Was ist eine Photodiode?

Was ist ein Photodioden?

Definition der Photodiode

Eine Photodiode ist definiert als eine PN-Schicht-Diode, die Strom erzeugt, wenn sie Licht ausgesetzt wird. Diese Schicht entsteht durch die Kombination von P-Typ- und N-Typ-Halbleitermaterialien. Das P-Typ-Material hat zusätzliche positive Ladungsträger (Löcher), während das N-Typ-Material zusätzliche negative Ladungsträger (Elektronen) hat. Wenn diese Materialien zusammenkommen, bewegen sich Elektronen aus dem N-Typ-Bereich in den P-Typ-Bereich, vereinigen sich mit Löchern und bilden eine Sperrschicht. Diese Schicht wirkt als Barriere für weitere Ladungsträgerdiffusion.

Eine Photodiode hat zwei Anschlüsse, einen Anode und eine Kathode, die jeweils an die P-Typ- und N-Typ-Bereiche angeschlossen sind. Die Anode ist normalerweise mit einer Lasche oder einem Punkt auf der Gehäuseverpackung gekennzeichnet. Das Symbol einer Photodiode ist unten dargestellt, mit zwei Pfeilen, die auf die Schicht zeigen, um anzuzeigen, dass sie lichtempfindlich ist.

Funktionsprinzip

Wenn eine Photodiode in Rückwärtsrichtung an einen externen Schaltkreis angeschlossen ist, fließt ein kleiner Rückwärtsstrom von der Anode zur Kathode. Dieser Strom, bekannt als Dunkelstrom, resultiert aus der thermischen Erzeugung von Minderheitsladungsträgern im Halbleiter. Der Dunkelstrom hängt nicht von der angelegten Rückwärtsspannung ab, sondern variiert mit Temperatur und Dotierung.

Wenn Licht mit ausreichender Energie auf die Photodiode trifft, werden Elektron-Loch-Paare im Halbleitermaterial erzeugt. Dieser Prozess wird auch als innerer Photoeffekt bezeichnet. Wenn die Absorption des Lichts in oder nahe der Sperrschicht erfolgt, werden diese Ladungsträger durch das elektrische Feld über die Schicht hinweg gefegt, was einen Fotostrom erzeugt, der zum Dunkelstrom hinzukommt. Dabei bewegen sich Löcher in Richtung der Anode und Elektronen in Richtung der Kathode, und der Rückwärtsstrom nimmt mit zunehmender Lichtintensität zu.

Der Fotostrom ist proportional zur Lichtintensität für eine bestimmte Wellenlänge und Temperatur. Wenn die Lichtintensität zu hoch ist, erreicht der Fotostrom einen maximalen Wert, den Sättigungsstrom, über den er nicht mehr zunimmt. Dieser Sättigungsstrom hängt von der Geometrie und den Material Eigenschaften des Geräts ab.

Die Photodiode kann in zwei Modi arbeiten: photovoltaischer Modus und fotoelektrischer Modus.

Photovoltaischer Modus

Im photovoltaischen Modus wird keine externe Rückwärtsspannung an die Photodiode angelegt, sodass sie wie eine Solarzelle wirkt, die Strom aus Licht erzeugt. Der Fotostrom fließt durch einen Kurzschluss oder eine Lastimpedanz, die an die Anschlüsse angeschlossen ist. Wenn der Schaltkreis offen oder eine hohe Impedanz hat, baut sich eine Spannung über dem Gerät auf, das es vorwärts polarisiert. Diese Spannung, genannt offene Schaltungsspannung, hängt von der Lichtintensität und der Wellenlänge ab.

Der photovoltaische Modus nutzt den photovoltaischen Effekt, der verwendet wird, um Solarenergie aus Sonnenlicht zu erzeugen. Allerdings hat dieser Modus einige Nachteile, wie z.B. eine geringe Reaktionsgeschwindigkeit, eine hohe Serienwiderstand und eine geringe Empfindlichkeit.

Fotoelektrischer Modus

Im fotoelektrischen Modus wird eine externe Rückwärtsspannung an die Photodiode angelegt, und sie wirkt wie ein variabler Widerstand, der seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Lichtintensität ändert. Der Fotostrom fließt durch einen externen Schaltkreis, der eine Vorhaltespannung bereitstellt und den Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung misst.

Der fotoelektrische Modus hat einige Vorteile gegenüber dem photovoltaischen Modus, wie z.B. eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit, einen geringen Serienwiderstand, eine hohe Empfindlichkeit und einen weiten Dynamikbereich. Allerdings hat dieser Modus auch einige Nachteile, wie z.B. höhere Rauschpegel, höhere Energieverbrauch und geringere Linearität.

Eigenschaften der Photodiode

Die Eigenschaften einer Photodiode beschreiben ihre Leistung unter verschiedenen Bedingungen von Lichtintensität, Wellenlänge, Temperatur, Vorhaltespannung usw. Einige dieser Eigenschaften sind:

Anwendungen der Photodiode

• Optische Kommunikation

• Optische Messung

• Optische Bildgebung

• Optisches Schalten

• Solarenergieerzeugung

Fazit

Eine Photodiode ist ein Halbleiterelement, das Licht in elektrischen Strom umwandelt. Sie funktioniert nach dem Prinzip des inneren Photoeffekts, der Elektron-Loch-Paare erzeugt, wenn Photonen auf die PN-Schicht-Diode treffen. Eine Photodiode arbeitet unter Rückwärtsrichtungsbedingungen und hat zwei Modi: photovoltaischer Modus und fotoelektrischer Modus. Eine Photodiode hat verschiedene Eigenschaften, wie z.B. Responsivität, Quantenausbeute, Spektrale Antwort, Dunkelstrom, Dunkelwiderstand, Rauschen, Linearität und Reaktionszeit.

Eine Photodiode hat viele Anwendungen in der optischen Kommunikation, optischen Messung, optischen Bildgebung, optischen Schaltungen und der Solarenergieerzeugung. Eine Photodiode kann verwendet werden, um Alarmschaltungen und Zählschaltungen herzustellen, indem sie die Unterbrechung von Lichtstrahlen detektiert. Eine Photodiode ist ein vielseitiges und nützliches Element, das Licht in Elektrizität umwandeln kann.