Фотодиод

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Фотодиодът представлява полупроводников (диод), който е в състояние да преобразува светлината в електрически ток чрез т.нар. фотоелектрически ефект на p-n-прехода.

Активният материал на фотодиодите е направен от Силиций (за видимия светлинен спектър и за инфрачервена светлина с дължина на вълната до 1000 nm) или Германий (за инфрачервено лъчение с дължина на вълната до около 1800 nm) както и от други полупроводникови материали. Съществуват и изработки за средния инфрачервен спектър с дължина на вълната 5-20 µm (CdTe-, Ge:Au-диоди), но същите се нуждаят от дълбоко охлаждане (с течен азот) поради топлинното излъчване при по-висока температура.

[редактиране] Устройство

Тъй като светлината трябва да попадне върху p-n-прехода, същият се намира зад прозрачен електрод (напр. от цинков оксид). Горният n-дотиран слой трябва също така да е много тънък, за да не абсорбира падащата светлина. Често пред същинския фотодиоден слой се намира прозрачен прозорец, служещ като предпазител против механични повреди или фотодиодът е монтиран в прозрачна отливка.

[редактиране] Функция

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Durch die Bestrahlung mit Licht werden in der Raumladungszone der Diode Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt, was zu einem Stromfluss führt, da die Ladungsträger in die jeweils entgegengesetzt dotierten Zonen wandern. Der Fotostrom ist über viele Größenordnungen linear zum Lichteinfall, wenn keine Sättigung eintritt. Im Idealfall führt jedes Lichtquant, welches eine Energie besitzt, die größer als die charakteristische Energielücke (Bandabstand) des Halbleiters ist, zu einem Beitrag zum Stromfluss. Praktisch ist der Wert jedoch kleiner und wird als Quantenausbeute bezeichnet. Die Reaktionszeit ist bei geeigneter Beschaltung sehr kurz; sie kann bis herab zu Bruchteilen einer Nanosekunde betragen.

Auch bei Dunkelheit fließt bei einer in Sperrichtung anliegenden Spannung ein kleiner Strom - der sog. Dunkelstrom. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Fotodioden.

[редактиране] Начин на действие

Fotodioden können in folgenden 3 Betriebsarten eingesetzt sein:

liegt eine Spannung U>0 und ein Strom I<0 an, liefert die Fotodiode elektrische Energie (Fotoelement, Solarzelle). Ohne Last ist sie in Sättigung und die Spannung strebt einem Grenzwert zu (Leerlaufspannung), der wenig von der Lichtstärke abhängt. Mit sinkender Spannung steigt der Strom und strebt seinerseits einem Grenzwert zu. Am Knick dieser Kennlinie liegt Leistungsanpassung vor - der bei Fotovoltaikanlagen angestrebte Arbeitspunkt.
liegt keine Spannung an (Quasikurzschluss), liefert die Fotodiode einen über viele Größenordnungen linear von der Bestrahlungsstärke abhängigen Strom. Sie ist hierzu oft an einen Transimpedanzverstärker geschaltet - einer Schaltung, die aus dem Fotostrom ein proportionales Spannungssignal erzeugt. Damit lassen sich Bestrahlungsstärken sehr genau messen
Legt man an die Fotodiode eine Spannung in Sperrichtung, treten folgende Effekte auf:
- die Sperrschichtkapazität verringert sich, sodass die Reaktionszeit auch bei sich ändernder Spannung sehr kurz ist
- es tritt möglicherweise ein Avalanche-Effekt auf, der den Fotostrom durch Lawineneffekte verstärkt.
- ein Reststrom (Dunkelstrom) kann die Linearität beeinträchtigen.