Fotodioden sind eine Art von Dioden, die auf einfallendes Licht reagieren. Der pn-Übergang ist bei Fotodioden optisch zugänglich.
Inhaltsverzeichnis
Aufbau und Funktion
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
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
Autor
- Williwilli 17:26, 17. Okt 2008 (CEST)<br\>
- Besserwessi
- BMS (Tabelle)
