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 - Ãœbergang (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' 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%)

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