Ergänzung 1.13: Halbleiterfotodioden      (2/4)

Aufbau und Funktion einer Halbleiterfotodiode

Zu den auf der vorherigen Seite genannten Strömen in einer Halbleiterdiode kommt bei Fotodioden ein weiterer Strom hinzu, der von der Beleuchtung abhängt: der Fotostrom $I_{foto}$. Er ist proportional zur Helligkeit, weshalb Fotodioden für quantitative Lichtmessungen sehr gut geeignet sind. Für die Kennlinie einer Fotodiode gilt die entsprechend erweiterte Shockley-Gleichung:

Die folgende Grafik zeigt ihren Verlauf für gleichmäßig wachsende Beleuch­tungs­stärken.

Die Kennlinien einer Fotodiode mit zunehmender Beleuchtung ϕ. Wird die Diode in Sperrrichtung genutzt, spricht man vom fotoleitenden Betrieb, da eine Stromleitung fast ausschließlich durch den Fotoeffekt zustande kommt. In Durchlassrichtung genutzt ist dies der fotovoltaische Betrieb, bei dem zum Fotostrom der Durchlassstrom hinzu kommt.

Ein Vergleich mit der Diodenkennlinie auf der vorherigen Seite zeigt, dass der Durchlassstrom in der Grafik der Fotodiode auf kleine Werte beschränkt bleibt. Er spielt für Fotodioden tatsächlich eine untergeordnete Rolle. Wegen des unterschiedlichen Vorzeichens ist der Fotostrom dem Durchlassstrom ent­gegen­gerichtet. Daher werden Fotodioden ausschließlich in Bereichen der Kennlinie genutzt, in denen der Durchlassstrom sehr klein ist bzw. der Fotostrom dominiert.

Aus den Daten der Grafik kann man die Empfindlichkeit S im Vergleich zu Vakuum-Fotodioden und Photomultipliern abschätzen. 10 mW Strahlungs­leistung ergeben etwa 4 mA Fotostrom. Daher:

Dieser Wert ist etwa 10mal höher als bei Vakuum-Detektoren. Dies liegt daran, dass ein von einer Vakuum-Fotokathode absorbiertes Photon nicht immer zu einem freien Elektron führt. In Halbleitern müssen die Foto­elektronen nicht in das Vakuum übergehen; sie verbleiben im Halbleiter, was die Ausbeute erheblich verbessert. So erweist sich der innere Fotoeffekt in Halbleitern als sehr vorteilhaft verglichen mit dem äußeren Fotoeffekt der Vakuum-Fotokathoden.

Diese Detektoren lassen sich hinsichtlich ihrer Anwendung in zwei Gruppen unterteilen:

• Solarzellen (oder: photovoltaische Zellen), bei denen die abgegebene elektrische Leistung bzw. der Wirkungsgrad maximal sein soll. Sie arbeiten im fotovoltaischen Betrieb. Zeitliche Signaländerungen etwa durch wechselnde Bewölkung ver­laufen langsam; die Zellen müssen daher nicht schnell sein. Sie bestehen überwiegend aus Silizium, aber auch aus anderen Halbleitern bis hin zu organischen Materialien, mit kristalliner oder auch amorpher Struktur. Größen wie Wirkungsgrad, Lebensdauer, Verfügbarkeit von Rohstoffen und Herstellungskosten stehen im Vordergrund. Diese Themen werden hier nicht weiter vertieft.
• Fotodioden im engeren Sinne, mit möglichst hoher Empfindlichkeit und schnellem Zeitverhalten, um auch geringe Helligkeiten und hohe Signalfrequenzen oder kurze Laserpulse messen zu können. Dies wird mit pin-Dioden erreicht. Bei pin-Dioden ist zwischen der p- und n-dotierten Schicht eine undotierte oder neutral dotierte Schicht vorhanden ist: die i-Schicht. i steht für intrinsisch, d.h. eigenleitend. Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau dieser Dioden. Aber auch pn-Fotodioden sind gebräuchlich, da sie ohne Vorspannung (d.h. im Kurzschluss betrieben) rauschärmer als pin-Dioden sind.

Aufbau einer pin-Fotodiode. Die p-Schicht ist wegen der starken Lichtabsorption in Silizium nur etwa 0,1 µm dick. Daher findet der Fotoeffekt vor allem in der etwa 10 bis 100 µm dicken i-Schicht statt. Die n-Schicht ist etwa 100 bis 200 µm dick.

Eine äußere Spannung in Sperrichtung (fotoleitender Betrieb) saugt die beweglichen Ladungsträger aus der i-Schicht ab, die sich dadurch wie ein Isolator verhält. Das elektrische Feld der äußeren Spannung bleibt daher auf die i-Schicht beschränkt. Bei Beleuchtung entstehen durch den inneren Fotoeffekt Elektronen und Defektelektronen in der i-Schicht. Durch das elektrische Feld werden die Elektronen sehr schnell in Richtung der p-Schicht und die Defektelektronen in Richtung der n-Schicht beschleunigt, durchqueren diese Schichten, erreichen die elektrischen Anschlüsse der Diode und stehen als Fotostrom zur Verfügung. Ohne elektrisches Feld in der i-Schicht würden die Ladungsträger durch eine langsame Diffusion zu den Anschlüssen gelangen. Dies vergrößert die Rate unerwünschter Rekombination von Elektronen und Defektelektronen und verringert somit die Empfindlichkeit der Diode.

Elektrisch betrachtet ist die Fotodiode einem Plattenkondensator ähnlich, wobei die beiden Platten aus den p- und n-Schichten des Halbleiters bestehen. Die Erzeugung eines an Ladungsträgern verarmten Bereichs in der i-Schicht durch die externe Spannung verhält sich analog zum Aus­einander­ziehen der Kondensatorplatten, was zu einer Verkleinerung der Kapazität führt. Dies ermöglicht höhere Grenzfrequenzen für die Messung hoch­frequenter Lichtsignale.