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2025-10-14T14:40:09Z

Schrotrauschen

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[[Datei:Fotodio.jpg|mini|Verschiedene Bauformen von Photodioden]]
Eine '''Photodiode''' oder auch '''Fotodiode''' ist eine [[Halbleiter]]-[[Diode]], die [[Licht]] – im sichtbaren, [[Infrarotstrahlung|IR]]- oder [[UV]]-Bereich, oder bei Verwendung von [[Szintillator]]en auch [[Röntgenstrahlung|Röntgenstrahlen]] – an einem [[p-n-Übergang]] oder [[pin-Diode|pin-Übergang]] durch den [[Photoelektrischer Effekt#Innerer photoelektrischer Effekt|inneren Photoeffekt]] in einen [[Elektrischer Strom|elektrischen Strom]] umwandelt oder – je nach Beschaltung – diesem einen beleuchtungsabhängigen [[Elektrischer Widerstand|Widerstand]] bietet. Sie wird unter anderem verwendet, um Licht in eine [[elektrische Spannung]] oder einen elektrischen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen.

== Aufbau ==
[[Datei:Photodiode-closeup.jpg|mini|Nahaufnahme einer Photodiode]]
Photodioden werden aus Element[[halbleiter]]n wie [[Silizium]], [[Germanium]] oder aus [[Verbindungshalbleiter]]n wie [[Indiumgalliumarsenid]] hergestellt.<ref>{{Webarchiv |url=http://sales.hamamatsu.com/de/produkte/solid-state-division/ingaas-pin-photodiode/standard-type.php |text=Archivierte Kopie |wayback=20100106104139}}</ref> In folgender Tabelle sind einige übliche Werkstoffe für verschiedene Typen von Photodioden und der Bereich der nutzbaren optischen Empfindlichkeit angegeben:<ref>{{Literatur |Autor=Gilbert Held |Titel=Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications |Verlag=CRC Press |Datum=2008 |ISBN=1-4200-7662-0 |Kapitel=Kapitel 5 |Seiten=116}}</ref>

{| class="wikitable"
|-
! Halbleitermaterial !! Empfindlichkeit [[Wellenlänge]] (nm)
|-
| [[Silizium]] || {{0|0.}}190 –{{0}}1.100
|-
|[[Siliciumcarbid|Siliziumkarbid]]
|{{0|0.}}200 – {{0|0.}}355<ref>Michael Schraml, Niklas Papathanasiou, Alexander May, Tilman Weiss, Tobias Erlbacher: ''Towards Sic-Based VUV Pin-Photodiodes - Investigations on 4H-SiC Photodiodes with Shallow Implanted Al Emitters'', {{DOI|10.4028/p-959z1t}}, Mai 2023</ref>
|-
| [[Germanium]]|| {{0|0.}}400 –{{0}}1.700
|-
| [[Quecksilber-Cadmium-Tellurid]]|| {{0|0.}}400 – 14.000
|-
| [[Indiumgalliumarsenid]]|| {{0|0.}}800 –{{0}}2.600
|-
| [[Blei(II)-sulfid]]|| 1.000 –{{0}}3.500
|-
| [[Cadmiumtellurid]] || 5.000 – 20.000
|}

Der Bereich des sichtbaren [[Licht]]s liegt, zum Vergleich, bei Wellenlängen zwischen 380 nm bis 780 nm.

Aufgrund der größeren [[Bandlücke]] von Silizium weisen Photodioden aus Silizium ein vergleichsweise geringes [[Rauschen (Physik)|Rauschen]] auf. Photodioden für Anwendungen im Bereich des mittleren Infrarot basierend auf Cadmiumtellurid, müssen zur Minimierung des Rauschens gekühlt werden, beispielsweise mit flüssigem [[Stickstoff]], weil die Wärmebewegung bei [[Raumtemperatur]] ausreicht, um Elektronen vom [[Valenzband]] ins [[Leitungsband]] zu heben. Dadurch wird der [[Dunkelstrom]] dieser Photodioden bei Raumtemperatur so groß, dass das zu messende Signal darin untergeht. Ein zweiter Grund für die Kühlung ist die ansonsten stattfindende Überlagerung der IR-Strahlung des Sensorgehäuses selbst.

Photodioden zur Lichtmessung besitzen einen [[Tageslichtfilter]], welcher die Empfindlichkeit im roten und infraroten Spektralbereich begrenzt und die Empfindlichkeitskurve an die [[V-Lambda-Kurve|des Auges]] angleicht. Dagegen besitzen Photodioden zum Empfang [[infrarot]]er Signale (wie in [[Fernbedienung]]en) einen [[Tageslicht]]-[[Bandsperre|Sperrfilter]]. Sie sind zum Beispiel in dunkel eingefärbtem [[Harz (Material)#Kunstharz|Kunstharz]] vergossen und dadurch vor Störungen durch sichtbares Licht geschützt.

Eine typische Silizium-Photodiode besteht aus einem schwach n-[[Dotierung|dotierten]] Grundmaterial mit einer stärker dotierten Schicht auf der Rückseite, die den einen Kontakt (Kathode) bildet. Die lichtempfindliche Fläche wird definiert durch einen Bereich mit einer dünnen p-dotierten Schicht an der Vorderseite. Diese Schicht ist dünn genug damit das meiste Licht bis zum p-n-Übergang gelangen kann. Der elektrische Kontakt ist meistens am Rand.<ref>{{Webarchiv |url=http://sales.hamamatsu.com/assets/html/ssd/si-photodiode/index.htm |text=Archivierte Kopie |wayback=20070104122603}}</ref> Auf der Oberfläche ist eine Schutzschicht als Passivierung und [[Antireflexbeschichtung|Antireflexionsschicht]]. Oft befindet sich vor der Photodiode zusätzlich ein lichtdurchlässiges Schutzfenster oder sie befindet sich in transparentem Vergussmaterial.

PIN-Photodioden weisen durch die [[Halbleiter#Eigenhalbleiter und Störstellenhalbleiter|intrinsische Schicht]] zwischen p- und n-Schicht im Allgemeinen eine höhere zulässige [[Sperrspannung]] und eine geringere [[P-n-Übergang|Sperrschichtkapazität]] ''C''S auf. Dadurch wird die [[Bandbreite]] vergrößert. Im Gegensatz zu [[Photowiderstand|Photowiderständen]] (LDR) besitzen Photodioden wesentlich kürzere Ansprechzeiten. Typische [[Grenzfrequenz]]en von Photodioden liegen bei etwa 10 MHz, bei pin-Photodioden bei über 1 GHz.

Die [[Lateraldiode]] ist eine spezielle Bauform einer Photodiode, um beispielsweise die Position eines Laserstrahls zu erfassen.

Neuere Experimente widmen sich der Stromgewinnung durch Infrarotstrahlung ([[Wärmestrahlung]]) mit [[Quecksilber-Cadmium-Tellurid]]-Photodioden.<ref>{{Literatur |Autor=Michael P. Nielsen, Andreas Pusch, Muhammad H. Sazzad, Phoebe M. Pearce, Peter J. Reece |Titel=Thermoradiative Power Conversion from HgCdTe Photodiodes and Their Current–Voltage Characteristics |Sammelwerk=ACS Photonics |Band=9 |Nummer=5 |Datum=2022-05-18 |ISSN=2330-4022 |DOI=10.1021/acsphotonics.2c00223 |Seiten=1535–1540 |Online=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.2c00223 |Abruf=2022-05-27}}</ref>

== Funktion ==
[[Datei:Empfindlichkeit silizium photodiode.svg|mini|Empfindlichkeit einer Silizium-Photodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts]]
Treffen [[Photon]]en ausreichender Energie auf das Material der [[Diode]], so werden [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträger]] ([[Elektron-Loch-Paar]]e) erzeugt. In der [[Raumladungszone]] driften die [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträger]] schnell entgegen der [[Diffusionsspannung]] in die gleichartig [[Dotierung|dotierten]] Zonen und führen zu einem [[Elektrischer Strom|Strom]]. Außerhalb der Raumladungszone erzeugte Ladungsträger können auch zum Strom beitragen. Sie müssen aber erst per Diffusion bis zur Raumladungszone gelangen. Dabei geht ein Teil durch [[Rekombination (Physik)|Rekombination]] verloren und es entsteht eine kleine Verzögerung.<ref>{{Literatur |Autor=Hari Singh Nalwa |Titel=Photodetectors and Fiber Optics |Verlag=Gulf Professional Publishing |Datum=2001 |ISBN=978-0-12-513908-3 |Seiten=314 |Online=S. 314}}</ref> Ohne externe Verbindung der Anschlüsse entsteht an diesen eine messbare Spannung gleicher Polarität wie die [[Flussspannung|Durchflussspannung]] (Sättigung). Sind die Anschlüsse miteinander elektrisch verbunden oder befinden sie sich an einer Spannung in Sperrrichtung der Diode, fließt ein ''Photostrom'', der proportional zum Lichteinfall ist.

Die [[Photon]]en müssen eine höhere Energie als die der [[Bandlücke]] aufweisen, um diesen Effekt hervorzurufen, bei [[Silizium]] z. B. mehr als 1,1 [[Elektronenvolt|eV]].

Der [[Photostrom]] ist über viele Größenordnungen linear zum Lichteinfall, wenn keine [[Sättigung (Wachstum)|Sättigung]] eintritt. Im Idealfall trägt jedes Lichtquant, das eine Energie besitzt, die größer als die charakteristische [[Energielücke]] (Bandabstand) des [[Halbleiter]]s ist, zum Strom bei. Praktisch ist der Wert jedoch kleiner und wird als [[Quantenausbeute]] bezeichnet. Die Reaktionszeit ist bei geeigneter Beschaltung sehr kurz; sie kann bis herab zu Bruchteilen einer [[Nanosekunde]] betragen.

Wenn von außen eine Spannung in Sperrrichtung der Diode angelegt wird, fließt selbst bei Dunkelheit ein kleiner Strom. Dieser wird [[Dunkelstrom]] (''I''D) genannt. Er hängt [[Exponentielles Wachstum|exponentiell]] von der [[Temperatur]] der Photodiode ab. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Photodioden.

Der [[Fototransistor]] ist die Kombination einer Photodiode und eines [[Bipolartransistor]]s und entsteht dadurch, dass Lichteinfall auf die als Photodiode fungierende Basis-Kollektor-Sperrschicht möglich ist. Der [[Photostrom]] ist um den Stromverstärkungsfaktor des Transistors höher, die [[Grenzfrequenz]] ist niedriger. Ähnlich gibt es Foto-[[Sperrschicht-Feldeffekttransistor]]en und [[Fotothyristor]]en.

Photodioden können zur Erkennung kleinster Lichtmengen eingesetzt und für hochpräzise Messungen von [[Strahlungsintensität]]en von 1 pW/cm² bis über 100 mW/cm² kalibriert werden. Planar diffundierte Silizium-Photodioden sind Dioden mit [[p-n-Übergang]]. Ein p-n-Übergang kann durch Diffusion einer Verunreinigung, wie z. B. Bor, in einen Siliziumwafer mit n-Kanal oder einer Verunreinigung, wie z. B. Phosphor, in einen Siliziumwafer mit p-Kanal gebildet werden. Der diffundierte Bereich definiert die aktive Fläche der Photodiode. Die Kontaktflächen werden auf definierten Flächen des vorderen aktiven Bereichs und auf der Rückseite abgeschieden, sodass das Bauteil vollständig bedeckt ist. Der aktive Bereich wird anschließend mit einer Antireflexbeschichtung passiviert, um die Lichtreflexion für eine bestimmte, vordefinierte Wellenlänge zu reduzieren. Der nicht aktive Bereich auf der Oberseite wird mit einer dicken Schicht [[Siliziumdioxid]] überzogen. Durch die Dicke des Substrats lassen sich Geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Photodiode steuern.

[[Silizium]] ist ein [[Halbleiter]] mit einer [[Bandlücke]] von 1,12 [[Elektronenvolt|eV]] bei [[Raumtemperatur]]. Dies ist die Lücke zwischen dem [[Valenzband]] und dem [[Leitungsband]]. Beim [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]] ist das Valenzband vollständig gefüllt und das Leitungsband frei. Bei steigender Temperatur werden die Elektronen angeregt und steigen durch [[thermische Energie]] vom Valenzband in das Leitungsband auf. Die [[Elektron]]en können auch durch Teilchen oder [[Photon]]en mit Energien über 1,12 eV, was [[Wellenlänge]]n unter 1100 [[Nanometer|nm]] entspricht, ins Leitungsband gehoben werden. Die entstehenden Elektronen im Leitungsband können ungehindert Strom leiten.

Aufgrund des Konzentrationsgradienten entsteht durch die Diffusion von Elektronen vom n-Bereich in den p-Bereich und durch die Diffusion von Löchern vom p-Bereich in den n-Bereich eine Eigenspannung über der Verbindung. Die gegenseitige Diffusion von Elektronen und Löchern zwischen den n-Bereichen und p-Bereichen über die Verbindung führt zu einer Region ohne freie [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträger]]. Dies ist die [[Verarmungszone]]. Die Eigenspannung über der Verarmungszone erzeugt ein [[elektrisches Feld]] mit einem Maximum an der Verbindung und keinem Feld außerhalb der Verarmungszone. Jede angelegte Sperrvorspannung erhöht die Eigenspannung und führt zu einer breiteren Verarmungszone. Der erzeugte Strom ist [[Proportionalität|proportional]] zur einfallenden [[Strahlungsleistung]]. Die [[Lichtabsorption]] nimmt exponentiell mit der Entfernung zu und ist [[Proportionalität|proportional]] zum [[Absorptionskoeffizient]]en. Der Absorptionskoeffizient ist für kürzere Wellenlängen im UV-Bereich sehr hoch und für längere Wellenlängen gering. Daher werden kurzwellige [[Photon]]en, wie z. B. [[Ultraviolettstrahlung]], in einer dünnen Oberflächenschicht absorbiert, während Silizium für Lichtwellenlängen über 1200 nm transparent wird. Darüber hinaus werden Photonen mit Energien kleiner als die [[Bandlücke]] überhaupt nicht absorbiert.<ref>Massachusetts Institute of Technology: [https://web.mit.edu/6.101/www/reference/Photodiode_Characteristics.pdf ''Photodiode Characteristics and Applications'']</ref><ref name=":0">OSI Optoelectronics: [https://www.osioptoelectronics.com/media/pages/knowledgebase/b954012b64-1675100541/an-photodiode-parameters-and-characteristics.pdf ''Photodiode Characteristics and Applications'']</ref>

== Elektrische Eigenschaften ==

=== Serienwiderstand ===
Der Serienwiderstand einer Photodiode ergibt sich aus dem Widerstand der Kontakte und dem Widerstand des Siliziums:

:<math>R_S = \frac{(W_S - W_d) \cdot \rho}{A} + R_C</math>

Dabei ist <math>W_S</math> die Dicke des Substrats, <math>W_d</math> die Breite des verarmten Bereichs, <math>A</math> die Diffusionsfläche des [[P-n-Übergang|p-n-Übergangs]], <math>\rho</math> der [[Spezifischer Widerstand|spezifische Widerstand]] des Substrats und <math>R_C</math> der [[Kontaktwiderstand]]. Der Serienwiderstand dient zur Bestimmung der Linearität der Photodiode im Photovoltaikbetrieb ohne Vorspannung. Obwohl eine ideale Photodiode keinen Serienwiderstand aufweisen sollte, werden typische Werte zwischen 10 und 1000 [[Ohm|Ω]] gemessen.

=== Sperrschichtkapazität ===
Die [[Sperrschichtkapazität]] ist direkt [[Proportionalität|proportional]] zur Diffusionsfläche und [[umgekehrt proportional]] zur Breite der Verarmungszone. Substrate mit höherem [[Spezifischer Widerstand|spezifischen Widerstand]] weisen zudem eine geringere Sperrschichtkapazität auf. Die Sperrschichtkapazität hängt wie folgt von der [[Sperrspannung]] ab:

:<math>\begin{align}
C_J &= \frac{\epsilon_{Si} \cdot \epsilon_0 \cdot A}{W_d} \\
&= \frac{\epsilon_{Si} \cdot \epsilon_0 \cdot A}{\sqrt{2 \cdot \epsilon_{Si} \cdot \epsilon_0 \cdot \mu \cdot \rho \cdot (V_A + V_{bi})}} \\
&= A \cdot \sqrt{\frac{\epsilon_{Si} \cdot \epsilon_0}{2 \cdot \mu \cdot \rho \cdot (V_A + V_{bi})}} \\
\end{align}</math>

Dabei ist <math>\epsilon_0</math> ist die [[Permittivität]] des freien Raums, <math>\epsilon_{Si}</math> die [[Dielektrizitätskonstante]] von Silizium, <math>\mu = 1400 \ \tfrac{\mathrm{cm}^2}{\mathrm{V} \cdot \mathrm{s}}</math> die [[Elektronenbeweglichkeit]] bei 300 K, <math>\rho</math> der spezifische Widerstand von Silizium, <math>V_{bi}</math> die interne Spannung von Silizium und <math>V_A</math> die angelegte [[Elektrische Spannung|Spannung]]. Die Sperrschichtkapazität wird verwendet, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Photodiode zu bestimmen.<ref name=":0" />

== Optische Eigenschaften ==

=== Lichtempfindlichkeit ===
Die Empfindlichkeit einer Silizium-Photodiode ist ein Maß für die Lichtempfindlichkeit und wird als Verhältnis des Photostroms I P zur einfallenden Lichtleistung P bei einer bestimmten [[Wellenlänge]] definiert.

:<math>R_\lambda = \frac{I_P}{P}</math>

Sie ist ein Maß für die Effektivität der Umwandlung der Lichtleistung in [[Elektrischer Strom|elektrischen Strom]]. Sie variiert mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts sowie der angelegten [[Sperrspannung]] und der [[Temperatur]]. Die Empfindlichkeit steigt mit angelegter Sperrspannung leicht an, da sich die Ladungssammlungseffizienz in der Photodiode verbessert. Temperaturbedingte Empfindlichkeitsschwankungen treten ebenfalls auf. Dies ist auf die Verringerung bzw. Vergrößerung der [[Bandlücke]] infolge steigender bzw. fallender Temperatur zurückzuführen.

=== Quanteneffizienz ===
Die [[Quanteneffizienz]] ist definiert als der Anteil der einfallenden [[Photon|Photonen]], die zum Photostrom beitragen. Die Beziehung zur Empfindlichkeit ist wie folgt:

:<math>Q.E. = R_\lambda \cdot \frac{h \cdot c}{\lambda \cdot q} = 1240 \cdot \frac{R_\lambda}{\lambda}</math>

Dabei ist <math>h = 6{,}62607015 \cdot 10^{-34} \ \mathrm{J} \cdot \mathrm{s}</math> die [[Planck-Konstante]], <math>c = 299792458 \ \mathrm{m / s} </math> die [[Lichtgeschwindigkeit]], <math>q = 1{,}602176634 \cdot 10^{-19} \ \mathrm{C} </math> die [[Elektronenladung]], <math>R_\lambda</math> die Empfindlichkeit in <math>A/W</math> und <math>\lambda</math> die [[Wellenlänge]] in [[Nanometer]].

Die Ungleichmäßigkeit der Reaktion wird definiert als Schwankungen der Empfindlichkeit, die bei einem kleinen Lichtfleck über der Oberfläche des aktiven Bereichs der Photodiode beobachtet werden. Die Ungleichmäßigkeit ist umgekehrt proportional zur Fleckgröße, d. h., bei kleinerer Fleckgröße ist die Ungleichmäßigkeit größer. Eine Silizium-Photodiode gilt als linear, wenn der erzeugte [[Photostrom]] linear mit der einfallenden Lichtleistung zunimmt. Die Linearität des Photostroms wird bestimmt, indem die kleine Änderung des Photostroms infolge einer kleinen Änderung der einfallenden Lichtleistung als Funktion des gesamten Photostroms oder der einfallenden Lichtleistung gemessen wird.

Die untere Grenze der Linearität des [[Photostrom|Photostroms]] wird durch den Rauschstrom und die obere Grenze wird durch den Serienwiderstand und den [[Lastwiderstand]] bestimmt. Mit zunehmendem Photostrom setzt zunächst die Nichtlinearität ein, die mit zunehmendem Photostrom allmählich zunimmt und schließlich bei Sättigung bei steigender einfallender Lichtleistung konstant bleibt. Im Allgemeinen ist die Änderung des Photostroms bei gleicher Änderung der einfallenden Lichtleistung bei höheren Stromstärken geringer, wenn der Photodetektor Nichtlinearität aufweist. Der Linearitätsbereich kann durch Anlegen einer [[Sperrspannung]] an die Photodiode geringfügig erweitert werden.

=== Dunkelstrom und Sperrsättigungsstrom ===
Wenn die Photodiode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, steigt der Strom [[Exponentieller Prozess|exponentiell]] an. Bei [[Sperrspannung]] tritt ein geringer [[Sperrsättigungsstrom]] auf. Dieser hängt mit dem [[Dunkelstrom]] wie folgt zusammen:

:<math>I_D = I_{SAT} \cdot \left(e^{\frac{q \cdot V_A}{k_\mathrm{B} \cdot T}} - 1\right)</math>

Dabei ist <math>I_D</math> der [[Dunkelstrom]], <math>I_{SAT}</math> der [[Sperrsättigungsstrom]], <math>q</math> die [[Elektronenladung]], <math>V_A</math> die angelegte Vorspannung, <math>k_\mathrm{B}</math> die [[Boltzmann-Konstante]] und <math>T</math> die [[thermodynamische Temperatur]].<ref name=":0" />

== Rauschen ==

=== Schrotrauschen ===
[[Schrotrauschen]] ist auf die statistische Schwankung des [[Photostrom|Photostroms]] und des [[Dunkelstrom|Dunkelstroms]] zurückzuführen. Die Stärke des Schrotrauschens ist das [[Quadratisches Mittel|quadratische Mittel]] des Rauschstroms:

:<math>I_{sn} = \sqrt{2 \cdot q \cdot (I_P + I_D) \cdot \Delta{f}}</math>

Dabei ist <math>q </math> die [[Elektronenladung]], <math>I_P</math> der photogenerierte Strom, <math>I_D</math> der [[Dunkelstrom]] und <math>\Delta{f}</math> die Bandbreite des Schrotrauschens.

=== Wärmerauschen ===
Der [[Shunt (Elektrotechnik)|Shunt]] ist mit einem [[Wärmerauschen]] verbunden. Dies ist auf die thermische Erzeugung des [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträgers]] zurückzuführen. Die Stärke dieses erzeugten Wärmerauschens beträgt:

:<math>I_{jn} = \sqrt{\frac{4 \cdot k_\mathrm{B} \cdot T \cdot \Delta{f}}{R_{SH}}}</math>

Dabei ist <math>k_\mathrm{B}</math> die [[Boltzmann-Konstante]], <math>T</math> die [[thermodynamische Temperatur]], <math>\Delta{f}</math> die Bandbreite des [[Wärmerauschen|Wärmerauschens]] und <math>R_{SH}</math> der [[Shunt (Elektrotechnik)|Shunt]]. Diese Art von Rauschen ist das dominierende Stromrauschen im [[Photovoltaik]]-Betrieb. Alle Widerstände, einschließlich des [[Lastwiderstand|Lastwiderstands]], weisen ein Wärmerauschen auf. Dieser zusätzliche Rauschstrom ist groß und verstärkt das durch den Shunt des Photodetektors verursachten Wärmerauschens.<ref name=":0" />

== Betriebsarten ==
[[Datei:Kennlinie Photodiode 1.png|mini|hochkant=1.5|Kennlinie einer Photodiode]]
Photodioden können in den folgenden drei Betriebsarten eingesetzt sein:
# Betrieb in Vorwärtsrichtung als in der Form großflächig ausgeführte Photodiode, welche in dieser Bauform als [[Solarzelle]] bezeichnet wird. Primär zur Energiegewinnung genutzt.
# Betrieb im Quasi-Kurzschluss, zur Helligkeitsmessung
# Betrieb im Sperrbereich, um die Grenzfrequenz zu steigern

=== Betrieb als Photoelement ===
Die Photodiode liefert elektrische Energie. In dieser Funktion ist sie ein Photoelement, bei großflächiger Herstellung wird die Photodiode als [[Solarzelle]] bezeichnet. Ohne Last ist sie in Sättigung, und die Spannung strebt einem Grenzwert zu (Leerlaufspannung ''U''L), der wenig von der Lichtstärke abhängt. Bei steigender Belastung (''R''L wird kleiner) sinkt die Spannung, und der Strom strebt seinerseits einem Grenzwert (Kurzschlussstrom ''I''K) zu. Am Knick dieser Kennlinie liegt Leistungsanpassung vor – der bei [[Photovoltaik]]anlagen angestrebte Arbeitspunkt (engl. {{lang|en|''[[Maximum Power Point]]''}}). In dieser Betriebsart ist die Photodiode relativ langsam und eignet sich nicht zur Detektion schneller Signale. Diese Schaltungsart wird zur Messung der Helligkeit, z. B. in Beleuchtungsmessgeräten ([[Belichtungsmesser]], [[Luxmeter]]) verwendet.

Im Gegensatz zum [[Photowiderstand]] (LDR) ist keine externe Spannungsquelle nötig. In [[CCD-Sensor]]en ist ein großer Teil der Sensorfläche mit Photodioden ausgefüllt, wobei jede einen parallel geschalteten Kondensator auflädt. Wenn dessen gespeicherte Ladung rechtzeitig abtransportiert wird, bevor die Sättigungsspannung der Photodiode erreicht ist, ist die Ladung proportional zur Helligkeit. Die Grenzfrequenz ist niedrig.

=== Betrieb im Quasi-Kurzschluss ===
Wird die Photodiode im Kurzschluss (''U'' = 0) betrieben, liefert sie einen über viele Größenordnungen linear von der Bestrahlungsstärke abhängigen Strom in Sperrrichtung (''I'' ≤ 0). Dazu ist sie oft an einen [[Transimpedanzverstärker]] geschaltet – eine Schaltung, die aus dem Photostrom ein proportionales Spannungssignal erzeugt und an den Diodenanschlüssen einen virtuellen Kurzschluss bildet. Damit lassen sich Bestrahlungsstärken sehr genau messen. Weil sich die Spannung an der Photodiode nicht ändert, wird keine Kapazität umgeladen. Dadurch sind hohe Grenzfrequenzen möglich.

=== Betrieb im Sperrbereich ===
Legt man an die Photodiode eine Spannung in Sperrrichtung (''U'' ≤ 0) an, so fließt ein linear vom Licht abhängiger Sperrstrom, d. h., bei Bestrahlung leitet sie auch in Sperrrichtung (''I'' ≤ 0). Diese Betriebsart wird üblicherweise für Photodioden in integrierten [[CMOS-Sensor]]en gewählt. Für den Sperrbereich sind weiterhin folgende Effekte charakteristisch:
* Die Sperrschichtkapazität ''C''S verringert sich mit der angelegten Spannung, so dass sich die Reaktionszeit mit steigender Spannung verringert. Damit lassen sich hohe Grenzfrequenzen erreichen.
* Möglicherweise tritt ein [[Avalanche-Durchbruch]] auf, der den Photostrom durch Lawineneffekte verstärkt. (''Siehe auch [[Avalanche-Photodiode]]'')
* Der Reststrom (Dunkelstrom ''I''D) steigt mit der angelegten Spannung und der Temperatur; er überlagert den Photostrom und bestimmt bei geringer Bestrahlung maßgeblich das Rauschen.
* Da der [[Differentieller Widerstand|differentielle Widerstand]] sehr groß ist, hängt der Strom kaum von der Betriebsspannung ab.
[[Datei:Photodiode-BPW34-SwitchOffTimes.jpg|mini|Abschaltzeiten eines BPW34 mit verschiedenen Arbeitswiderständen]]
Die Abschaltzeiten einer Fotodiode sind abhängig vom Arbeitswiderstand. Das nebenstehende Diagramm zeigt die Abschaltverzögerung nach einer Belichtung durch einen kurzen Blitz. Zum Prüfen der Einschaltverzögerung wurde auch mit einem kleinen Blitz einer Taschenkamera gearbeitet, der wesentlich schneller leuchtet, was die Kurve in Orange belegt. Die Einschaltverzögerung kann vernachlässigt werden.

Zum Einsatz in Schaltungen s. auch [[Photodiodenverstärker]].

== Kennwerte und Anwendungen ==
[[Datei:Symbol Photodiode.svg|mini|hochkant=0.5|[[Schaltzeichen]]]]
Beispielhafte Kennwerte dienen zur Beschreibung einer Photodiode, in Klammern als Beispiel die Werte der Silizium-Photodiode BP 104:<ref>https://www.vishay.com/docs/81500/bp104.pdf Datenblatt der BP 104</ref>
* Zulässige Sperrspannung (20 Volt)
* Spektrale Photoempfindlichkeit (55 nA / [[Lux (Einheit)|lx]] beziehungsweise bei 850 nm 0,62 A/[[Watt (Einheit)|W]])
* Spektralbereich der Photoempfindlichkeit (400 bis 1100 nm)

Anwendungen liegen bei Belichtungsmessern mit einer großflächigen [[Selenzelle|Selen-Photodiode]], die direkt ein [[Drehspulmesswerk]] speisen, Sensoren in [[Digitalkamera]]s, Empfangselemente für [[Lichtwellenleiter]].

Weltweite Forschungsaktivitäten konzentrieren sich insbesondere auf die Entwicklung preiswerter Solarzellen, verbesserter CCD- und [[CMOS-Sensor|CMOS-Bildsensoren]] sowie auf schnellere und empfindlichere Photodioden für [[Glasfasernetz]]e.

== Literatur ==
* {{BibISBN|3540428496}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Photodiodes|Photodiode}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Gesprochene Version
|datei=De-photodiode-article.ogg
|länge=08:20 min
|größe=7,6 MB
|version=81897505
|datum=2010-12-31
}}

[[Kategorie:Diode]]
[[Kategorie:Optoelektronik]]
[[Kategorie:Sensor]]

Photodiode - Versionsgeschichte

~2025-28716-92: /* Schrotrauschen */