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Funktion

Empfindlichkeit einer Silizium-Photodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts

Treffen Photonen auf das Material der Diode, so werden in der Raumladungszone Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt, was zu einem Stromfluss führt, da die Ladungsträger entgegen der Diffusionsspannung aus der Raumladungszone jeweils in die gleichartig dotierten Zonen driften. Ohne externe Verbindung der Anschlüsse führt dies an jenen zu einer messbaren Spannung gleicher Polarität wie die Durchflussspannung (Sättigung). Sind die Anschlüsse miteinander elektrisch verbunden oder befinden sie sich an einer Spannung in Sperrichtung der Diode, fließt ein Fotostrom , der proportional zum Lichteinfall ist.

Die Photonen müssen eine höhere Energie als die des Bandabstandes aufweisen, um diesen Effekt hervorzurufen (bei Silizium z. B. mehr als 1,1 eV).

Der Fotostrom 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 Stromfluss 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 Sperrichtung der Diode angelegt wird, fließt selbst bei Dunkelheit ein kleiner Strom. Dieser Strom wird Dunkelstrom (I

D ) genannt. Der Dunkelstrom hängt exponentiell von der Temperatur der Photodiode ab. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Fotodioden.

Betriebsarten

Kennlinie einer Fotodiode

Fotodioden können in den folgenden drei Betriebsarten eingesetzt sein:

1. U>0, I<0, Betrieb als Fotoelement Die Fotodiode liefert elektrische Energie (Fotoelement, Solarzelle). Ohne Last ist sie in Sättigung und die Spannung strebt einem Grenzwert zu (Leerlaufspannung U

L ), der wenig von der Lichtstärke abhängt. Bei steigender Belastung (R

L wird kleiner) sinkt die Spannung und der Strom strebt seinerseits einem Grenzwert (Kurzschlussstrom I

K ) zu. Am Knick dieser Kennlinie liegt Leistungsanpassung vor - der bei Fotovoltaikanlagen angestrebte Arbeitspunkt (Maximum Power Point). In dieser Betriebsart ist die Fotodiode relativ langsam und eignet sich nicht zur Detektion schneller Signale. Diese Schaltungsart wird zur Messung der Helligkeit, z. B. in Beleuchtungsmessgeräten

(Belichtungsmesser, Luxmeter), verwendet. Im Gegensatz zum Fotowiderstand ist keine externe Spannungsquelle nötig. In CCD-Sensoren ist ein großer Teil der