Techniklexikon

Photodiode

Halbleiter- Bauelement (Diode), das einfallendes Licht in elektr. Signale umsetzt. Ph. leiten um so besser, je stärker sie beleuchtet werden. Sie sind schnell arbeitende Lichtschalter und Umsetzer für optische Signale bis in den GHz-Bereich (^ Frequenz) hinein. Es gibt blau-, grün-, gelb- und rotempfindliche Typen, Vidicon-Kameras enthalten auf einer Silicium-Scheibe von 20 mm Durchmesser rund 100000 Ph. , die von einem Elektronenstrahl abgetastet werden. Elektronik, HalbleiterphysikTeilchenphysik, Photoelement, Photozelle, eine in der Regel in Sperrichtung betriebene p-n-Diode, bei der durch eine Bestrahlung Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, die im elektrischen Feld getrennt und als Photostrom gemessen werden (siehe Abb.1).

Das Prinzip der Photodioden basiert auf einem p-leitenden Halbleitermaterial, das in Kontakt mit einem n-leitenden Halbleiter gebracht wird (siehe Abb. 2). An die Anordnung wird eine äussere Spannung in Sperrichtung angelegt, wodurch eine von Ladungsträgern freie (depletierte) Verarmungszone entsteht, deren Dicke von der angelegten Sperrspannung und dem spezifischen Widerstand und der Mobilität der Ladungsträger des Halbleitermaterials abhängt. Beim Durchgang eines Photons durch die Verarmungszone werden die dort über Photoeffekt entstehenden Elektron-Loch-Paare in der Sperrschicht getrennt und verursachen einen Stromstoss. In etwa 300 mm Silicium werden etwa 25 000 Elektronen durch ein minimal-ionisierendes Teilchen (MIPs) erzeugt. Die Ladungssammelzeit dieser zu den Halbleiterzählern gehörenden Detektoren liegt bei einigen ns und kann durch die Wahl der angelegten Spannung beeinflusst werden. Ohne eine von aussen angelegte Spannung entsteht bei Bestrahlung eine Photospannung, die den Einsatz der Photodiode als Solarzelle ermöglicht.

Lumineszenz-Dioden aus GaAs werden in Durchlassrichtung betrieben und sorgen durch ihre Dotierung für Strahlungsabgabe durch Rekombination nach der Injektion von Ladungsträgern. Verwendung finden diese Dioden in der optischen Informationsübertragung. Si-Photodioden erreichen bei einer Wellenlänge von 0,8 mm ihre maximale spektrale Empfindlichkeit, Ge-Dioden bei 1,5 mm.

Die Photodiode zeichnet sich durch ein günstiges Zeitverhalten bei schnell veränderlichen Lichtsignalen aus. Die Schaltzeiten liegen bei höheren Betriebsspannungen und kleinen Arbeitswiderständen im 10 ns-Bereich. Eine weitere Verbesserung erreicht man durch die Struktur der pin-Diode mit Schaltzeiten im 100 ps-Bereich. Durch eine kompliziertere Schichtenfolge (z.B. p⁺-p^--p-n⁺, wobei »+« und »-« die Dotierungsdichte andeuten sollen) in der Lawinen-Photodiode entsteht durch Stossionisation eine innere Verstärkung bei gleichzeitig sehr schnellem Zeitverhalten.

Photodioden werden häufig mit Linsensystemen zur Fokussierung verbunden. Verwendung finden diese Photodioden neben der Teilchenphysik als Auslesedetektoren von Szintillatoren z.B. auch in vielen Infrarot-Fernbedienungen. Diese Dioden sind nicht zur Einzelphotonen-Auflösung geeignet, da das intrinsische Rauschen sehr hoch ist. Die Vorteile von Photodioden gegenüber anderen Strahlungsdetektoren sind eine gute Linearität mit geringem Rauschen (ausser der Lawinen-Photodiode), die hohe Quantenausbeute (über 70 %) über den gesamten sensitiven Spektralbereich und die Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern. Schäden durch Strahlung beeinflussen die Lebensdauer des Detektors sowie die Sensitivität durch erhöhtes Rauschen durch Leckströme.

Photodiode 1: Beim Durchgang von Strahlung durch die Verarmungszone entstehen Elektron-Loch-Paare, die durch die angelegte Spannung getrennt werden.

Photodiode 2: a) Schematischer Aufbau (p⁺: stark p-dotiert); b) Symbol.