Photodiode

Unsere Fotodioden werden in Keramik- und Metallausführung angeboten und verfügen über folgende Eigenschaften:

• Hohe Verstärkung bei niedriger Vorspannung
• Schnelle Anlaufzeit bei geringer Kapazität
• Hohe Empfindlichkeit

• Laserscanner (LIDAR)
• Laser‑Entfernungsmesser
• Laseranpassung
• Analytische Instrumente
• Präzisionsphotometrie
• Medizintechnische Geräte
• Optische Hochgeschwindigkeitskommunikation

Fotodioden nutzen den photoelektrischen Effekt. Sie haben einen p-n-Übergang, in dem freie Elektronen-Loch-Paare durch einfallende Photonen erzeugt werden. Der Photonenfluss pro Raumwinkeleinheit wird als Lichtintensität bezeichnet. Durch die Implantation von Dotierungen in das Silizium wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die erzeugten Ladungsträger trennt und zu den Metallkontakten leitet. Bei umgekehrter Vorspannung kann ein Fotostrom in Abhängigkeit von der Lichtintensität gemessen werden.

Die Auswahl einer Fotodiode hängt von den folgenden Anforderungen ab, die durch die jeweilige Anwendung bestimmt werden: die Größe der aktiven Fläche, die Geometrie der Apertur (kreisförmig ggü. quadratisch, rechteckig), die Wellenlänge des einfallenden Lichts, die erforderliche Reaktionszeit und Bandbreite (gepulste einfallende Lichtquelle), die Notwendigkeit der Verstärkung (Leistungspegel des optischen Signals), andere opto-elektrische Parameter (z. B. Dunkelstrom, Kapazität, Empfindlichkeit).

Das Anlegen einer negativen Spannung an einen Knoten und einer positiven Spannung an die Kathode wird als „Sperrvorspannung“ bezeichnet. Die freien Elektronen in der N-Schicht werden also zum Pluspol gezogen, und die Löcher in der P-Schicht werden zum Minuspol gezogen.  Die Sperrvorspannung vergrößert die Größe des Verarmungsbereichs und hat zur Folge, dass nur der durch einfallendes Licht verursachte Stromfluss ermöglicht wird. Aufgrund der höheren Feldstärke in der Verarmungsregion ist die Reaktionszeit schneller.

Ein Fotodioden-Array ist eine ein- oder zweidimensionale Zusammensetzung einzelner Fotodioden (diskretes Array) oder mehrerer aktiver Bereiche auf einem einzigen Chip (monolithisches Array).

Lawinenfotodiode (auch APD, Avalanche Photodiode) haben einen internen Verstärkungsmechanismus, der auf dem Avalanche-Effekt basiert. Dieser Verstärkungsmechanismus macht sie geeignet für die Umwandlung schwacher optischer Signale in messbaren elektrischen Strom. Sie können für zwei Hauptbetriebsarten ausgelegt werden: lineare und nichtlineare Abhängigkeit von der Sperrspannung. Der nichtlineare Modus wird als Geiger-Modus bezeichnet.

In herkömmlichen Dioden erzeugen auftreffende Photonen Elektronen-Loch-Paare. Diese Lochpaare liefern einen messbaren Fotostrom. Bei Lawinenfotodioden löst die angelegte Sperrvorspannung eine Lawine aus – sie sorgt dafür, dass die Elektronen-Loch-Paare beschleunigt werden. Durch die daraus resultierende Stoßionisation werden weitere Elektronen in das Leitungsband eingebracht. Diese Elektronen wiederum nehmen mehr Energie auf und heben weitere Elektronen in das Leitungsband. Dieser Prozess wird als Lawinendurchbruch bezeichnet und kann für den Detektor einen Lawinenvervielfachungsfaktor von mehreren hundert erreichen.

Lawinenfotodioden werden auch für Anwendungen mit hohen Modulationsfrequenzen eingesetzt. Bei Frequenzen von ca. 60 MHz ist der durch den Avalanche-Effekt erhöhte Rauschpegel im Allgemeinen niedriger als der Rauschpegel, der durch die Kombination einer herkömmlichen Fotodiode mit einer externen Verstärkungselektronik erzeugt wird. Typischerweise findet man Lawinenfotodioden in Laserscannern und LIDAR-Systemen, Analyseinstrumenten sowie bei der Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung.

Eine Fotodiode ist ein p-n-Übergang im Siliziumhalbleiter, der als physikalische Grundlage für diesen Prozess dient. Wenn Photonen mit ausreichender Energie vom Detektor absorbiert werden, führt dies zur Bildung von Ladungsträgern (Elektronen-Loch-Paare), die in der Raumladungszone getrennt werden und so den Fotostrom erzeugen.

Eine PIN-Diode besteht aus einem nahezu intrinsischen Halbleiterbereich – in der Regel der Raumladungszone –, der zwischen einer p-Typ-Diode und einem n-Typ-Substrat eingebettet ist. Der Begriff wird jedoch auch für Bauteile mit inverser Leitfähigkeit verwendet, sofern keine anderen nichtlinearen Effekte im Bauteil genutzt werden.

Ein Fotodetektor oder Hybrid ist eine Kombination aus einer Fotodiode und einem Transimpedanzverstärker (TIA, Transimpedance Amplifier). Das einfallende Licht wird von der Fotodiode in elektrischen Strom umgewandelt. Der Fotostrom wird dann von der TIA in eine Spannung umgewandelt. Der TIA kann auch zur Verstärkung des elektrischen Signals verwendet werden.

Während die Fotodiode einen elektrischen Strom als Ausgang hat, ist der Ausgang eines Fotodetektors eine Spannung.

Eine PIN-Fotodiode ist eine reguläre Fotodiode mit einem p-n-Übergang für eine breite Palette von Anwendungen. Eine APD ist eine Fotodiode mit einem internen Verstärkungsmechanismus, die für Signale mit wenig Licht verwendet wird, z. B. bei der LIDAR-Laufzeitmessung.