Photowiderstand und Photodiode

Photowiderstand und Photodiode

1. Halbleiter allgemein:

Leiter: Metalle + Metallegierungen ( sehr gute Leiteigenschaften)

Nichtleiter: Isolatoren (z.B. Porzellan, Kunstoffe), Leitfähigkeit = 0

Halbleiter: Eigenschaften zwischen den beiden obigen (Silizium,Germ.)

bei Halbleitern ist der Widerstand durch äußere Umstände (Wärme + Licht) bed.

Aufbau: Germanium + Silizium haben 4 Außenelektronen (Valenzelektronen)

Elektronenpaare => vollkommene Elektronenbindung, Härte

festes Gitter, nur durch durch äußere Energiezufuhr aufbrechbar

=> eigentlich ein Isolator

Eigenleitung: trifft allerdings nur auf absoluten Nullpunkt -273oC zu

bei höheren Temperaturen bricht die Kristallstruktur auf

(Diode mit Fön erhitzen, Widerstand fällt von 1-2M meßbar ab)

bereits bei 20oC leitbar: kleine Temperaturenerhöhungen verbes sern die Leitfähigkeit erheblich

=> Eigenleitung

Wärme auch durch Eigenwärme bei Stromfluß

Halbleiter in reiner Form nutzlos, da zu extrem

Dotieren oder Dopen: Beimengen von Stoffen mit 1 Valenzelektron mehr oder weniger (3, 5)

in Reinsträumen: chemische und physikalische Verfahren

auf 1012 ein Fremdatom, Leitfähigkeit

1. N-Leiter: z.B. Dotierung mit Phosphor (5) und Silizium (4)

jedes fünfte Valenz-Elektron von Phosphor ist frei

nicht in Gitter eingebunden, für Leitung frei => Störstelle

Elektronen frei beweglich => N-Leiter nicht geladen

bei Spannung: Elektronen von Minus nach Plus

2. P-Leiter: z.B. mit Aluminium (3) und Silizium (4)

Elektronenpaarbindungen, bei jeder 4. fehlt ein Elektron

Defektelektron, Loch, Störstelle

Elektron fehlt => P-Leiter nicht geladen

Löcher haben Wirkung wie positive Ladung (obwohl Ladungslos)

in festen Stoffen können nur Elektronenwandern, keine Rümpfe

springen Elektronen, wandert Loch scheinbar in andere Richtung

=> üblich: Löcher als positive Ladung anzusehen

bei Spannung: Löcher von Plus nach Minus

Energiezufuhr auch durch Licht möglich (innere Photoeffekt)

0,7 bis 1,12 eV für Elektron aus Ge oder Si aus Valenzband ind Leitungsband

Photon auf Halbleiter => Elektron und Loch entsteht (Paar)

Photowiderstand (LDR)

Light Depending Resistor

brauchbare Halbleiterstoffe: Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumselenid (CdSe), Blei sulfid (PbS)

Photowiderstand: Mäanderförmige Schicht in Glaskolben eingeschmolzen

Aufbau: Beleuchtungsfläche einige cm2 (0,02-1,5)

Eigenschaften: - hoher Dunkelwiderstand, hochohmig, kaum meßbarer Strom

- bei zunehmender Beleuchtung sinkt Widerstand auf 1/1000 ab

Diagramm -geringe Beleuchtung

setzen W sehr ab

etwa proportional

- höchste Empfindlichkeit für rotes und infrarotes Licht

- passives Bauelement => grundsätzlich Stromquelle (Photoelement)

- relativ träge, Wechselvorgänge max. 100 bis 1000Hz (3kHz)

- hoch belastbar, direkte Ansteuerung von Relais ohne Verstärker

- Verlustleistung 1,05 bis 1,2 Watt

- Geringe Temperaturabhängigkeit

Einsatz: - Lichtschranke (Einbruchsicherung, infrarot, Rolltreppe, Türöffner)

- Fotoapparat (automatischer Belichtungsmesser)

Photodiode

Diode allgemein: PN-Übergang (Verarmungszone)

- Mitte: Ladungsausgleich,

Rekombinierung, Diffusion

=> isolierte Schicht,

keine freien Elektronen

Schwellen-, Diffusionsspannung: P-Schicht negativ,

N-Schicht positiv geladen

- zieht Elektronen wieder zurück => Gleichgewicht

- innere Spannung von außen nicht nachweisbar

- Höhe materialabhängig: Ge 0,25;Si 0,7; Se 0,6

Plus an P-Schicht und Minus an N-Schicht:

- Elektronen aus N-Schicht werden über Übergang gedrückt

(erst Diff.-Spannung überwinden!) => Stromndurchlässig

Schleußenspannung

Minus an P-Schicht und Plus an N-Schicht:

- Elektronen aus N werden vom Pluspol eingesaugt

Löcher in P von Minus besetzt => keine freien Ladungsträger

=> Diode sperrt, Isolator

- bei sehr starker Spannung: Durchschlag => Zerstörung der Diode

- winziger Sperrstrom 1nA durch Minoritätsträger,

normalerweise vernachlässigbar

Photodiode:

Funktion: - fällt Licht auf PN-Schicht werden Elektronen freigesetzt

(innerer Photoeffekt)

Sperrschicht wird abgebaut, Kristall müßte elektr. neutral sein

Zuleitungen N-Leiter => UMn und UMp, bei UMp > UMn Diff. zu P

unbeleuchtet, keine Spannung => UMp + UMn + Upn = 0

bei Licht, Auflösung von PN => UMp + UMn + Upn` = UF

Upn'<upn uf max. upn

kurzschluß: außen von p zu n innen von n zu p grenzfrequenz:

höhere frequenz> geringere Eindringtiefe

hohe Absorbtion , hohe Rekombination

- Widerstand sinkt bei Beleuchtung um ein vielfaches

- Stromstärke fast unabhängig von angelegter Spannung

zu erst Anstieg, dann Grenzwert

- Stromstärke steigt fast linear mit Beleuchtungsstärke Diagram

Material: - dotiertes Germanium oder Silber

- Halbleiterschicht so dann, daß von Licht durchsetzbar

- meist in lichtundurchlässigen Gehäusen mit kleiner Öffnung

(oft mit noch mit Glaslinse zu Bündelung)

- lichtempfindliche Schicht etwa 1mm2

Betrieb: - Anschluß im Unterschied zum Widerstand, richtungsabhängig

- Betrieb: stets in Sperrichtung, sonst sowieso leitend

Eigenschaften: - geringer Dunkelstrom, hochohmig

- geringere Strombelastung gegenüber Widerstand

=> keine direkte Ansteuerung von Relais, Verstärker nötig

- geringe Verlustleistung 20 bis 100mWatt, wenig belastbar

(bis 100 mikro-Ampere)

- erkennbare Wechselvorgänge bis 100kHz => Datenübertragung

- größte spektrale Empfindlichkeit im Infra-Rot-Bereich

- Si- im sichtbaren empfindlicher als Ge-Dioden

- aktives Bauelement

- Temperaturabhängigkeit sehr gering

- sehr kleine Bauweise (>1mm Durchmesser) => Mikroelektronik

- auch als Photoelement verwendbar;

mit zunehmender Beleuchtung, zunehmende Spannung

(bei 100 Lux 100 bis 400 mV) Anwendung im Phototransistor

Schaltzeichen

Anwendung: - Abtasten von Filmstreifen (Tonspur)

- früher Abtasten von Lochstreifen

- codierte Briefverteilung (Barcodes, CD-Player)

- in Verbindung mit LED: Lichtschranken, Optokoppler

- Infrarot Fernbedienung

- Lichtmessung

- großflächige Siliziumfotodioden als Solarzellen (10%)