Es werde Licht – alles über Photodioden
Wie aus Lichtsignalen Informationen werden
Ohne Photodioden gäbe es keine Bildsensoren, Fernbedienungen oder Glasfasertechnologien und Lichtwellenleiter. Die clevere Technologie, bei der Licht in elektrische Spannung umwandelt wird, ist außerdem ein wichtiger Bestandteil von integrierten Komponenten wie CCD- oder CMOS-Chips, den Bildsensoren von Digitalkameras.
Wie funktioniert eine Photodiode?
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.
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.
Anwendungsbeispiele von Photodioden
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
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.
Gut zu wissen!
Wie ist der Aufbau einer Diode?
Unter einer Diode versteht man ein Halbleiterbauteil, das Strom nur in einer Richtung durchfliessen kann. Es verfügt über eine Anode und eine Kathode. Damit Strom fliessen kann, muss die Anode zum Pluspol zeigen und die Kathode zum Minus-Pol. Wenn die Situation umgekehrt ist, dann sperrt die Diode bis zu einer gewissen Spannung den Stromfluss in dieser Richtung. Darum kennzeichnen normale Dioden zwei wesentliche Kenngrössen: Die Spannung, bis zu der sie im Gegenstrombetrieb arbeiten können und die Stromstärke, die in positiver Richtung durchfliessen kann.
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.
Photodioden nach Lichtspektrum
Infrarotdioden
Reagieren auf Licht im Wellenbereich von 780 bis 1.000 nm. Viele Modelle können sowohl sichtbares Licht als auch IR erfassen.
Si-Photodioden
Silizium-Photodioden sind äusserst vielseitig und reagieren auf Wellenlängen zwischen 190 und 1100 nm.
UV-Photodioden
Abgestimmt auf ultraviolettes Licht, welches sich ausserhalb des sichtbaren Lichtspektrums befindet.
Kann man mit Photodioden eine Solaranlage betreiben?
Im Prinzip schon, aber nicht besonders effizient. Photodioden arbeiten nach demselben Prinzip wie Solaranlagen (oder umgekehrt), insofern gibt es Überschneidungen. Bei der anliegenden Spannung von 0,7 V nutzen die Photodioden jedoch insgesamt sehr schwache Ströme, auch im Fotostrombetrieb. Ausserdem leiten sie ihre Ladung direkt einzeln ab. Solarzellen sind hier auf die Erzeugung von Strom in anderen Dimensionen vorbereitet. Sie haben durch andere Einbettung in grössere Strukturen (durch die umgebenden Bauteile) und besonders optimierte Materialien deutlich höhere Wirkungsgrade bei der Erzeugung von Strom. Als Detektoren sind sie dafür zweite Sieger.
Welche speziellen Photodioden gibt es?
Sowohl die Kombination mit unterschiedlichen Verstärkern als auch die Ansteuerung ermöglicht eine Vielzahl von Nutzungsmöglichkeiten für Photodioden. Darüber hinaus gibt es auch in den Nischen noch Spezial-Photodioden:
Avalanche-Photodioden (APD) verfügen über eine zusätzliche positiv dotierte Schicht im Aufbau. Die Elektronen-Lochpaare, die sich durch die Lichteinwirkung bilden, nehmen so durch die anliegende Spannung weitere Elektronen auf. Es werden mehr Paare auf das Leistungsband angehoben und die Wirkung verstärkt, denn auch diese aufgenommenen zusätzlichen Elektronen-Loch-Paare werden weiter energetisch angereichert. Eben dieser lawinenartigen Wirkung verdankt der Avalanche-Sensor ihren Namen. Dieser Typ erreicht eine enorme Präzision und, durch seine angelegte (hohe) Sperrspannung, schnelle Grenzfrequenzen. Diese Photodioden spielen eine grosse Rolle beim Empfang von Daten in Lichtwellenleitern.
Lateraldioden wiederum können nicht nur durch die Strommenge Informationen interpretieren. Sie zeigen durch ein zweidimensionales Array, an welcher Stelle der Sensor von Licht getroffen wurde. Diese Information ist zum Beispiel nutzbar, um Laser zu kalibrieren oder mithilfe der Strahlen Räume oder Punkte auszumessen.
CMOS- und CCD-Technologie im Vergleich
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.
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