Fotodiode

Eine Photodiode ist ein Halbleiterkontakt, in der Regel aus Silizium oder Germanium, der auftreffende Photonen direkt in elektrischen Strom umwandelt. Es ist ein zweipoliges Bauteil, das in praktischen Schaltungen in Sperrrichtung gepolt wird. Photonen treffen auf die Verarmungszone und erzeugen Elektron-Loch-Paare. Der entstehende Photostrom ist proportional zur Beleuchtungsstärke und lässt sich über einen großen Dynamikbereich mit hoher Genauigkeit messen.

Das Bauteil arbeitet in Sperrrichtung, weil diese Konfiguration die Verarmungszone verbreitert und die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Photonen Ladungsträger im aktiven Bereich erzeugen. Die angelegten Spannungen liegen typischerweise zwischen 5 und 100 Volt, je nach Diodentyp und Anwendung. Silizium-Photodioden sprechen im sichtbaren und nahinfraroten Spektrum gut an (ungefähr 350 bis 1100 Nanometer), während Germanium-Bauelemente in den Infrarotbereich reichen. PIN-Photodioden, die eine eigenleitende Schicht zwischen p- und n-Region einbauen, bieten schnellere Ansprechzeiten und höhere Empfindlichkeit als Standard-Kontaktdioden.

Photodioden kommen in Belichtungsmessern, optischen Kommunikationsempfängern, Solarzellen und automatischen Regelsystemen zum Einsatz. In der Versorgungsmessung und Überwachung von Solarpanels liefern sie Rückmeldungen über Bestrahlungsstärke und Leistungsfluss. Die Ansprechzeit liegt im Nano- bis Mikosekundenbereich, weshalb sie sich für Hochgeschwindigkeits-Faseroptik-Empfänger mit Gigahertz-Frequenzen eignen. Der Dunkelstrom, das Leckstrom ohne Lichteintrag, wird bei empfindlichen Anwendungen bedeutsam und nimmt mit der Temperatur zu.

Wichtige Leistungsgrenzen sind die Quanteneffizienz (der Anteil auftreffender Photonen, die nutzbare Ladungsträger erzeugen, typisch 70 bis 90 Prozent für Silizium im sichtbaren Bereich), die spektrale Empfindlichkeit (welche Wellenlängen die Diode wirksam erfasst) und die rauschäquivalente Leistung (das minimal detektierbare optische Signal). Kühlung senkt den Dunkelstrom und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis in Präzisionsinstrumenten.

Photodioden unterscheiden sich grundlegend von photoleitenden Zellen und Fototransistoren. Eine Photodiode erzeugt Strom passiv; ein Fototransistor verstärkt den Photostrom intern. Die geringe Kapazität der Photodiode und schnelle Schaltfähigkeit machen sie zur ersten Wahl bei geschwindigkeitskritischen Anwendungen, während ihre Einfachheit und Stabilität sie zur Grundlage für die meisten optischen Messsysteme in der Industrie machen.