Es werde Licht – alles über Photodioden

Wie arbeitet eine Photodiode?

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.

Welche Bauteile sind mit Photodioden verwandt oder vergleichbar?

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.

Wie Photodioden Infrarot- und andere Bereiche des Lichtspektrums sichtbar machen

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.