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Verschiedene Bauformen von Fotodioden

Fotodioden sind eine Art von Dioden, die auf einfallendes Licht reagieren. Der pn-Übergang ist bei Fotodioden optisch zugänglich.





Aufbau und Funktion

Innerer Aufbau einer Fotodiode
Fotodiode-Schaltbild.jpg
Schaltzeichen einer Fotodiode

Meist befindet sich zwischen den beiden dotierten Halbleiterschichten (p und n) ein undotierter Bereich (PIN-Dioden). Im Bereich des Überganges werden bei einfallendem Licht durch den inneren lichtelektrischen Effekt freie Elektronen aus der atomaren Struktur gelöst, die einen Fotostrom erzeugen.

Das Verhalten der Fotodiode kann weitgehend durch die Ersatzschaltung aus einer Diode parallel mit einer Stromquelle proportional zur Lichtintensität beschrieben werden. Bei kleinen Spannungen oder mit Spannung in Sperrrichtung ist der Strom über einen sehr großen Bereich proportional zur Intensität und relativ unabhängig von der Spannung. Bei Betrieb mit nur einem Lastwiderstand erzeugt die Fotodiode wie eine Solarzelle elektrische Energie. Die Leerlaufspannung ist annähernd proportional zum Logarithmus der Intensität.

Die langwellige Grenze der spektralen Empfindlichkeit von Fotodioden hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Bei Silizium liegt die Grenze bei ca. 1050 nm, die höchste spektrale Empfindlichkeit je nach Qualität bei ca. 800-900 nm. Bei Germanium liegt die Grenze ca. bei 1900 nm, also im Infrarot-Bereich. Die kurzwellige Grenze hängt vom Fenstermaterial und der Oberfläche des Halbleiters ab, typisch bei etwa 400 nm. Für Infrarot-Anwendungen gibt es Fotodioden mit integriertem Filter, die dann nur auf Infrarotlicht zwischen ca. 800 nm und ca. 1000 nm reagieren. Daneben gibt es auch Fotodioden speziell für den sichtbaren Bereich, die das IR-Licht unterdrücken (z.B. BPW21).

Die typische Empfindlichkeit liegt bei ca. 0,5 A/W bei 800 nm. In der Regel hat man also kleine Ströme im µA-Bereich und darunter.

Anwendungsbeispiele

Einfacher Verstärker für Fotodiode

Im Gegensatz zum Fotowiderstand haben Fotodioden eine geringe Trägheit und können auf Signale im Nano- und Mikrosekunden-Bereich reagieren. Die Schaltgeschwindigkeit hängt dabei von der Sperrspannung ab; je höher diese ist, desto kürzer werden die Schaltzeiten (bei Erhöhung der Sperrspannung wird die Kapazität der Sperrschicht geringer).


Das Bild rechts zeigt eine einfache Verstärkerschaltung, um eine Fotodiode an einen µC anzuschließen. Schaltzeiten bis etwa 20 µs sind so möglich.

Wegen der sehr guten Linearität werden für genaue Messungen der Lichtintensität in der Regel Fotodioden benutzt. Der Strom wird dabei oft mit einem als Transimpedanzverstärker geschalteten Operationsverstärker in eine Spannung umgewandelt.

Um sich das relativ starke IR-Signal z.B. einer Fernbedienung anzusehen, genügt es parallel zu einer Fotodiode (bevorzugt mit IR-Filter) einen Widerstand von etwa 1 kOhm zu schalten und die Spannung auf dem Oszilloskop darzustellen.


Schaltzeiten

Als Daumenregel zur Grenzgeschwindigkeit von Photodioden und Phototransistoren gilt:

Pin-Photo-Dioden kommen ca. auf 1GHz
Photo-Dioden erreichen Grenzfrequenzen von etwa 10MHz
Photo-Transistoren ca. 300kHz
Photo-Darlington-Transistoren ca. 30kHz.

Genaues steht wie immer im Datenblatt. (Richtwerte z.B. im Tietze/Schenk; danke Peter(TOO) für den Hinweis).

Vergleich bekannter Typen

Typ Bauform max.Empf.bei Bereich der Empf.10% empf. Fläche Halbwinkel Fotostrom typ. Schaltzeit
BP104 bedrahtet, flach, liegend 950nm 870...1050nm 7,5mm² +-65° 38µA 100ns
BPW21 Metallgehäuse bedrahtet, ɸ9x3mm 550nm 350...820nm 7,34 mm² +-55° 10µA 1,5µs
BPW24R Metallgeh. bedr. TO-18, ɸ4,7x6,2mm 900nm 600..1050nm 0,78 mm² +-12° 45-60µA 7ns
BPW34 flach 4,7x4,3x2mm, oben empfindl. 900nm 600...1050nm 7,5 mm² +-65° 40-70µA 100ns
BPW82 Ähnlich TO-92, seitlich empf. 950nm 790...1050nm 7,5mm² +-65° 38µA 100ns
BPX48 Ähnlich Optokopplergehäuse 900nm 400...1150nm 1,54 mm² +-60° 24µA 500ns
BPX48F Ähnlich Optokopplergehäuse 920nm 750...1150nm 1,54 mm² +-60° 7µA 500ns
BPX61 Metallgehäuse bedrahtet, ɸ9x3mm 850nm 400...1100nm 7 mm² +-55° 70 µA 20ns
BPX65 Metallgehäuse bedrahtet, ɸ4,6x5mm 850nm 350...1100nm 1 mm² +-40° 10µA 12ns
PD333 5mm 980nm 400...1200nm (50%)  ?  ? 40µA 45ns
SFH203 5mm 850nm 400...1100nm 1mm² +-20° 80µA 5ns
SFH203FA 5mm 900nm 800...1100nm 1mm² +-20° 50µA 5ns
SFH205F 5mm 950nm 800...1100nm 7mm² +-60° 60µA 20ns
SFH206K 5mm, seitlich empf. 850nm 400...1100nm 7mm² +-60° 80µA 20ns
SFH213 5mm 850nm 400...1100nm 1mm² +-10° 135µA 5ns
SFH213FA 5mm 900nm 750...1100nm 1mm² +-10° 90µA 5ns
SFH225FA flach, seitlich empf. 900nm 74...1120nm 4.84mm² +-60° 17µA 20ns
SFH229 3mm 860nm 380...1100nm 0,3mm² +-17° 9-27µA 10ns
SFH229FA 3mm 900nm 730...1100nm 0,3mm² +-17° 9-27µA 10ns
SFH2400 „SMT-Bauform“ (SMD, flach, 3Pins) 850nm 400...1100nm 1mm² +-60° 10µA 5ns
SFH2400FA „SMT-Bauform“ (SMD, flach, 3Pins) 900nm 750...1100nm 1mm² +-60° 6µA 5ns
SFH2500,
SFH2505
ähnlich 5mm LED 850nm 400...1100nm 1mm² +-15° 70-100µA 5ns
SFH2500FA,
SFH2505FA
ähnlich 5mm LED 900nm 750...1100nm 1mm² +-15° 70µA 5ns

Anmerkung: Fotodioden eines Typs können bei unterschiedlichen Herstellern geringfügig unterschiedliche Spezifikationen haben (vergleiche z.B. Datenblätter für BPW34).

Anmerkungen

Der Autor möchte hier weder die an anderen Stellen zu findenden Formelsammlungen wiedergeben, noch mit diesem Artikel ein Fachbuch ersetzen. Einzig die Grundlagen, die (aus eigener Erfahrung) für einen Hobby-Bastler von Interesse sind, sollen hier dargestellt werden.

Siehe auch

Weblinks

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