Ratgeber
Fotodioden haben prinzipiell einen ähnlichen Aufbau wie übliche Halbleiterdioden. Der Unterschied besteht darin, dass das Gehäuse so gestaltet ist, dass auf die Sperrschicht von außen Licht, das bekanntlich aus Lichtquanten, den Photonen, besteht, fallen kann. Die Sperrschicht ist die Zone zwischen p- und n-leitendem Material, durch die nur in Flussrichtung Strom fließen kann, in Sperrrichtung hingegen nicht. Die Photonen, die auf den pn-Übergang der Diode auftreffen, sorgen dafür, dass in der in Sperrrichtung polarisierten Grenzschicht auf Grund des inneren lichtelektrischen Effekts freie Elektronen aus der atomaren Struktur gelöst werden. Diese führen zu einem Stromfluss, dem sogenannten "Fotostrom", der direkt von der Beleuchtungsstärke abhängig ist. Wird die Fotodiode an einem Lastwiderstand betrieben, verhält sie sich ähnlich wie eine Solarzelle und erzeugt elektrische Energie, wenn sie mit Licht bestrahlt wird.
Der innere lichtelektrische Effekt hängt vom molekularen Aufbau des verwendeten Halbleitermaterials ab. Deshalb liegt das Maximum der Empfindlichkeit je nach Material in unterschiedlichen Bereichen des Lichtspektrums. Im unteren langwelligen Bereich liegt die Grenze für Silizium bei einer Wellenlänge von etwa 1.000 nm, für Germanium bei leicht unter 2.000 nm. Die Wellenlänge im oberen kurzwellige Bereich hängt von der Oberfläche des Halbleiters sowie dem Fenstermaterial des Gehäuses ab und liegttypischerweise bei einer Wellenlänge von etwa 400 nm.
Der lichtelektrische Effekt in Fotodioden hat eine sehr geringe Trägheit, deshalb kann dieser auf Lichtsignale im Nano- und Mikrosekundenbereich reagieren. Weil die Sperrschichtkapazität mit der Höhe der anliegenden Sperrspannung abnimmt, werden die Schaltzeiten bei höherer Spannung ebenfalls kürzer. Fotodioden kommen im Vergleich zu anderen lichtempfindlichen Bauelementen wie ein LDR (Fotowiderstand) oder ein Fototransistor auf deutlich höhere Schaltfrequenzen. Typisch sind maximal 10 MHz, PIN-Fotodioden, bei denen zwischen der n- und p-dotierten Zone ein undotierter Bereich liegt, erreichen sogar bis zu 1 GHz. Ein weiterer Vorteil von Fotodioden aus Silizium ist, dass sie im Betrieb nur geringe Rauschpegel erzeugen.
Fotodiode im 5 mm-Gehäuse und einer Wellenlänge von 940 nm
Die praktische Ausführung von Fotodioden hängt von deren jeweiligen Anwendungen ab. So unterscheiden sich die einzelnen Typen durch den Spektralbereich, in dem sie die höchste Empfindlichkeit aufweisen, sowie dem Erfassungswinkel des einfallenden Lichts, der typischerweise zwischen etwa 100 und maximal 1100 liegt. Dieser Winkel bestimmt, ob die Erfassung auf einen schmalen Sektor fokussiert ist oder in der Breite wirken soll.
Eingebaut sind die Halbleiterchips der Dioden in unterschiedlichen Gehäusetypen, die an die jeweiligen Anwendungen angepasst sind. So zum Beispiel in runden Gehäusen der 3-mm- oder 5-mm-Bauform (Bild 1), wie sie auch bei LEDs üblich ist. Bei diesen Typen besteht das Gehäusematerial entweder aus klarem Kunststoff oder solchem Kunststoff, der nur Infrarotstrahlung durchlässt. Andere Typen sind in kleinen bedrahteten Metallgehäusen TO-39 (Bild 2) untergebracht. Platzsparend sind die Fotodioden, die in oberflächenmontierbaren SMD-Gehäusen mit zwei oder drei Pins (Bild 3) untergebracht sind.
Metallgehäuse
Fotodiode im TO-39-Metallgehäuse und Erfassungswinkel von 55 °
SMD-Gehäuse
Fotodiode im SMD-Gehäuse mit zwei Pins und großer Erfassung
Fotodioden lassen sich in drei Betriebsarten verwenden:
- In Flussrichtung als Fotoelement, d. h. als Energiequelle,
- In Sperrrichtung im Kurzschlussbetrieb, z.B. zur Lichtmessung,
- In Sperrrichtung mit Vorspannung, wobei die Grenzfrequenz mit steigender Sperrspannung zunimmt.
Bei Betrieb als Fotoelement wird bei zunehmender Lichtstärke eine Leerlaufspannung erreicht. Weil diese im Sättigungsbereich liegt, steigt sie bei weiter zunehmender Lichtintensität nicht mehr an.
Im Kurzschlussbetrieb liefert die Fotodiode in Sperrrichtung einen Fotostrom, der über weite Bereiche linear proportional zur Beleuchtungsstärke ist. Das lässt genaue Messungen der Lichtstärke zu.
Zur Detektion schneller Lichtimpulse eignet sich die Betriebsart in Sperrrichtung, bei der die Diode vorgespannt ist. Anwendungen finden sich dafür beispielsweise in der optischen Datenübertragung.
Viele Anwendungen von Fotodioden arbeiten mit Infrarot-Licht, das für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Ein Beispiel ist die Empfängerschaltung für die IR-Signale der Fernsteuerungen von Geräten der Unterhaltungselektronik. Dafür gibt es Ausführungen mit entsprechenden optischen Filtern, so dass sichtbares Licht keinen störenden Einfluss auf die Funktion hat.
Was ist bei der Auswahl und beim Betrieb von Fotodioden zu beachten? Das wichtigste Auswahlkriterium von Fotodioden ist der Spektralbereich, d.h. der Bereich der Wellenlänge, in denen das Bauelement betrieben werden soll. In den Datenblättern wird dieser in Form einer Kurve dargestellt. Als weitere wichtige Parameter werden der Erfassungswinkel und manchmal die Größe der bestrahlungsempfindlichen Fläche der Fotodiode angegeben. Die Empfindlichkeit wird bei Normallicht in nA/lx gemessen. Der "Dunkelstrom" ist der Sperrstrom ohne Lichtbestrahlung. Dieser beträgt nur wenige nA.
Wie allen anderen Halbleitern sind auch Fotodioden hitzeempfindlich. Deshalb ist bei der Montage darauf zu achten, dass der Lötvorgang möglichst kurz ist. Im Betrieb macht sich mit zunehmender Temperatur wachsender Rauschpegel bemerkbar. Deshalb dürfen die in den Datenblättern angegebenen Grenzwerte für Temperatur und Verlustleistung nicht überschritten werden.