikgeräte mit einem Frequenzbereich von bis zu 10 GHz. Der Nachteil von Avalanche-Fotodioden ist der höhere Rauschpegel im Vergleich zu herkömmlichen Fotodioden.

Reis. 2. Schaltplan des Fotowiderstands (a), UGO (b), Energie (c) und Strom-Spannungs-Kennlinie (d) des Fotowiderstands

Neben Fotodioden werden auch Fotowiderstände (Abbildung 2), Fototransistoren und Fotothyristoren verwendet, die den internen fotoelektrischen Effekt nutzen. Ihr charakteristischer Nachteil ist ihre hohe Trägheit (Grenzbetriebsfrequenz fgr <10 – 16 kHz), die ihren Einsatz einschränkt.

Der Aufbau des Fototransistors ähnelt einem herkömmlichen Transistor, der im Gehäuse ein Fenster aufweist, durch das die Basis beleuchtet werden kann. UGO-Fototransistor – ein Transistor, auf den zwei Pfeile zeigen.

LEDs und Fotodioden werden häufig paarweise verwendet.In diesem Fall werden sie in einem Gehäuse so platziert, dass der lichtempfindliche Bereich der Fotodiode dem emittierenden Bereich der LED gegenüberliegt. Als Halbleiterbauelemente werden LED-Fotodiodenpaare bezeichnet Optokoppler (Abb. 3).

Reis. 3. Optokoppler: 1 – LED, 2 – Fotodiode

Die Eingangs- und Ausgangskreise solcher Geräte sind in keiner Weise elektrisch verbunden, da die Signalübertragung durch optische Strahlung erfolgt.

Potapov L.A.