Photodiode

Grundprinzip und Bedeutung

Eine Photodiode (Fotodiode) ist eine Halbleiterdiode, die Licht im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Bereich durch den inneren Photoeffekt in elektrischen Strom umwandelt. Mit Szintillatoren kann sie auch Röntgenstrahlung erfassen. Je nach Beschaltung liefert sie eine elektrische Spannung oder einen lichtabhängigen Strom beziehungsweise Widerstand. Sie dient zur Lichtmessung und zum Empfang lichtübertragener Informationen.

Treffen Photonen mit ausreichend hoher Energie auf den Halbleiter, entstehen Elektron-Loch-Paare. In der Raumladungszone, also dem Bereich des p-n-Übergangs ohne freie Ladungsträger, trennt das elektrische Feld diese Ladungsträger und erzeugt Strom. Außerhalb erzeugte Ladungsträger müssen zunächst zur Raumladungszone diffundieren; durch Rekombination geht dabei ein Teil verloren. Ohne äußere Verbindung entsteht eine Spannung mit der Polarität der Durchflussspannung. Bei Kurzschluss oder Sperrspannung fließt ein zum Lichteinfall proportionaler Photostrom.

Die Photonenergie muss größer als die Bandlücke des Halbleiters sein. Bei Silizium sind dies mehr als 1,1 eV; die Bandlücke beträgt bei Raumtemperatur 1,12 eV, entsprechend Wellenlängen unter 1100 nm. Der Photostrom ist über viele Größenordnungen linear zur Lichtleistung, solange keine Sättigung eintritt. Geeignet beschaltet kann die Reaktionszeit Bruchteile einer Nanosekunde erreichen.

Aufbau, Materialien und Spektralbereich

Photodioden bestehen beispielsweise aus Silizium, Germanium oder Indiumgalliumarsenid. Nutzbare Wellenlängenbereiche sind: Silizium 0.190–01.100 nm, Siliziumkarbid 0.200–0.355 nm, Germanium 0.400–01.700 nm, Quecksilber-Cadmium-Tellurid 0.400–14.000 nm, Indiumgalliumarsenid 0.800–02.600 nm, Blei(II)-sulfid 1.000–03.500 nm und Cadmiumtellurid 5.000–20.000 nm. Sichtbares Licht liegt zwischen 380 nm und 780 nm.

Eine typische Silizium-Photodiode hat ein schwach n-dotiertes Grundmaterial, eine stärker dotierte Rückseite als Kathode und eine dünne p-dotierte Schicht auf der Vorderseite. Diese lässt Licht zum p-n-Übergang durch. Kontakte liegen meist am Rand; Passivierung und Antireflexionsschicht schützen die Oberfläche und verringern Reflexionen. Der aktive Bereich wird durch den diffundierten Bereich des p-n-Übergangs festgelegt. Eine größere Substratdicke beeinflusst Geschwindigkeit und Empfindlichkeit.

Kurzwelliges UV-Licht wird wegen seines hohen Absorptionskoeffizienten nahe der Oberfläche absorbiert. Längere Wellenlängen dringen weiter ein; Silizium ist für Licht über 1200 nm transparent. PIN-Photodioden besitzen zwischen p- und n-Schicht eine intrinsische Schicht. Sie erlauben höhere Sperrspannungen, haben eine geringere Sperrschichtkapazität und daher eine größere Bandbreite. Typische Grenzfrequenzen liegen bei etwa 10 MHz, bei PIN-Photodioden über 1 GHz. Silizium rauscht wegen seiner größeren Bandlücke vergleichsweise wenig. Cadmiumtellurid-Photodioden für mittleres Infrarot müssen zur Rauschminderung, etwa mit flüssigem Stickstoff, gekühlt werden.

Elektrische und optische Kennwerte

Der Serienwiderstand setzt sich aus Kontakt- und Siliziumwiderstand zusammen: R_S = ((W_S − W_d) · ρ / A) + R_C. Dabei sind W_S die Substratdicke, W_d die Breite der Verarmungszone, A die Diffusionsfläche, ρ der spezifische Widerstand des Substrats und R_C der Kontaktwiderstand. Er bestimmt die Linearität im Photovoltaikbetrieb; typische Werte liegen zwischen 10 und 1000 Ω.

Die Sperrschichtkapazität ist proportional zur Diffusionsfläche und umgekehrt proportional zur Breite der Verarmungszone. Sie beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit. Mit Sperrspannung gilt: C_J = A · √(ε_Si · ε_0 / (2 · μ · ρ · (V_A + V_bi))). μ = 1400 cm²/(V · s) bei 300 K; ε_0 ist die Permittivität des freien Raums, ε_Si die Dielektrizitätskonstante von Silizium, V_bi die interne und V_A die angelegte Spannung.

Die Lichtempfindlichkeit ist R_λ = I_P / P, also Photostrom pro einfallender Lichtleistung. Sie hängt von Wellenlänge, Sperrspannung und Temperatur ab. Die Quanteneffizienz ist der Anteil einfallender Photonen, die zum Photostrom beitragen: Q.E. = R_λ · h · c /(λ · q) = 1240 · R_λ / λ, mit R_λ in A/W und λ in Nanometer. Die untere Grenze des linearen Bereichs bestimmt der Rauschstrom, die obere Serien- und Lastwiderstand; eine Sperrspannung kann den Bereich etwas erweitern.

Rauschen und Dunkelstrom

Bei angelegter Sperrspannung fließt auch ohne Licht ein kleiner Dunkelstrom I_D, der exponentiell von der Temperatur abhängt und ein wichtiges Qualitätsmerkmal ist. Der Zusammenhang mit dem Sperrsättigungsstrom lautet: I_D = I_SAT · (e^(q · V_A/(k_B · T)) − 1). Dabei sind I_SAT der Sperrsättigungsstrom, q die Elektronenladung, V_A die Vorspannung, k_B die Boltzmann-Konstante und T die thermodynamische Temperatur.

Schrotrauschen entsteht durch statistische Schwankungen von Photostrom und Dunkelstrom: I_sn = √(2 · q · (I_P + I_D) · Δf). Δf ist die Bandbreite. Wärmerauschen entsteht durch thermische Ladungsträger im Shunt-Widerstand R_SH: I_jn = √(4 · k_B · T · Δf / R_SH). Im Photovoltaikbetrieb ist es das dominierende Stromrauschen. Auch Last- und andere Widerstände erzeugen zusätzliches Wärmerauschen.

Betriebsarten und Anwendungen

Im Betrieb als Photoelement liefert die Photodiode Energie; großflächig heißt sie Solarzelle. Ohne Last nähert sich die Spannung der Leerlaufspannung U_L. Mit kleiner werdendem Lastwiderstand sinkt die Spannung und der Strom nähert sich dem Kurzschlussstrom I_K. Am Kennlinienknick liegt der Maximum Power Point. Diese Betriebsart ist relativ langsam, wird aber etwa in Belichtungsmessern und Luxmetern genutzt. In CCD-Sensoren laden Photodioden parallel geschaltete Kondensatoren auf; bei rechtzeitigem Abtransport der Ladung ist diese proportional zur Helligkeit.

Im Quasi-Kurzschluss gilt U = 0. Ein Transimpedanzverstärker kann den Photostrom in ein proportionales Spannungssignal umsetzen und einen virtuellen Kurzschluss bilden. Weil keine Kapazität umgeladen wird, sind hohe Grenzfrequenzen und genaue Bestrahlungsmessungen möglich.

Im Sperrbereich gilt U ≤ 0 und I ≤ 0. Die Sperrschichtkapazität sinkt mit steigender Spannung, wodurch die Reaktionszeit kürzer wird. Ein Avalanche-Durchbruch kann den Photostrom verstärken. Dunkelstrom steigt mit Spannung und Temperatur und begrenzt bei geringer Bestrahlung das Rauschen. Anwendungen sind Digitalkamera-Sensoren, Lichtwellenleiter-Empfänger und Belichtungsmesser. Beispielwerte der Silizium-Photodiode BP 104 sind 20 Volt zulässige Sperrspannung, 55 nA/lx beziehungsweise bei 850 nm 0,62 A/W sowie ein Spektralbereich von 400 bis 1100 nm.