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Feige. 1 Fotodiode Osram BPW21, unten rechts ist die Bonddraht sichtbar, dass die Kathode zum isolierten Anschlussdraht. Das Anode stellt den elektrischen Kontakt zum Gehäuse her und das Anschlusskabel für die Anode wird am Gehäuse befestigt

EIN Fotodiode ist ein elektronisch Teil und eine Art Lichtdetektor. Eine Photodiode arbeitet auf der Basis eines P-NHalbleiterübergang (PN-Übergang), die so hergestellt ist, dass Licht darauf fallen kann. Dazu verfügen sie entweder über ein Lichtfenster oder einen Glasfaseranschluss, damit Licht auf die Abzweigung fällt.

Eigenschaften

Photodioden können auf zwei Arten verwendet werden: im Spannungsmodus und im Strommodus. Der Spannungsmodus tritt im Leerlauf oder relativ hochohmiger Last auf, wo der erzeugte Photostrom, der in Sperrrichtung der Diode fließt, durch den internen, vorwärtsleitenden pn-Übergang der Diode umgekehrt wird. Das Anode der Photodiode wird positiv bezüglich der Kathode. Der externe Strom (wegen nicht unendlich hohem Lastwiderstand) fließt von Anode zu Kathode. Wenn der Lastwiderstand so niederohmig ist, dass bei maximaler Beleuchtung eine Spannung erzeugt wird, die deutlich unter der Schwellenspannung der Diode liegt, zum Beispiel maximal 100 mV Vorwärts der Diode, die Diode arbeitet im Strommodus. Der externe Strom hat die gleiche Richtung wie im Spannungsmodus: von Anode zu Kathode. Diese Merkmale sind in den UI-Kennlinien von Fig. 2 zu sehen. Unten links in den Kennlinien von Fig. 2 tritt der Strommodus auf, und er schreitet von der maximal zulässigen Sperrspannung ganz links zu einer leicht positiven Vorwärtsspannung fort . In diesem Teil der Kennlinie wird der Strom (und bei Verwendung von a treffen jagen daher auch die Shuntspannung) über mehrere Jahrzehnte genau direkt proportional mit dem Belichtungsintensität.

Feige. 2 Elektrische Eigenschaften der Fotodiode. Violett: kein Licht, Blau, Grün, Gelb, Rot: zunehmende Helligkeit

Voraussetzung dafür Linearität besteht darin, dass der kleinste Photostrom bei der niedrigsten, sehr kleinen Beleuchtungsintensität erheblich größer ist als der Dunkelstrom. Der Dunkelstrom ist gleich dem Sperrstrom, wie er bei einer normalen Diode definiert ist. Biene Osram Fotodiode Typ BPW21^[1] der Dunkelstrom bei 5 V Sperrspannung und 25 °C Bauteiltemperatur beträgt 2 nach dem. Der Photostrom liegt bei 10 Lux Belichtung 100 nA. Daraus ergibt sich eine Abweichung von 2 % bei 10 Lux und 25 °C. Bei der maximalen Bauteiltemperatur von 80°C und 5 Volt Sperrspannung beträgt der Dunkelstrom jedoch 500 nA. Bei einer Abweichung von 2 % sollte der minimale Fotostrom 25 . betragen EIN sind, entsprechen 2500 Lux. Die Lösung besteht darin, die Diode bei 0 Volt oder einer leichten Durchlassspannung zu verwenden. Der Dunkelstrom beträgt dann 2 nA bei 80°C Bauteiltemperatur und die Abweichung bei 10 Lux beträgt dann ebenfalls 2%. um 10 mV Sperrspannung und 25 °C Bauteiltemperatur, der Dunkelstrom beträgt 8 pA und die Abweichung ist vernachlässigbar. Der Photostrom ist (fast) temperaturunabhängig und (fast) unabhängig von der Sperrspannung der Diode. Die Diode wird bei kleiner Sperrspannung und leichter Durchlassspannung aufgrund der zunehmenden Diode langsamerKapazität. Beim BPW21 erhöht sich die Kapazität von 180 pF bei maximaler Sperrspannung von 10 Volt, bis zu 580 pF bei 0 Volt. Das ist eine Steigerung um den Faktor 3. Für Lichtmessungen ist dies in der Regel kein Problem. Übrigens wird die Ansprechgeschwindigkeit der Diode teilweise durch den externen Widerstand in der Schaltung bestimmt. Ist die Diode mit dem negativen Eingang von a . verbunden? Operationsverstärker, die einen Rückkopplungswiderstand vom Ausgang zum negativen Eingang hat, dann wird der Lastwiderstand fast 0 Ohm. Dies führt zu höchstmöglichem Grenzfrequenz. Wenn der Lastwiderstand 1 kOhm beträgt, dann ist der RC-Zeit bei 0 Volt Sperrspannung 0,58 Sek, entsprechend einer Grenzfrequenz von 274 kHz. Der Spannungsmodus tritt im rechten Teil der Kennlinie von Fig. 2 an den Schnittpunkten der Kennlinien mit der I=0-Achse (x-Achse) auf. Dieser Teil hat eine logarithmische Beziehung zwischen Beleuchtungsstärke und Spannung (siehe Spannungsmodusformeln) und hat bei konstanter Beleuchtung für eine Silizium-Photodiode wie die BPW21 einen Temperaturkoeffizienten von -2,6 mV/°C.

Der Teil des Merkmals unten rechts wird verwendet mit Solarzellen zur PV-Stromerzeugung. Die Dioden der Zellen sind dabei maximaler Leistungspunkt aufladen.

Abb.3 Wellenlängenabhängigkeit einer Silizium-Photodiode

. Dieser Punkt liegt ungefähr bei einer Zellenspannung oder Panelspannung von 75 % der Leerlaufspannung. Bei einem externen Strom in Durchlassrichtung und bei völliger Dunkelheit verhält sich die Diode wie eine normale Gleichrichterdiode (Abb. 2 oben rechts). Leuchtet die Diode zusätzlich, wird die Flussspannung der Diode höher, da der pn-Übergang nun die Summe aus externem Strom und Photostrom verarbeiten muss.

Die Wellenlängenabhängigkeit des Signals einer Photodiode kann durch Anlegen von optische Filter und ist gleich dem Produkt der Wellenlängenabhängigkeit des Filters und der Wellenlängenabhängigkeit der Diode selbst. Damit beträgt die Wellenlängenabhängigkeit der Osram-Photodiode BPW21^[1] fast identisch mit dem Augenempfindlichkeitskurve. Dies macht diese Diode sehr gut als Zeer Sensor im Luxmeter benutzen.

Formeln für den Spannungsmodus

Eine Photodiode im Leerlaufspannungsmodus hat eine logarithmische Charakteristik. Dies kann aus der Kennlinie der Vorwärtsvorspannungsdiode abgeleitet werden. Der Diodenstrom I_d folgt aus dem vernachlässigbaren Serienwiderstand der Diode:

${displaystyle I_{D}=I_{S}cdot (e^{frac {U_{D}}{ncdot U_{T}}}-1)}$^[2] (Formel 1)

Diese Formel gilt auch für Selenzellen. In der Formel steht:

• ich_so der umgekehrte Sättigungsstrom,
• SIE_d die Diodenspannung,
• SIE_T = kT/q = 26 mV bei Zimmertemperatur, mit k de Boltzmann-Konstante, T de Absolute Temperatur und q de elementarladung und:
• n ist der Emissionskoeffizient.

Der Emissionsgrad n für Silizium ist 1, für Germanium 2, liegt zwischen 1 und 2 für Selen und ist größer als 2 für Solarzellen von polykristallin Silizium.^[3][4]

Wir nehmen an, dass:

${displaystyle e^{frac {U_{D}}{ncdot U_{T}}}>>1}$ (Bedingung 1)

Dies ist für alle praktischen Betriebssituationen der Fall und der Diodenstrom I_ddirekt proportional ist mit der Belichtungsintensität E:

${displaystyle I_{D}=c_{opt}cdot E}$ (Formel 2)

wobei E die Beleuchtungsstärke ist und c_opt die Proportionalitätskonstante des Verhältnisses von I_d und E. Der Faktor c_opt ist direkt proportional zu Oberfläche der Photodiode, abhängig vom Beleuchtungsspektrum und der spektralen Empfindlichkeit der Photodiode sowie von Eigenschaften des pn-Übergangs, wie Dopingkonzentration, und Dicke des intrinsisch niedrig bei a PIN-Diode. Auch können zwischen Kopien des gleichen Photodiodentyps recht große Toleranzen auftreten (in der Größenordnung von -40% 10%), die Kalibrierung kann eliminiert werden, indem die Diode mit einer sehr konstanten Beleuchtungsstärke beleuchtet wird und bei Anschluss an a Drehspulmesser Stellen Sie den Nullpunkt des Zeigers mit einer Stellschraube ein. Bedingung 2 zeigt, dass eine Variable c_opt führt zu einer Änderung des Offsets der Diodenspannung.

Die Anwendung von Bedingung 1 und Formel 2 auf Formel 1 führt zu:

${displaystyle c_{opt}cdot E=I_{S}cdot e^{frac {U_{D}}{ncdot U_{T}}}}$ (Formel 3).

Durch natürlicher Logarithmus ln auf beiden Seiten des Vergleich Formel 3 finden wir:

${displaystyle ln(c_{opt}) ln(E)=ln(I_{S}) {frac {U_{D}}{ncdot U_{T}}}}$ (Formel 4) oder:

${displaystyle U_{D}=ncdot U_{T}cdot (ln(E) ln(c_{o}pt)-ln(I_{S}))}$ (Formel 5)

wir schlagen vor

${displaystyle ln(c_{opt})-ln(I_{S})=offset}$ (Formel 6)

dann finden wir für die Photodiodencharakteristik im Spannungsmodus:

${displaystyle U_{D}=ncdot U_{T}cdot (ln(E) offset)}$(Formel 7)

zeigt die exponentielle Beziehung zwischen U_d und E wurde nachgewiesen. Formel 6 zeigt, dass Variationen in c_opt eine Änderung des Offsets der Ausgangsspannung bewirken.

Für eine feste Temperatur ist I . sind_so und du_T Konstante. SIE_T und ich_so sind temperaturabhängig. Die Kombination der Temperaturabhängigkeit von I_so und du_T führt zu einer Temperaturabhängigkeit der Diodenspannung, bei konstantem I_d ab - 2,6 mV/°C (außerhalb der Spezifikation Osram BPW21)^[1] Aus der Formel für die Leerlaufspannungskennlinie ergibt sich, dass wenn E ein Faktor ist e (ln(E)) steigt um 1 und damit steigt die Diodenspannung um den Betrag n.U_T = n.26 mV bei Raumtemperatur. Zur Erhöhung von E um den Faktor 2, wie in der Fotografie EVMessung der Fall ist, beträgt die Erhöhung n.ln(2) = n.18 mV bei Raumtemperatur (n ist der Emissionskoeffizient, siehe Erläuterung zu Formel 1).

Formelflussmodus

${displaystyle I_{D}=c_{opt}cdot E}$ (Formel 2)

Die Konstante c_opt ist dieselbe wie die im Spannungsmodus beschriebene. Kalibrierung um die Auswirkungen der Toleranz auf c . zu beurteilen_opt kann im Strommodus erfolgen, indem (einen Teil) des Strommess-Shunts zugewiesen wird als Potentiometer ausgetragen werden. Dadurch kann die Ausgangsspannung so getrimmt werden, dass bei einer gegebenen Belichtung immer die exakt gleiche Spannung am Messshunt anliegt. Dies ist beispielsweise für die industrielle lineare Lichtmessung erforderlich.

Batterielose klassische Belichtungsmesser mit Drehspulmesser

Alte analoge, batterielose Fotobelichtungsmesser wie der Sekonic L158,^[5][6][7] verwendet mit analogen Kameras mit (35mm) Film verwendet a Selen-Fotodiode großflächig und im Spannungsmodus betrieben. Auf diese Weise konnte auch bei geringen Lichtstärken trotz der Belastung mit a . die für die Fotografie notwendige logarithmische Kennlinie erhalten bleiben Drehspulmesser. In der logarithmischen Kennlinie ergibt jeder Faktor 2 in gemessenem Beleuchtungsstärke (ist 1 Stoppdifferenz) eine feste Verschiebung von z. B. 10 % der gesamten Skalenlänge. Die Gesamtreichweite für 10 EV (7 bis 17 EV ist ein Faktor von 2 .)¹⁰ = 1024). Die Temperaturempfindlichkeit der Lichtschranke kann z. B. durch die Reihenschaltung eines NTC mit der Drehspulwicklung kompensiert werden, dies funktioniert jedoch nicht über den gesamten Bereich (eine temperaturabhängige Offsetspannung wird benötigt und kein Teilerfaktor), aber im Winter, im Freien, sollte die Leuchtstärke generell nicht sehr gering oder sehr hoch sein, damit für die meisten Anwendungen ein vernünftiger Ausgleich erzielt werden kann. Der Spannungsanstieg in der Kälte der Photodiode wird dann durch einen mit abnehmender Temperatur zunehmenden Spannungsteiler kompensiert.

Materialien für Fotodioden

Neben Standard-Silizium-Photodioden und den bereits erwähnten Selen-Zellen kommen auch andere Materialien zum Einsatz, wie z ImgehenAsche^[8] (Nah-Infrarot). In der Forschung sind Germanium-auf-Silizium-Dioden, siehe unter schnelle Detektoren. Selenzellen, die in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts verwendet wurden, altern in einem Zeitraum von 10 Jahren sehr stark (genauso wie Selengleichrichter und LDRs). Unter anderem wird der Serieninnenwiderstand viel höher und die Empfindlichkeit nimmt stark ab (Abnahme von c_opt), was zu großen Abweichungen führt. Selenzellen werden nicht mehr verwendet.

Sehr schnelle Detektoren für Telekommunikationszwecke

Für schnelle Fotodioden, PIN-Dioden benutzt. Zwischen p- und n-Zone ist eine intrinsisch oder sehr niedrig dotierte Halbleiterschicht vorgesehen, die die Kapazität der Diode reduziert. Untersuchtes Material ist Germanium-auf Silizium. Diese Dioden ermöglichen Signale bis zu 40 GBit/s erkannt werden.^[9] Derzeit werden für diese Geschwindigkeiten InGaAs-Photodioden verwendet.^[10]

Fototransistor

Es gibt auch npn-Fototransistoren. Außerdem ist der BasiskollektorKreuzung als Fotodiode ausgeführt. Der Photostrom fließt dann vom Kollektor zur Basis (die Kollektor-Basis-Diode ist wie üblich in Sperrrichtung) und wird als Basisstrom an den npn-Transistor angelegt und verstärkt, Stromverstärkung in der Größenordnung von 100 bis 400, wie bei einem normalen npn-Transistor .Sie werden hauptsächlich in Optokoppler und in optische Schalter. Das Current Transfer Ratio (CTR), das Verhältnis des Ausgangsstroms und des durch den InfrarotLED des Optokopplers, der von Fototransistor-Optokopplern gesteuert wird, liegt in der Größenordnung von 1. Fototransistoren sind aufgrund der stark stromabhängigen Verstärkung und relativ großen Unterschiede in der Stromverstärkung von npn-Transistoren zwischen verschiedenen . viel weniger linear und haben größere Toleranzen beim Ausgangsstrom als Fotodioden Beispiele. Sie sind auch ziemlich langsam, insbesondere wenn der Fototransistor in die Sättigung getrieben wird, Reaktionszeiten in der Größenordnung von 5 Mikrosekunden und daher für die Verwendung in Fernbedienungen ungeeignet. Ausgangsseitig genügen grundsätzlich 2 Anschlüsse: der Emitter und der Kollektor. Oft wird auch die Basis des Transistors hergestellt. Die Eigenschaften des Optokopplers können dann mit einem externen Widerstand zwischen Basis und Emitter variiert werden. Kann auch a Schottky Diode zwischen Basis und Kollektor des Fototransistors angeordnet, wodurch eine Sättigung des Transistors und die damit verbundene Trägheit verhindert werden.

Schnelle Optokoppler verwenden Fotodioden mit einem schnellen Tracking-Verstärker (analog Bewerbungen) oder a Komparator (Digital Bewerbungen). Solche Optokoppler können ziemlich schnelle analoge oder digitale Signale verarbeiten. Auf der Empfangsseite werden jedoch 3 Anschlüsse benötigt: -Netzteil, Netzteil und Ausgang.

Anwendungen

• Empfänger für Infrarot-Fernbedienungen (Audio-, Fernsehen, Video)
• Präzise Belichtungsmessung in Wissenschaft und Industrie
• Lichtsensoren in der Bildaufnahme CMOS-Matrix von Digitalkameras.
• Interne Belichtungsmessung in Digitalkameras
• Qualitätslichtdetektoren in elektronischen Geräten
• Optokoppler
• Erkennung von Glasfasersignale
• Industrielle Infrarotmessung
• Industrie uv-Messung
• Erkennung von CD-Signale

Siehe auch

Lichtempfindlicher Widerstand LDR

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