mini|Verschiedene Bauformen von Photodioden Eine Photodiode oder auch Fotodiode ist eine Halbleiter-Diode, die Licht – im sichtbaren, IR- oder UV-Bereich, oder bei Verwendung von Szintillatoren auch Röntgenstrahlen – an einem p-n-Übergang oder pin-Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt oder – je nach Beschaltung – diesem einen beleuchtungsabhängigen Widerstand bietet. Sie wird unter anderem verwendet, um Licht in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen.
Aufbau mini|Nahaufnahme einer Photodiode Photodioden werden aus Elementhalbleitern wie Silizium, Germanium oder aus Verbindungshalbleitern wie Indiumgalliumarsenid hergestellt. In folgender Tabelle sind einige übliche Werkstoffe für verschiedene Typen von Photodioden und der Bereich der nutzbaren optischen Empfindlichkeit angegeben:
Halbleitermaterial EmpfindlichkeitWellenlänge (nm) Silizium 190 –1.100Siliziumkarbid200 – 355Michael Schraml, Niklas Papathanasiou, Alexander May, Tilman Weiss, Tobias Erlbacher: Towards Sic-Based VUV Pin-Photodiodes - Investigations on 4H-SiC Photodiodes with Shallow Implanted Al Emitters, , Mai 2023 Germanium 400 –1.700 Quecksilber-Cadmium-Tellurid 400 – 14.000 Indiumgalliumarsenid 800 –2.600 Blei(II)-sulfid 1.000 –3.500 Cadmiumtellurid 5.000 – 20.000
Der Bereich des sichtbaren Lichts liegt, zum Vergleich, bei Wellenlängen zwischen 380 nm bis 780 nm.
Aufgrund der größeren Bandlücke von Silizium weisen Photodioden aus Silizium ein vergleichsweise geringes Rauschen auf. Photodioden für Anwendungen im Bereich des mittleren Infrarot basierend auf Cadmiumtellurid, müssen zur Minimierung des Rauschens gekühlt werden, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, weil die Wärmebewegung bei Raumtemperatur ausreicht, um Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband zu heben. Dadurch wird der Dunkelstrom dieser Photodioden bei Raumtemperatur so groß, dass das zu messende Signal darin untergeht. Ein zweiter Grund für die Kühlung ist die ansonsten stattfindende Überlagerung der IR-Strahlung des Sensorgehäuses selbst.
Photodioden zur Lichtmessung besitzen einen Tageslichtfilter, welcher die Empfindlichkeit im roten und infraroten Spektralbereich begrenzt und die Empfindlichkeitskurve an die des Auges angleicht. Dagegen besitzen Photodioden zum Empfang infraroter Signale (wie in Fernbedienungen) einen Tageslicht-Sperrfilter. Sie sind zum Beispiel in dunkel eingefärbtem Kunstharz vergossen und dadurch vor Störungen durch sichtbares Licht geschützt.
Eine typische Silizium-Photodiode besteht aus einem schwach n-dotierten Grundmaterial mit einer stärker dotierten Schicht auf der Rückseite, die den einen Kontakt (Kathode) bildet. Die lichtempfindliche Fläche wird definiert durch einen Bereich mit einer dünnen p-dotierten Schicht an der Vorderseite. Diese Schicht ist dünn genug damit das meiste Licht bis zum p-n-Übergang gelangen kann. Der elektrische Kontakt ist meistens am Rand. Auf der Oberfläche ist eine Schutzschicht als Passivierung und Antireflexionsschicht. Oft befindet sich vor der Photodiode zusätzlich ein lichtdurchlässiges Schutzfenster oder sie befindet sich in transparentem Vergussmaterial.
PIN-Photodioden weisen durch die intrinsische Schicht zwischen p- und n-Schicht im Allgemeinen eine höhere zulässige Sperrspannung und eine geringere Sperrschichtkapazität CS auf. Dadurch wird die Bandbreite vergrößert. Im Gegensatz zu Photowiderständen (LDR) besitzen Photodioden wesentlich kürzere Ansprechzeiten. Typische Grenzfrequenzen von Photodioden liegen bei etwa 10 MHz, bei pin-Photodioden bei über 1 GHz.
Die Lateraldiode ist eine spezielle Bauform einer Photodiode, um beispielsweise die Position eines Laserstrahls zu erfassen.
Neuere Experimente widmen sich der Stromgewinnung durch Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) mit Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Photodioden.
Funktion mini|Empfindlichkeit einer Silizium-Photodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts Treffen Photonen ausreichender Energie auf das Material der Diode, so werden Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt. In der Raumladungszone driften die Ladungsträger schnell entgegen der Diffusionsspannung in die gleichartig dotierten Zonen und führen zu einem Strom. Außerhalb der Raumladungszone erzeugte Ladungsträger können auch zum Strom beitragen. Sie müssen aber erst per Diffusion bis zur Raumladungszone gelangen. Dabei geht ein Teil durch Rekombination verloren und es entsteht eine kleine Verzögerung. Ohne externe Verbindung der Anschlüsse entsteht an diesen eine messbare Spannung gleicher Polarität wie die Durchflussspannung (Sättigung). Sind die Anschlüsse miteinander elektrisch verbunden oder befinden sie sich an einer Spannung in Sperrrichtung der Diode, fließt ein Photostrom, der proportional zum Lichteinfall ist.
Die Photonen müssen eine höhere Energie als die der Bandlücke aufweisen, um diesen Effekt hervorzurufen, bei Silizium z. B. mehr als 1,1 eV.
Der Photostrom ist über viele Größenordnungen linear zum Lichteinfall, wenn keine Sättigung eintritt. Im Idealfall trägt jedes Lichtquant, das eine Energie besitzt, die größer als die charakteristische Energielücke (Bandabstand) des Halbleiters ist, zum Strom bei. Praktisch ist der Wert jedoch kleiner und wird als Quantenausbeute bezeichnet. Die Reaktionszeit ist bei geeigneter Beschaltung sehr kurz; sie kann bis herab zu Bruchteilen einer Nanosekunde betragen.
Wenn von außen eine Spannung in Sperrrichtung der Diode angelegt wird, fließt selbst bei Dunkelheit ein kleiner Strom. Dieser wird Dunkelstrom (ID) genannt. Er hängt exponentiell von der Temperatur der Photodiode ab. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Photodioden.
Der Fototransistor ist die Kombination einer Photodiode und eines Bipolartransistors und entsteht dadurch, dass Lichteinfall auf die als Photodiode fungierende Basis-Kollektor-Sperrschicht möglich ist. Der Photostrom ist um den Stromverstärkungsfaktor des Transistors höher, die Grenzfrequenz ist niedriger. Ähnlich gibt es Foto-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren und Fotothyristoren.
Photodioden können zur Erkennung kleinster Lichtmengen eingesetzt und für hochpräzise Messungen von Strahlungsintensitäten von 1 pW/cm² bis über 100 mW/cm² kalibriert werden. Planar diffundierte Silizium-Photodioden sind Dioden mit p-n-Übergang. Ein p-n-Übergang kann durch Diffusion einer Verunreinigung, wie z. B. Bor, in einen Siliziumwafer mit n-Kanal oder einer Verunreinigung, wie z. B. Phosphor, in einen Siliziumwafer mit p-Kanal gebildet werden. Der diffundierte Bereich definiert die aktive Fläche der Photodiode. Die Kontaktflächen werden auf definierten Flächen des vorderen aktiven Bereichs und auf der Rückseite abgeschieden, sodass das Bauteil vollständig bedeckt ist. Der aktive Bereich wird anschließend mit einer Antireflexbeschichtung passiviert, um die Lichtreflexion für eine bestimmte, vordefinierte Wellenlänge zu reduzieren. Der nicht aktive Bereich auf der Oberseite wird mit einer dicken Schicht Siliziumdioxid überzogen. Durch die Dicke des Substrats lassen sich Geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Photodiode steuern.
Silizium ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 1,12 eV bei Raumtemperatur. Dies ist die Lücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband. Beim absoluten Nullpunkt ist das Valenzband vollständig gefüllt und das Leitungsband frei. Bei steigender Temperatur werden die Elektronen angeregt und steigen durch thermische Energie vom Valenzband in das Leitungsband auf. Die Elektronen können auch durch Teilchen oder Photonen mit Energien über 1,12 eV, was Wellenlängen unter 1100 nm entspricht, ins Leitungsband gehoben werden. Die entstehenden Elektronen im Leitungsband können ungehindert Strom leiten.
Aufgrund des Konzentrationsgradienten entsteht durch die Diffusion von Elektronen vom n-Bereich in den p-Bereich und durch die Diffusion von Löchern vom p-Bereich in den n-Bereich eine Eigenspannung über der Verbindung. Die gegenseitige Diffusion von Elektronen und Löchern zwischen den n-Bereichen und p-Bereichen über die Verbindung führt zu einer Region ohne freie Ladungsträger. Dies ist die Verarmungszone. Die Eigenspannung über der Verarmungszone erzeugt ein elektrisches Feld mit einem Maximum an der Verbindung und keinem Feld außerhalb der Verarmungszone. Jede angelegte Sperrvorspannung erhöht die Eigenspannung und führt zu einer breiteren Verarmungszone. Der erzeugte Strom ist proportional zur einfallenden Strahlungsleistung. Die Lichtabsorption nimmt exponentiell mit der Entfernung zu und ist proportional zum Absorptionskoeffizienten. Der Absorptionskoeffizient ist für kürzere Wellenlängen im UV-Bereich sehr hoch und für längere Wellenlängen gering. Daher werden kurzwellige Photonen, wie z. B. Ultraviolettstrahlung, in einer dünnen Oberflächenschicht absorbiert, während Silizium für Lichtwellenlängen über 1200 nm transparent wird. Darüber hinaus werden Photonen mit Energien kleiner als die Bandlücke überhaupt nicht absorbiert.Massachusetts Institute of Technology: Photodiode Characteristics and ApplicationsOSI Optoelectronics: Photodiode Characteristics and Applications
Elektrische Eigenschaften
Serienwiderstand Der Serienwiderstand einer Photodiode ergibt sich aus dem Widerstand der Kontakte und dem Widerstand des Siliziums:
Dabei ist die Dicke des Substrats, die Breite des verarmten Bereichs, die Diffusionsfläche des p-n-Übergangs, der spezifische Widerstand des Substrats und der Kontaktwiderstand. Der Serienwiderstand dient zur Bestimmung der Linearität der Photodiode im Photovoltaikbetrieb ohne Vorspannung. Obwohl eine ideale Photodiode keinen Serienwiderstand aufweisen sollte, werden typische Werte zwischen 10 und 1000 Ω gemessen.
Sperrschichtkapazität Die Sperrschichtkapazität ist direkt proportional zur Diffusionsfläche und umgekehrt proportional zur Breite der Verarmungszone. Substrate mit höherem spezifischen Widerstand weisen zudem eine geringere Sperrschichtkapazität auf. Die Sperrschichtkapazität hängt wie folgt von der Sperrspannung ab:
Dabei ist ist die Permittivität des freien Raums, die Dielektrizitätskonstante von Silizium, die Elektronenbeweglichkeit bei 300 K, der spezifische Widerstand von Silizium, die interne Spannung von Silizium und die angelegte Spannung. Die Sperrschichtkapazität wird verwendet, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Photodiode zu bestimmen.
Optische Eigenschaften
Lichtempfindlichkeit Die Empfindlichkeit einer Silizium-Photodiode ist ein Maß für die Lichtempfindlichkeit und wird als Verhältnis des Photostroms zur einfallenden Lichtleistung P bei einer bestimmten Wellenlänge definiert.
Sie ist ein Maß für die Effektivität der Umwandlung der Lichtleistung in elektrischen Strom. Sie variiert mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts sowie der angelegten Sperrspannung und der Temperatur. Die Empfindlichkeit steigt mit angelegter Sperrspannung leicht an, da sich die Ladungssammlungseffizienz in der Photodiode verbessert. Temperaturbedingte Empfindlichkeitsschwankungen treten ebenfalls auf. Dies ist auf die Verringerung bzw. Vergrößerung der Bandlücke infolge steigender bzw. fallender Temperatur zurückzuführen.
Quanteneffizienz Die Quanteneffizienz ist definiert als der Anteil der einfallenden Photonen, die zum Photostrom beitragen. Die Beziehung zur Empfindlichkeit ist wie folgt:
Dabei ist die Planck-Konstante, die Lichtgeschwindigkeit, die Elektronenladung, die Empfindlichkeit in und die Wellenlänge in Nanometer.