Informations- und Kommunikationstechnik

Lichtempfindliche Halbleiter – Fotodioden

Wie bei einem lichtempfindlichen Widerstand, einem Halbleiter-LDR, wird auch bei der Fotodiode durch Lichtenergie die Leitfähigkeit verändert. Im Gegensatz zum LDR ist die Fotodiode aus einem p- und n-dotierten Halbleiter aufgebaut. Sie besitzt wie jede andere Diode einen pn-Übergang. Einfallendes Licht geeigneter Wellenlängen erzeugt in den Halbleitern durch Paarbildung freie Ladungsträger. Sie wandern in die Raumladungszone und erhöhen dort den Sperrstrom. Die Arbeitsweise der Fotodioden beruht auf dem inneren fotoelektrischen Effekt.

Fotodioden verhalten sich unbeleuchtet wie normale Dioden. Zur Lichtmessung werden sie in Sperrrichtung betrieben. Im Dunkeln ist der messbare Sperrstrom sehr gering. Die Raumladungszone, die Sperrschicht, ist fast frei von Ladungsträgern, da die zu geringe thermische Bewegungsenergie kaum Elektronen-Lochpaare erzeugt.

Fotodiode mit Kennlinienfeld

Der Videoclip zeigt die prinzipielle Arbeitsweise eine Fotodiode in Planartechnik. Auf eine dünne hoch dotierte p-Halbleiterschicht folgt ein n-Halbleiter, dadurch bildet sich eine breite Raumladungszone. Einfallendes Licht mit ausreichend hoher Energie bricht die Gitterbindungen auf und es bilden sich Ladungsträgerpaare. Diese wandern von den Potenzialen der angelegten Spannung entsprechend ihrer Polarität zur p- und n-Randschicht. Die Elektronen (blau), nutzen das Leitungsband. Die Löcher (rot) 'springen', da sie auf ihrem Weg von benachbarten Elektronenbindungen immer wieder aufgefüllt werden und ein neues Loch hinterlassen.

Beide Ladungsträger durchqueren die Sperrschicht und erhöhen dort den Sperrstrom. Für den Ladungsausgleich sorgt die Betriebsspannungsquelle. Die Änderung des Sperrstroms, der Fotostrom ist direkt proportional zur Lichtintensität. Ändert sich die Lichtintensität, so folgt die Stromänderung im Gegensatz zum LDR fast unverzögert. Die Fotodioden erfassen somit auch hochfrequente Lichtsignale und eignen sich gut als Empfänger für eine optische Informationsübertragung im Infrarot-(IR)-Bereich.

Halbleitermaterial Wellenlängenbereich / nm
GaP – Metall 190 ... 550 UV ... sichtbar
GaAsP 300 ... 680 UV ... sichtbar
Si < 1100 nahes IR
GaAlAsSb 750 ... 1900 sichtbar ... nahes IR
Ge 800 ... 1700 nahes IR
InGaAlAs 800 ... 1600 nahes IR
InGaAsP 1000 ... 1600 nahes IR
InAs < 3500 mittleres IR
InSb < 5600 fernes IR

Avalanche-Fotodiode

Eine in Sperrrichtung betriebene Diode bildet eine breite Raumladungszone aus. Normalerweise reicht die thermische Energie zur Paarbildung von Ladungsträgern nicht aus, sodass die Sperrschicht hochohmig und der Sperrstrom extrem gering bleibt. Bei Erhöhen der Sperrspannung nimmt die elektrische Feldstärke in der Raumladungszone zu. Durchqueren Ladungsträger dieses Feld, dann erfahren sie eine starke Beschleunigung. Ihre Energiezunahme kann dabei so groß werden, dass sie durch Stoßionisation einige Valenzelektronen aus den Kristallgitterbindungen herausschlagen und neue Ladungsträgerpaare erzeugen. Diese Elektronen und Löcher werden durch das E-Feld in entgegengesetzte Richtungen bewegt und erhöhen den Sperrstrom.

Einige wenige Ladungsträger generieren auf diese Weise viele neue Ladungsträgerpaare. Der Vorgang entspricht dem Entstehen einer Lawine und wird Lawinendurchbruch genannt (englisch: avalanche). Der Lawineneffekt durch Stoßionisation ist umkehrbar und kommt mit abnehmender Feldstärke zum Stillstand. Im äußeren Stromkreis wird eine deutliche Sperrstromspitze gemessen. Oberhalb der kritischen Durchbruchspannung reicht dann die Feldstärke aus, um die Ladungsträger auf ihrem Weg mehrfach zu beschleunigen. Der Prozess der Stoßionisation bleibt bestehen und der Sperrstrom nimmt einen kontinuierlich hohen Wert an.

Die speziellen Lawinenfotodioden oder Avalanche Photodiodes (APDs) arbeiten aufgrund des fotoelektrischen Effekts und vervielfachen den Photonenstrom mithilfe des beschriebenen Lawineneffekts. Mit APDs lassen sich sogar einzelne Photonen zählen. Durch die Vervielfachung der Ladungsträger haben diese Dioden eine hohe Empfindlichkeit für Licht geeigneter Wellenlänge. Sie sind auf Halbleiterbasis das Gegenstück zu den wesentlich größeren und komplizierter zu handhabenden Vakuum-Fotomultipliern, die den äußeren Fotoeffekt nutzen, und mit Hochspannung betrieben werden müssen. Die ADP arbeitet im Sperrbereich und erreicht Verstärkungsfaktoren um 100. Bei negativer Vorspannung werden durch absorbierte Photonen Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Der Lawineneffekt tritt nach einer Beschleunigung der Elektronen auf, die mit weiteren Halbleiterteilchen kollidieren und neue Ladungsträgerpaare erzeugen.

Lawinenfotodiode, Schichtaufbau

Die Darstellung zeigt Photonen, die eine dünne hoch dotierte p-Halbleiterschicht durchdringen und dort Ladungsträgerpaare erzeugen. In diesem schmalen Absorptionsbereich wird im Idealfall die optische Energie in elektrische Energie umgesetzt. Die Elektronen wandern in die n-Schicht ein und werden entsprechend der außen angelegten hohen Sperrspannung vom elektrischen Feld stark beschleunigt. Dieser Bereich ist die Multiplikations- oder Lawinenzone. Erreicht die kinetische Energie der Teilchen einen ausreichend hohen Betrag, werden durch Stoßionisation weitere Ladungsträgerpaare generiert. Beim Durchlaufen des elektrischen Feldes lassen sich von Elektronen als auch von Löchern, den Defektelektronen neue Ladungsträgerpaare erzeugen.

Bleibt die Sperrspannung etwas unterhalb der kritischen Durchbruchspannung, so löscht sich der Lawineneffekt selbst. Die APD hat eine weitgehend lineare Abhängigkeit von der Lichtintensität. Etwas oberhalb der Durchbruchspannung fließt nach der ersten Anregung ein nichtlinear ansteigender Fotostrom. Durch eine geeignete Außenschaltung muss daher vor einem neuen Photonennachweis die Lawine gelöscht werden. Das kann passiv und automatisch durch einen in Reihe geschalteten Arbeitswiderstand geschehen. Während des Löschvorgangs kann die APD keine einfallenden Photonen registrieren. Durch aktive Vorspannungsumschaltung mit Transistoren lässt sich die Totzeit verkürzen.

Die Industrie bietet Avalanche-Fotodioden für einen weiten Wellenlängenbereich an. Mit dem Halbleitermaterial Silizium Si werden 400 ... 1100 nm, mit Germanium Ge 800 ... 1500 nm und bei Indium-Gallium-Arsenid InGaAs 900 ... 1700 nm erfasst. Die Ansprechzeiten der Detektoren sind mit 2 ... 0,1 ns sehr kurz. Sie eignen sich zum Empfang hochfrequenter Signale im Bereich der Glasfasertechnik.