Der Bereich des sichtbarenLichts liegt, zum Vergleich, bei Wellenlängen zwischen 380 nm bis 780 nm.
Aufgrund der größerenBandlücke von Silizium weisen Photodioden aus Silizium ein vergleichsweise geringesRauschen auf. Photodioden für Anwendungen im Bereich des mittleren Infrarot basierend auf Cadmiumtellurid, müssen zur Minimierung des Rauschens gekühlt werden, beispielsweise mit flüssigemStickstoff, weil die Wärmebewegung beiRaumtemperatur ausreicht, um Elektronen vomValenzband insLeitungsband zu heben. Dadurch wird derDunkelstrom 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 einenTageslichtfilter, welcher die Empfindlichkeit im roten und infraroten Spektralbereich begrenzt und die Empfindlichkeitskurve an diedes Auges angleicht. Dagegen besitzen Photodioden zum Empfanginfraroter Signale (wie inFernbedienungen) einenTageslicht-Sperrfilter. Sie sind zum Beispiel in dunkel eingefärbtemKunstharz 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 undAntireflexionsschicht. Oft befindet sich vor der Photodiode zusätzlich ein lichtdurchlässiges Schutzfenster oder sie befindet sich in transparentem Vergussmaterial.
PIN-Photodioden weisen durch dieintrinsische Schicht zwischen p- und n-Schicht im Allgemeinen eine höhere zulässigeSperrspannung und eine geringereSperrschichtkapazitätCS auf. Dadurch wird dieBandbreite vergrößert. Im Gegensatz zuPhotowiderständen (LDR) besitzen Photodioden wesentlich kürzere Ansprechzeiten. TypischeGrenzfrequenzen von Photodioden liegen bei etwa 10 MHz, bei pin-Photodioden bei über 1 GHz.
DieLateraldiode ist eine spezielle Bauform einer Photodiode, um beispielsweise die Position eines Laserstrahls zu erfassen.
Empfindlichkeit einer Silizium-Photodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts
TreffenPhotonen ausreichender Energie auf das Material derDiode, so werdenLadungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt. In derRaumladungszone driften dieLadungsträger schnell entgegen derDiffusionsspannung in die gleichartigdotierten Zonen und führen zu einemStrom. Außerhalb der Raumladungszone erzeugte Ladungsträger können auch zum Strom beitragen. Sie müssen aber erst per Diffusion bis zur Raumladungszone gelangen. Dabei geht ein Teil durchRekombination verloren und es entsteht eine kleine Verzögerung.[6] Ohne externe Verbindung der Anschlüsse entsteht an diesen eine messbare Spannung gleicher Polarität wie dieDurchflussspannung (Sättigung). Sind die Anschlüsse miteinander elektrisch verbunden oder befinden sie sich an einer Spannung in Sperrrichtung der Diode, fließt einPhotostrom, der proportional zum Lichteinfall ist.
DiePhotonen müssen eine höhere Energie als die derBandlücke aufweisen, um diesen Effekt hervorzurufen, beiSilizium z. B. mehr als 1,1eV.
DerPhotostrom ist über viele Größenordnungen linear zum Lichteinfall, wenn keineSättigung eintritt. Im Idealfall trägt jedes Lichtquant, das eine Energie besitzt, die größer als die charakteristischeEnergielücke (Bandabstand) desHalbleiters ist, zum Strom bei. Praktisch ist der Wert jedoch kleiner und wird alsQuantenausbeute bezeichnet. Die Reaktionszeit ist bei geeigneter Beschaltung sehr kurz; sie kann bis herab zu Bruchteilen einerNanosekunde betragen.
Wenn von außen eine Spannung in Sperrrichtung der Diode angelegt wird, fließt selbst bei Dunkelheit ein kleiner Strom. Dieser wirdDunkelstrom (ID) genannt. Er hängtexponentiell von derTemperatur der Photodiode ab. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Photodioden.
Photodioden können zur Erkennung kleinster Lichtmengen eingesetzt und für hochpräzise Messungen vonStrahlungsintensitäten von 1 pW/cm² bis über 100 mW/cm² kalibriert werden. Planar diffundierte Silizium-Photodioden sind Dioden mitp-n-Übergang. Ein p-n-Übergang kann durch Diffusion einer Verunreinigung, wie z. B. Bor, in einen Siliziumwafer mit n-Kanal oder einer Verunreinigung, wie z. B. Phosphor, in einen Siliziumwafer mit p-Kanal gebildet werden. Der diffundierte Bereich definiert die aktive Fläche der Photodiode. Die Kontaktflächen werden auf definierten Flächen des vorderen aktiven Bereichs und auf der Rückseite abgeschieden, sodass das Bauteil vollständig bedeckt ist. Der aktive Bereich wird anschließend mit einer Antireflexbeschichtung passiviert, um die Lichtreflexion für eine bestimmte, vordefinierte Wellenlänge zu reduzieren. Der nicht aktive Bereich auf der Oberseite wird mit einer dicken SchichtSiliziumdioxid überzogen. Durch die Dicke des Substrats lassen sich Geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Photodiode steuern.
Silizium ist einHalbleiter mit einerBandlücke von 1,12eV beiRaumtemperatur. Dies ist die Lücke zwischen demValenzband und demLeitungsband. Beimabsoluten Nullpunkt ist das Valenzband vollständig gefüllt und das Leitungsband frei. Bei steigender Temperatur werden die Elektronen angeregt und steigen durchthermische Energie vom Valenzband in das Leitungsband auf. DieElektronen können auch durch Teilchen oderPhotonen mit Energien über 1,12 eV, wasWellenlängen unter 1100nm entspricht, ins Leitungsband gehoben werden. Die entstehenden Elektronen im Leitungsband können ungehindert Strom leiten.
Aufgrund des Konzentrationsgradienten entsteht durch die Diffusion von Elektronen vom n-Bereich in den p-Bereich und durch die Diffusion von Löchern vom p-Bereich in den n-Bereich eine Eigenspannung über der Verbindung. Die gegenseitige Diffusion von Elektronen und Löchern zwischen den n-Bereichen und p-Bereichen über die Verbindung führt zu einer Region ohne freieLadungsträger. Dies ist dieVerarmungszone. Die Eigenspannung über der Verarmungszone erzeugt einelektrisches Feld mit einem Maximum an der Verbindung und keinem Feld außerhalb der Verarmungszone. Jede angelegte Sperrvorspannung erhöht die Eigenspannung und führt zu einer breiteren Verarmungszone. Der erzeugte Strom istproportional zur einfallendenStrahlungsleistung. DieLichtabsorption nimmt exponentiell mit der Entfernung zu und istproportional zumAbsorptionskoeffizienten. Der Absorptionskoeffizient ist für kürzere Wellenlängen im UV-Bereich sehr hoch und für längere Wellenlängen gering. Daher werden kurzwelligePhotonen, wie z. B.Ultraviolettstrahlung, in einer dünnen Oberflächenschicht absorbiert, während Silizium für Lichtwellenlängen über 1200 nm transparent wird. Darüber hinaus werden Photonen mit Energien kleiner als dieBandlücke überhaupt nicht absorbiert.[7][8]
Der Serienwiderstand einer Photodiode ergibt sich aus dem Widerstand der Kontakte und dem Widerstand des Siliziums:
Dabei ist die Dicke des Substrats, die Breite des verarmten Bereichs, die Diffusionsfläche desp-n-Übergangs, derspezifische Widerstand des Substrats und derKontaktwiderstand. Der Serienwiderstand dient zur Bestimmung der Linearität der Photodiode im Photovoltaikbetrieb ohne Vorspannung. Obwohl eine ideale Photodiode keinen Serienwiderstand aufweisen sollte, werden typische Werte zwischen 10 und 1000Ω gemessen.
Dabei ist ist diePermittivität des freien Raums, dieDielektrizitätskonstante von Silizium, dieElektronenbeweglichkeit bei 300 K, der spezifische Widerstand von Silizium, die interne Spannung von Silizium und die angelegteSpannung. Die Sperrschichtkapazität wird verwendet, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Photodiode zu bestimmen.[8]
Die Empfindlichkeit einer Silizium-Photodiode ist ein Maß für die Lichtempfindlichkeit und wird als Verhältnis des Photostroms I P zur einfallenden Lichtleistung P bei einer bestimmtenWellenlänge definiert.
Sie ist ein Maß für die Effektivität der Umwandlung der Lichtleistung inelektrischen Strom. Sie variiert mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts sowie der angelegtenSperrspannung und derTemperatur. Die Empfindlichkeit steigt mit angelegter Sperrspannung leicht an, da sich die Ladungssammlungseffizienz in der Photodiode verbessert. Temperaturbedingte Empfindlichkeitsschwankungen treten ebenfalls auf. Dies ist auf die Verringerung bzw. Vergrößerung derBandlücke infolge steigender bzw. fallender Temperatur zurückzuführen.
DieQuanteneffizienz ist definiert als der Anteil der einfallendenPhotonen, die zum Photostrom beitragen. Die Beziehung zur Empfindlichkeit ist wie folgt:
Die Ungleichmäßigkeit der Reaktion wird definiert als Schwankungen der Empfindlichkeit, die bei einem kleinen Lichtfleck über der Oberfläche des aktiven Bereichs der Photodiode beobachtet werden. Die Ungleichmäßigkeit ist umgekehrt proportional zur Fleckgröße, d. h., bei kleinerer Fleckgröße ist die Ungleichmäßigkeit größer. Eine Silizium-Photodiode gilt als linear, wenn der erzeugtePhotostrom linear mit der einfallenden Lichtleistung zunimmt. Die Linearität des Photostroms wird bestimmt, indem die kleine Änderung des Photostroms infolge einer kleinen Änderung der einfallenden Lichtleistung als Funktion des gesamten Photostroms oder der einfallenden Lichtleistung gemessen wird.
Die untere Grenze der Linearität desPhotostroms wird durch den Rauschstrom und die obere Grenze wird durch den Serienwiderstand und denLastwiderstand bestimmt. Mit zunehmendem Photostrom setzt zunächst die Nichtlinearität ein, die mit zunehmendem Photostrom allmählich zunimmt und schließlich bei Sättigung bei steigender einfallender Lichtleistung konstant bleibt. Im Allgemeinen ist die Änderung des Photostroms bei gleicher Änderung der einfallenden Lichtleistung bei höheren Stromstärken geringer, wenn der Photodetektor Nichtlinearität aufweist. Der Linearitätsbereich kann durch Anlegen einerSperrspannung an die Photodiode geringfügig erweitert werden.
DerShunt ist mit einemWärmerauschen verbunden. Dies ist auf die thermische Erzeugung desLadungsträgers zurückzuführen. Die Stärke dieses erzeugten Wärmerauschens beträgt:
Dabei ist dieBoltzmann-Konstante, diethermodynamische Temperatur, die Bandbreite desWärmerauschens und derShunt. Diese Art von Rauschen ist das dominierende Stromrauschen imPhotovoltaik-Betrieb. Alle Widerstände, einschließlich desLastwiderstands, weisen ein Wärmerauschen auf. Dieser zusätzliche Rauschstrom ist groß und verstärkt das durch den Shunt des Photodetektors verursachten Wärmerauschens.[8]
Photodioden können in den folgenden drei Betriebsarten eingesetzt sein:
Betrieb in Vorwärtsrichtung als in der Form großflächig ausgeführte Photodiode, welche in dieser Bauform alsSolarzelle bezeichnet wird. Primär zur Energiegewinnung genutzt.
Betrieb im Quasi-Kurzschluss, zur Helligkeitsmessung
Betrieb im Sperrbereich, um die Grenzfrequenz zu steigern
Die Photodiode liefert elektrische Energie. In dieser Funktion ist sie ein Photoelement, bei großflächiger Herstellung wird die Photodiode alsSolarzelle bezeichnet. Ohne Last ist sie in Sättigung, und die Spannung strebt einem Grenzwert zu (LeerlaufspannungUL), der wenig von der Lichtstärke abhängt. Bei steigender Belastung (RL wird kleiner) sinkt die Spannung, und der Strom strebt seinerseits einem Grenzwert (KurzschlussstromIK) zu. Am Knick dieser Kennlinie liegt Leistungsanpassung vor – der beiPhotovoltaikanlagen 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 zumPhotowiderstand (LDR) ist keine externe Spannungsquelle nötig. InCCD-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.
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 einenTransimpedanzverstärker 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.
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 integriertenCMOS-Sensoren gewählt. Für den Sperrbereich sind weiterhin folgende Effekte charakteristisch:
Die SperrschichtkapazitätCS verringert sich mit der angelegten Spannung, so dass sich die Reaktionszeit mit steigender Spannung verringert. Damit lassen sich hohe Grenzfrequenzen erreichen.
Der Reststrom (DunkelstromID) steigt mit der angelegten Spannung und der Temperatur; er überlagert den Photostrom und bestimmt bei geringer Bestrahlung maßgeblich das Rauschen.
Abschaltzeiten eines BPW34 mit verschiedenen Arbeitswiderständen
Die Abschaltzeiten einer Fotodiode sind abhängig vom Arbeitswiderstand. Das nebenstehende Diagramm zeigt die Abschaltverzögerung nach einer Belichtung durch einen kurzen Blitz. Zum Prüfen der Einschaltverzögerung wurde auch mit einem kleinen Blitz einer Taschenkamera gearbeitet, der wesentlich schneller leuchtet, was die Kurve in Orange belegt. Die Einschaltverzögerung kann vernachlässigt werden.
Weltweite Forschungsaktivitäten konzentrieren sich insbesondere auf die Entwicklung preiswerter Solarzellen, verbesserter CCD- undCMOS-Bildsensoren sowie auf schnellere und empfindlichere Photodioden fürGlasfasernetze.
↑Gilbert Held:Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications. CRC Press, 2008,ISBN 1-4200-7662-0, Kapitel 5,S.116.
↑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
↑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.Band9,Nr.5, 18. Mai 2022,ISSN2330-4022,S.1535–1540,doi:10.1021/acsphotonics.2c00223 (acs.org [abgerufen am 27. Mai 2022]).
↑Hari Singh Nalwa:Photodetectors and Fiber Optics. Gulf Professional Publishing, 2001,ISBN 978-0-12-513908-3,S.314 (S. 314).
