Es werde Licht – alles über Photodioden

Wie alle Dioden besteht auch eine Photodiode aus zwei gegenläufig polarisierten Halbleitern, die sich entweder direkt treffen, oder durch einen weiteren Halbleiter distanziert sind. Ihre Besonderheit ist das fotosensitive Material: Bei Lichteinstrahlung bringt dieses einen Stromfluss oder einen Spannungsaufbau in Gang.

Eine Photodiode kann entweder mit einem p-n-Übergang (direkt) oder um einen PIN-Übergang herum konstruiert werden. Die Buchstaben p und n stehen bei beiden Modellen für eine positiv (p) oder negativ (n) dotierte Halbleiterfläche. Um eine negative Polung zu erreichen, werden Moleküle mit Elektronen-Überschuss verwendet. Für die positive Polung sorgen sogenannte Defektelektronen, die auch als Löcher bezeichnet werden. :

Bei einem p-n-Übergang stehen sich diese beiden Flächen direkt gegenüber. Dort kommt es zu einer Diffusion der überschüssigen Elektronen in Richtung der Löcher und umgekehrt. Dadurch entsteht ein Gleichgewicht, das man als Raumladungszone bezeichnet. Bei den PIN-Übergängen wird diese noch durch eine intrinsische, nach außen neutrale, Schicht verstärkt. Das senkt die Kapazität der Raumladungszone, sodass sich die beiden dotierten Halbleiterplättchen direkt treffen.

Legt man positive Spannung an die Diode an, arbeitet sie mit der Stromflussrichtung und erzeugt bei Lichteinfall Strom, bei insgesamt recht geringer Spannung (typischerweise 0,7 V). Diese Betriebsweise kennzeichnet im Prinzip auch die Solarzelle, bei der Strom erzeugt wird. Man nennt sie auch Fotospannungsbetrieb.

Anders verhält sie sich bei einer Spannung von 0 – auch als Quasi-Kurzschluss bezeichnet. Die Photodiode kann dann genutzt werden, um eine deutlich schnellere Messung des Lichteinfalls zu erreichen. Es kommt durch die nahezu ausgeglichene Spannungssituation nicht mehr zu einem Umladen des Felds am Übergang, daraus resultiert die hohe Geschwindigkeit der Diode in diesem Szenario.

Im Gegenstrom-Modus wiederum liefert die Diode ebenfalls einen linear mit der Lichtstärke steigenden Strom. Dabei werden negative Spannung und negativer Strom angelegt. Bei Lichteinfall entsteht dann ein Sperrstrom, der wiederum linear für die Messung der Intensität abgegriffen werden kann. Durch die höhere Ladungssituation kommt es aber eventuell zu Rauschen, durch den ungewollten Elektronenübertritt ins Leistungsband, hier können Filter in der Schaltung helfen.

Photodioden kommen überall um uns herum zum Einsatz, sowie wir auch permanent von optischen Informationen umgeben sind. Man findet Sie zum Beispiel in folgenden Geräten:

• Als Fotosensoren in Kameras und Videomodulen
• In optischen Rauchmeldern, die Lufteintrübung durch Rauch erkennen
• In Alarmanlagen, um per Infrarotsensor Bewegungen wahrzunehmen
• In fast allen optischen Laufwerken wie CD-, DVD- und Blu-ray Player, um die Lichtsignale des Lasers zu interpretieren
• In medizinischen Anwendungen, um Proben zu analysieren
• In Messinstrumenten
• In Bauteilen von Fernbedienungen zur Interpretation der Befehle

Im Bereich der lichtaktiven Bauteile existiert eine ganze Reihe von abgeleiteten oder verwandten Elementen, die in Schaltungen verwendet werden. Am häufigsten findet man den Fototransistor und den Fotowiderstand.

Der Fotowiderstand ist ein einfaches elektrisches Bauteil, dessen Widerstand sich bei Lichteinfall reduziert. Er wird überall dort eingesetzt, wo die Reaktionsgeschwindigkeit keine große Rolle spielt:

• Lichtschranken
• Belichtungsmesser in Kameras
• Dämmerungsschalter

Fototransistoren werden benutzt, um den durch Lichteinfall erzeugten Strom zu verstärken. Durch diese Verstärkung des geringen Stroms der Diode sind sie empfindlicher, reagieren durch den zusätzlich eingebrachten Strom jedoch langsamer. Da Verstärker und Diode quasi in einem Bauteil zusammengefasst sind, beeinflusst der Kollektorstrom durch höhere Ladung des Verstärkers auch die Raumladungszone und macht zusätzlich die Entladung entsprechend zeitaufwendiger.

Fototransistoren werden daher ebenfalls in Anwendungen eingesetzt, bei denen es nicht um Geschwindigkeit, sondern Genauigkeit geht. Sie finden sich zum Beispiel in Rauchmelden und Optokopplern. In der Verwendung sind sie aufgrund des bereits integrierten Verstärkers leicht mit einem Mikrocontroller zu koppeln.

Auch die LED oder Licht-Emittierende-Dioden zählen zu den verwandten Bauteilen, bei denen das Prinzip umgekehrt zur Erzeugung von Licht aus Strom genutzt wird.

Last, not least sind Optokoppler Bauteile, die aus einer Fotodiode im Verbund mit einer Leuchtdiode mit sichtbarem Licht oder Infrarotstrahlung bestehen. Sie dienen zur Isolation empfindlicher Schaltkreise von elektrischen Störgrößen. Zunächst vor allem in der Telekommunikation und Musikinstrumenten eingesetzt, sind sie durch Weiterentwicklung der verwendeten Komponenten und die Erhöhung der Geschwindigkeit heute auch in digitalen Anwendungen zu finden.

Die bei der Herstellung verwendeten Materialien sprechen auf jeweils unterunterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums an. Das überwiegend in Bauteilen verwendete Element, Silizium, reagiert beispielsweise auf Wellenlängen zwischen 190 und 1100 nm. Das sichtbare Licht liegt mitten in dieser Spanne zwischen 380 und 780 nm; direkt darüber beginnt der Bereich des Infrarotlichts. Trotz der vielseitigen Einsatzmöglichkeiten für Silizium-Photodioden, schöpfen diese nicht unbedingt das volle Spektrum aus, sondern arbeiten vielmehr in bestimmten Bereichen wie dem nahen Infrarotbereich.

Für spezielle Anwendungen greifen Hersteller auf Cadmiumtellurid, Germanium oder Indiumgalliumarsenid zurück. Photodioden aus diesen Materialien kommen z.B. in Hochfrequenzanwendungen und in astronomischen Optiken oder Weltraumteleskopen zum Einsatz. Auch für Solarzellen werden diese Materialien wegen ihres höheren spezifischen Wirkungsgrads bevorzugt. Außerdem unterscheiden sie sich durch die Bauarten in den Ansprechraten oder Grenzfrequenzen, die ebenfalls abhängig von Material und Betriebsspannung sind. Im Gegenstrombetrieb ist die Reaktionszeit grundsätzlich viel schneller, da durch die angelegte Gegenspannung die Kapazität der Raumladungszone sinkt. So reagiert die Photodiode schneller auf Lichteinfall und kehrt ebenso schnell wieder zurück zum Ausgangszustand. Auch die Bauartprinzipien PIN und p-n unterscheiden sich in der Reaktionsfähigkeit um den Faktor 100. Durch diese Fähigkeit erreichen sie hohe Auflösungen, die zum Beispiel in den Empfangsteilen von Glasfaseranwendungen benötigt werden.

Die Vielseitigkeit von Photodioden wird durch die unterschiedliche Nutzung in zwei Fotosensor-Technologien (CMOS und CCD) deutlich. In beiden Chips arbeiten Arrays, also zweidimensional arrangierte Verbünde von einzelnen Photodioden mit anderen Transistoren und Ansteuerungschips gemeinsam.

Aber wieso steuern CMOS und CCD die Dioden unterschiedlich an?

Das ältere Prinzip findet sich in den CCD-Chips. Sie werden schon seit 50 Jahren weiterentwickelt: zu Beginn als Speicherchips gedacht und später zu Bildsensoren für Kameras in Foto und Video umfunktioniert. Bei ihnen arbeiten die Dioden im Fotospannungsbetrieb, also mit der Stromflussrichtung. Der gesammelte Strom fließt in Transistoren, deren Ladung dann zeilenweise von einem Sensor ausgelesen wird. Ihr Vorteil ist, dass im Prinzip die gesamte Oberfläche der Photodiode aktiv sein kann. Dadurch beinhaltet das Bild wenig Rauschen und erlaubt eine harmonische Bildwiedergabe. Nachteile sind Effekte, die durch das zeilenweise Auslesen zum Beispiel zur Überbetonung von starken Kontrasten (Blooming) oder auch der Fortsetzung von Bildfehlern (Smearing) führen.

Erst später entwickelte sich die Technik in CMOS-Sensoren, bei denen ebenfalls Photodioden eingesetzt werden. In CMOS verwendet man sie im Gegenstrombetrieb, der durch eine vorherige Belichtungsmessung dimensioniert wird. Im Anschluss liest ein MOSFET die gemessene Lichtintensität aus und verstärkt sie. Dabei wird nicht über überspringende Ladungen wie beim CCD gearbeitet, sondern jeder Pixel einzeln angesteuert. Das bringt Vorteile bei der Geschwindigkeit und Nachteile durch ein höheres Rauschen wegen der anliegenden Spannung. Außerdem erfordert die einzelne Adressierbarkeit mehr elektronische Bauteile, die der lichtaktiven Fläche den Platz streitig machen. Mit den Jahren wurde die Technologie in Größe und Geschwindigkeit optimiert, sodass die Nachteile weitgehend kompensiert wurden. Bei Digitalkameras spielt die CCD-Technologie kaum noch eine Rolle und auch im Videobereich haben CMOS die CCDs zunehmend verdrängt.

Die einzelnen Sensoren sind natürlich auch als Erweiterungskits für populäre Entwicklungsplattformen wie Arduino und Raspberry Pi erhältlich.