Informations- und Kommunikationstechnik

Lichtabhängiger Widerstand – LDR

Halbleiterwerkstoffe haben eine geringe Eigenleitfähigkeit. Es wird zwischen elementaren Halbleitern und Verbindungshalbleitern unterschieden. Sehr bekannte elementare Halbleiter sind Silizium (Si), Germanium (Ge), Bor (B) und Selen (Se). Einige altbekannte Verbindungshalbleiter sind Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumselenid (CdSe), Siliziumcarbid (SiC), Zinkoxid (ZnO) und Zinksulfid (ZnS). Alle Halbleiter haben die Eigenschaft bei Temperaturerhöhung ihre elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Sie gehören zu den Bauteilen mit einem negativen Temperatur-Koeffizienten (NTC). Bei reinen Halbleitern sind fast alle Außenelektronen der Elemente für den Aufbau des Kristallgitters fest gebunden und befinden sind im Valenzband (VB). Das energetisch höher liegende Leitfähigkeitsband (LB) ist fast leer. Die Stromleitung ist von der Zahl der freien Elektronen abhängig und somit extrem gering. Zwischen dem VB und LB liegt eine von Elektronen nicht nutzbare Bandlücke, auch verbotene Zone genannt.

Ist die von außen zugeführte Energie größer als die Energiebandlücke der atomaren oder molekularen Struktur, so können Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband wechseln. Im Valenzband bleibt eine positive Ladung oder Elektronenloch (Defektelektron) zurück. Wärmestrahlung und Licht unterscheiden sich physikalisch nur durch ihre Wellenlängen. Die Paarbildung der Ladungsträger im Halbleiter mit freien Elektronen im LB und Defektelektronen im VB kann daher auch beim Bestrahlen mit Licht geeigneter Wellenlänge und Intensität erfolgen. Die entstehenden Ladungsträgerpaare erhöhen die Leitfähigkeit und verringern den Widerstandswert des Halbleiters. Diese Bauteile werden Fotowiderstand oder LDR, light dependent resistor) genannt.

LDR Energieband

Der fotoelektrische Effekt ist eine Wechselwirkung zwischen Materie und Photonen, den Lichtquanten definierter elektromagnetischer Strahlung. Da der Wechsel der Ladungsträger vom VB ins LB nur innerhalb des Halbleiters stattfindet und die Elektronen den Halbleiter nicht verlassen, wird der Vorgang als innerer fotoelektrischer Effekt bezeichnet. Die LDR-Halbleiter erzeugen keine pn-Übergänge und sind von der Polung des elektrischen Stroms unabhängig. Für Silizium wurde im Bändermodell eine Energielücke von 1,14 eV ermittelt. Mit dem Planck'schen Wirkungsquantum h = 6,625·10−34 Ws2 kann die minimal notwendige Frequenz und mit der Lichtgeschwindigkeit c die zugehörige Wellenlänge λ des Lichtes errechnet werden, die den Fotoeffekt erstmals auslösen kann.

Berechnung der Wellenlänge

Für Silizium liegt die Mindestwellenlänge im nahen Infrarot, einem definierten Bereich von 1400 nm bis 780 nm. Das menschliche Auge nimmt Licht im Wellenlängenbereich von Rot mit 780 nm bis Violett bei 380 nm wahr. Ein LDR auf Si-Halbleiterbasis ist auch für sichtbares Licht empfindlich, da diese Energie größer ist als die der Bandlücke.

Aufbau und Eigenschaft

Bei größeren LDR-Widerständen ist eine mäanderförmige Struktur zu erkennen. Auf eine nicht leitende Trägerplatte sind kammförmig ineinander greifende aber gegeneinander isolierte Kupferelektroden aufgebracht. Dazwischen befindet sich der Halbleiterwerkstoff, dessen Kontaktfläche durch die Mäanderform stark vergrößert ist. Der Widerstand ist durch einen Glaskolben oder eine klare Kunststoffumhüllung geschützt. Der Dunkelwiderstand ist sehr hoch und liegt teilweise im unteren MΩ-Bereich. Der Hellwiderstand ist von der Beleuchtungsstärke abhängig und kann Werte unterhalb 1 kΩ erreichen. Die Reaktionszeit zwischen dunkel und hell liegt normalerweise im Bereich mehrerer Millisekunden. Bei einigen Halbleitern kann es auch Stunden dauern, bis nach dem Beenden der Lichtanregung der Dunkelwiderstand wieder erreicht wird.

LDR-Spektraldiagramm

Die verschiedenen Halbleiterwerkstoffe haben ihre höchste Lichtempfindlichkeit bei unterschiedlichen Wellenlängen. Je breiter die verbotene Zone im Bändermodell ist, desto mehr Energie muss aufgebracht werden, um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu überführen. Die Energieaufnahme erfolgt gequantelt und nicht kontinuierlich. Das Diagramm stellt die spektrale Empfindlichkeit einiger wichtiger LDR-Halbleiter dar. Vielfach werden keine reinen Halbleiter verwendet. Durch die geeignete Wahl der Verbindungshalbleiter wie Cadmiumsulfid (CdS) oder Cadmiumselenid (CdSe) kann der Bandabstand und damit die spektrale Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich gut angepasst werden. Inzwischen sind die 'traditionellen' LDR durch moderne Fotodioden und -Transistoren abgelöst worden.

Eingesetzt werden (wurden) LDR zur Lichtstärkemessung und in Schaltungen zur lichtabhängigen Steuerung sofern keine kurzen Reaktionszeiten gefordert sind. Die Widerstandsänderung wird als proportionale Spannungsänderung in einer Reihenschaltung mit einem ohmschen Arbeitswiderstand gemessen. Die Versorgungsspannung kann eine stabilisierte Gleich- oder Wechselspannung sein. Die Bemessung der Schaltung richtet sich nach dem Strom-Spannungs-Kennlinienfeld des jeweiligen Fotowiderstands. Zu beachten sind die vom Hersteller angegebenen Grenzwerte für die maximale Verlustleistung, die höchste zugelassene Arbeitsspannung und Umgebungstemperatur. LDRs gleicher Bauart weisen immer einen größeren Streubereich auf.

Kennlinienfeld

Das Diagramm zeigt das Kennlinienfeld eines LDR Fotowiderstands. Der Hersteller gibt die Verlustleistung mit 100 mW an. Die Betriebsspannung soll 20 V betragen. Der Arbeitswiderstand muss so gewählt werden, dass seine Widerstandsgerade unterhalb der Verlustleistungshyperbel bleibt. Der Widerstand R = 1,2 kΩ erfüllt diese Bedingung. Bei einer Beleuchtungsstärke von 10 lx beträgt die Spannung U2 am LDR 17 V und bei 1000 lx verbleiben nur noch 5 V.