Photodiode

Fotodiode ⓘ
	Eine Ge-Photodiode (oben) und drei Si-Photodioden (unten)
Typ	Passiv, Diode
Funktionsprinzip	Wandelt Licht in Strom um
Pin-Konfiguration	Anode und Kathode
Elektronisches Symbol

Eine Fotodiode ist eine lichtempfindliche Halbleiterdiode. Sie erzeugt Strom, wenn sie Photonen absorbiert. ⓘ

Das Gehäuse einer Fotodiode ermöglicht es, dass Licht (oder infrarote oder ultraviolette Strahlung oder Röntgenstrahlen) den empfindlichen Teil des Bauelements erreicht. Das Gehäuse kann Linsen oder optische Filter enthalten. Speziell für den Einsatz als Fotodiode konzipierte Bauelemente verwenden einen PIN- statt einen p-n-Übergang, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Fotodioden haben in der Regel eine langsamere Ansprechzeit, wenn ihre Oberfläche zunimmt. Eine Fotodiode ist für den Betrieb in Sperrrichtung ausgelegt. Eine Solarzelle, die zur Erzeugung von elektrischem Solarstrom verwendet wird, ist eine großflächige Fotodiode. ⓘ

Fotodioden werden in wissenschaftlichen und industriellen Instrumenten zur Messung der Lichtintensität verwendet, entweder um ihrer selbst willen oder als Maß für eine andere Eigenschaft (z. B. die Dichte von Rauch). Eine Fotodiode kann als Empfänger von Daten verwendet werden, die auf einem Infrarotstrahl kodiert sind, wie z. B. in Haushaltsfernbedienungen. Fotodioden können als Optokoppler eingesetzt werden, der die Übertragung von Signalen zwischen Schaltkreisen ohne direkte metallische Verbindung zwischen ihnen ermöglicht, was eine Isolierung gegen hohe Spannungsunterschiede erlaubt. ⓘ

Verschiedene Bauformen von Photodioden ⓘ

Funktionsprinzip

Eine Fotodiode ist eine PIN-Struktur oder ein p-n-Übergang. Wenn ein Photon mit ausreichender Energie auf die Diode trifft, entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Dieser Mechanismus wird auch als innerer photoelektrischer Effekt bezeichnet. Wenn die Absorption im Verarmungsgebiet des Übergangs oder eine Diffusionslänge davon entfernt stattfindet, werden diese Ladungsträger durch das eingebaute elektrische Feld des Verarmungsgebiets aus dem Übergang herausgefegt. So bewegen sich Löcher zur Anode und Elektronen zur Kathode, und es entsteht ein Fotostrom. Der Gesamtstrom durch die Fotodiode ist die Summe des Dunkelstroms (Strom, der in Abwesenheit von Licht erzeugt wird) und des Fotostroms, so dass der Dunkelstrom minimiert werden muss, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu maximieren. ⓘ

Für eine gegebene spektrale Verteilung ist der Fotostrom linear proportional zur Bestrahlungsstärke. ⓘ

Photovoltaischer Modus

I-U-Kennlinie einer Fotodiode. Die linearen Lastlinien stellen die Reaktion des externen Stromkreises dar: I=(Angelegte Vorspannung-Diodenspannung)/Gesamtwiderstand. Die Schnittpunkte mit den Kurven stellen den tatsächlichen Strom und die Spannung für eine bestimmte Vorspannung, einen bestimmten Widerstand und eine bestimmte Beleuchtung dar. ⓘ

Im photovoltaischen Modus (Nullvorspannung) fließt der Fotostrom durch einen Kurzschluss zur Kathode in die Anode. Wird der Stromkreis geöffnet oder weist er eine Lastimpedanz auf, die den Fotostrom aus dem Bauelement heraus begrenzt, baut sich eine Spannung in der Richtung auf, die die Diode in Vorwärtsrichtung vorspannt, d. h. die Anode ist im Verhältnis zur Kathode positiv. Wenn der Stromkreis kurzgeschlossen oder die Impedanz niedrig ist, wird ein Durchlassstrom den gesamten oder einen Teil des Fotostroms verbrauchen. Dieser Modus nutzt den photovoltaischen Effekt, der die Grundlage für Solarzellen bildet - eine herkömmliche Solarzelle ist lediglich eine großflächige Fotodiode. Um eine optimale Leistung zu erzielen, wird die Solarzelle mit einer Spannung betrieben, die im Vergleich zum Fotostrom nur einen geringen Durchlassstrom verursacht. ⓘ

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-Sensoren 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-Effekt 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 differentielle Widerstand sehr groß ist, hängt der Strom kaum von der Betriebsspannung ab. ⓘ

Photoleitfähiger Modus

Im fotoleitenden Modus ist die Diode in Sperrichtung vorgespannt, d. h. die Kathode ist im Verhältnis zur Anode positiv. Dadurch verkürzt sich die Ansprechzeit, da die zusätzliche Sperrvorspannung die Breite der Verarmungsschicht vergrößert, wodurch die Kapazität des Übergangs abnimmt und der Bereich mit einem elektrischen Feld vergrößert wird, in dem die Elektronen schnell gesammelt werden können. Durch die Sperrvorspannung wird auch ein Dunkelstrom erzeugt, ohne dass sich der Fotostrom wesentlich ändert. ⓘ

Obwohl dieser Modus schneller ist, kann der photoleitende Modus mehr elektronisches Rauschen aufgrund von Dunkelstrom oder Avalanche-Effekten aufweisen. Der Leckstrom einer guten PIN-Diode ist so gering (<1 nA), dass das Johnson-Nyquist-Rauschen des Lastwiderstands in einer typischen Schaltung oft dominiert. ⓘ

Aufbau

Nahaufnahme einer Photodiode ⓘ

Photodioden werden aus Elementhalbleitern wie Silizium, Germanium oder aus Verbindungshalbleitern wie Indiumgalliumarsenid hergestellt. In folgender Tabelle sind einige übliche Werkstoffe für verschiedene Typen von Photodioden und der Bereich der nutzbaren optischen Empfindlichkeit angegeben:

Halbleitermaterial	Empfindlichkeit Wellenlänge (nm) ⓘ
Silizium	.0190–01.100
Germanium	.0400–01.700
Indiumgalliumarsenid	.0800–02.600
Blei(II)-sulfid	1.000–03.500
Quecksilber-Cadmium-Tellurid	.0400–14.000
Cadmiumtellurid	5.000–20.000

Der Bereich des sichtbaren Lichts 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 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 des Auges angleicht. Dagegen besitzen Photodioden zum Empfang infraroter Signale (wie in Fernbedienungen) einen Tageslicht-Sperrfilter. Sie sind zum Beispiel in dunkel eingefärbtem Kunstharz vergossen und dadurch vor Störungen durch sichtbares Licht geschützt. ⓘ

Eine typische Silizium-Photodiode besteht aus einem schwach n-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. Auf der Oberfläche ist eine Schutzschicht als Passivierung und Antireflexionsschicht. Oft befindet sich vor der Photodiode zusätzlich ein lichtdurchlässiges Schutzfenster oder sie befindet sich in transparentem Vergussmaterial. ⓘ

PIN-Photodioden weisen durch die intrinsische Schicht zwischen p- und n-Schicht im Allgemeinen eine höhere zulässige Sperrspannung und eine geringere Sperrschichtkapazität C_S auf. Dadurch wird die Bandbreite vergrößert. Im Gegensatz zu Photowiderständen (LDR) besitzen Photodioden wesentlich kürzere Ansprechzeiten. Typische Grenzfrequenzen 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. ⓘ

Das für die Herstellung einer Fotodiode verwendete Material ist entscheidend für ihre Eigenschaften, da nur Photonen mit ausreichender Energie, um Elektronen über die Bandlücke des Materials anzuregen, signifikante Fotoströme erzeugen. ⓘ

In der nachstehenden Tabelle sind die für die Herstellung von Fotodioden üblicherweise verwendeten Materialien aufgeführt. ⓘ

Binäre Materialien wie MoS₂ und Graphen sind als neue Materialien für die Herstellung von Fotodioden aufgetaucht. ⓘ

Unerwünschte und erwünschte Photodiodeneffekte

Jeder p-n-Übergang ist, wenn er beleuchtet wird, potenziell eine Fotodiode. Halbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren und ICs enthalten p-n-Übergänge und funktionieren nicht richtig, wenn sie von unerwünschter elektromagnetischer Strahlung (Licht) mit einer Wellenlänge beleuchtet werden, die einen Fotostrom erzeugen kann. Dies wird vermieden, indem die Bauelemente in lichtundurchlässigen Gehäusen untergebracht werden. Sind diese Gehäuse nicht vollständig undurchlässig für energiereiche Strahlung (Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen), können Dioden, Transistoren und ICs aufgrund von induzierten Fotoströmen Fehlfunktionen aufweisen. Auch die von der Verpackung ausgehende Hintergrundstrahlung ist von Bedeutung. Die Strahlungshärtung mildert diese Auswirkungen. ⓘ

In einigen Fällen ist dieser Effekt sogar erwünscht, z. B. wenn LEDs als lichtempfindliche Bauelemente (siehe LED als Lichtsensor) oder sogar zur Energiegewinnung eingesetzt werden sollen, was dann manchmal als lichtemittierende und lichtabsorbierende Dioden (LEADs) bezeichnet wird. ⓘ

Merkmale

Verhalten einer Silizium-Photodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts ⓘ

Zu den kritischen Leistungsparametern einer Fotodiode gehören die spektrale Empfindlichkeit, der Dunkelstrom, die Ansprechzeit und die rauschäquivalente Leistung. ⓘ

Spektrale Empfindlichkeit: Die spektrale Empfindlichkeit ist das Verhältnis des erzeugten Photostroms zur Leistung des einfallenden Lichts, ausgedrückt in A/W bei Verwendung im photoleitenden Modus. Die Wellenlängenabhängigkeit kann auch als Quantenwirkungsgrad oder als Verhältnis zwischen der Zahl der erzeugten Ladungsträger und der Zahl der einfallenden Photonen ausgedrückt werden, was eine einheitenlose Größe ist. ⓘ

Dunkler Strom: Der Dunkelstrom ist der Strom durch die Fotodiode in Abwesenheit von Licht, wenn sie im fotoleitenden Modus betrieben wird. Der Dunkelstrom umfasst den durch die Hintergrundstrahlung erzeugten Fotostrom und den Sättigungsstrom des Halbleiterübergangs. Der Dunkelstrom muss bei der Kalibrierung berücksichtigt werden, wenn eine Fotodiode für eine genaue optische Leistungsmessung verwendet wird, und er stellt auch eine Rauschquelle dar, wenn eine Fotodiode in einem optischen Kommunikationssystem verwendet wird. ⓘ

Ansprechzeit: Die Ansprechzeit ist die Zeit, die der Detektor benötigt, um auf ein optisches Eingangssignal zu reagieren. Ein von einem Halbleitermaterial absorbiertes Photon erzeugt ein Elektronen-Loch-Paar, das sich unter der Wirkung des elektrischen Feldes im Material bewegt und so einen Strom erzeugt. Die endliche Dauer dieses Stroms wird als Transitzeitspanne bezeichnet und kann mit Hilfe des Ramo-Theorems ermittelt werden. Mit diesem Theorem kann man auch zeigen, dass die im äußeren Stromkreis erzeugte Gesamtladung e ist und nicht 2e, wie man aufgrund der Anwesenheit der beiden Ladungsträger erwarten könnte. Der Widerstand und die Kapazität der Fotodiode und des externen Schaltkreises führen zu einer weiteren Reaktionszeit, die als RC-Zeitkonstante ( $\tau =RC$ ). Durch die Kombination von R und C wird die Photoreaktion über die Zeit integriert und somit die Impulsantwort der Photodiode verlängert. Bei der Verwendung in einem optischen Kommunikationssystem bestimmt die Ansprechzeit die Bandbreite, die für die Signalmodulation und damit für die Datenübertragung zur Verfügung steht. ⓘ

Rauschäquivalente Leistung: Die rauschäquivalente Leistung (NEP) ist die minimale optische Eingangsleistung zur Erzeugung eines Fotostroms, der dem Effektivwert des Rauschstroms in einer Bandbreite von 1 Hertz entspricht. Die NEP ist im Wesentlichen die minimale detektierbare Leistung. Die zugehörige charakteristische Detektivität ( $D$ ) ist der Kehrwert von NEP (1/NEP) und die spezifische Detektivität ( $D^{\star }$ ) ist die Detektivität multipliziert mit der Quadratwurzel aus der Fläche ( $A$ ) des Photodetektors ( $D^{\star }=D{\sqrt {A}}$ ) bei einer Bandbreite von 1 Hz. Mit der spezifischen Detektivität können verschiedene Systeme unabhängig von der Sensorfläche und der Systembandbreite verglichen werden; ein höherer Wert für die Detektivität weist auf ein rauscharmes Gerät oder System hin. Obwohl es üblich ist, ( $D^{\star }$ ) in vielen Katalogen als Maß für die Qualität der Diode angegeben wird, ist sie in der Praxis kaum jemals der entscheidende Parameter. ⓘ

Wenn eine Fotodiode in einem optischen Kommunikationssystem verwendet wird, tragen alle diese Parameter zur Empfindlichkeit des optischen Empfängers bei, d. h. zur Mindesteingangsleistung, die der Empfänger benötigt, um eine bestimmte Bitfehlerrate zu erreichen. ⓘ

Anwendungen

P-n-Photodioden werden in ähnlichen Anwendungen eingesetzt wie andere Photodetektoren, z. B. Photoleiter, ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD) und Photomultiplier-Röhren. Sie können verwendet werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das von der Beleuchtung abhängt (analog für Messungen), oder um den Zustand von Schaltkreisen zu ändern (digital, entweder zur Steuerung und Schaltung oder zur digitalen Signalverarbeitung). ⓘ

Fotodioden werden in Geräten der Unterhaltungselektronik eingesetzt, z. B. in Compact-Disc-Playern, Rauchmeldern, medizinischen Geräten und Empfängern für Infrarot-Fernbedienungen, die zur Steuerung von Geräten wie Fernsehern oder Klimaanlagen verwendet werden. Für viele Anwendungen können entweder Fotodioden oder Fotoleiter verwendet werden. Beide Arten von Fotosensoren können zur Lichtmessung verwendet werden, z. B. in Kamera-Belichtungsmessern, oder um auf Lichtpegel zu reagieren, z. B. beim Einschalten der Straßenbeleuchtung bei Dunkelheit. ⓘ

Fotosensoren aller Typen können auf einfallendes Licht oder auf eine Lichtquelle reagieren, die Teil desselben Schaltkreises oder Systems ist. Eine Fotodiode wird häufig in einem einzigen Bauteil mit einem Lichtemitter, in der Regel einer Leuchtdiode (LED), kombiniert, entweder um das Vorhandensein eines mechanischen Hindernisses für den Lichtstrahl zu erkennen (optischer Schlitzschalter) oder um zwei digitale oder analoge Schaltkreise zu koppeln und dabei eine extrem hohe elektrische Isolierung zwischen ihnen aufrechtzuerhalten, häufig aus Sicherheitsgründen (Optokoppler). Die Kombination von LED und Fotodiode wird auch in vielen Sensorsystemen verwendet, um verschiedene Arten von Produkten auf der Grundlage ihrer optischen Absorption zu charakterisieren. ⓘ

Fotodioden werden häufig zur genauen Messung der Lichtintensität in Wissenschaft und Industrie eingesetzt. Sie haben im Allgemeinen ein lineareres Ansprechverhalten als Fotoleiter. ⓘ

Sie sind auch in verschiedenen medizinischen Anwendungen weit verbreitet, z. B. als Detektoren für die Computertomographie (gekoppelt mit Szintillatoren), als Instrumente zur Analyse von Proben (Immunoassay) und als Pulsoximeter. ⓘ

PIN-Dioden sind viel schneller und empfindlicher als p-n-Übergangsdioden und werden daher häufig für die optische Kommunikation und die Beleuchtungsregelung eingesetzt. ⓘ

P-n-Photodioden werden nicht zur Messung extrem niedriger Lichtintensitäten verwendet. Wenn eine hohe Empfindlichkeit erforderlich ist, werden stattdessen Avalanche-Photodioden, verstärkte ladungsgekoppelte Bauelemente oder Photomultiplier-Röhren für Anwendungen wie Astronomie, Spektroskopie, Nachtsichtgeräte und Laserentfernungsmessung eingesetzt. ⓘ

Vergleich mit Photomultipliern

Vorteile im Vergleich zu Fotovervielfachern:

Ausgezeichnete Linearität des Ausgangsstroms in Abhängigkeit vom einfallenden Licht
Spektralbereich von 190 nm bis 1100 nm (Silizium), längere Wellenlängen bei anderen Halbleitermaterialien
Geringes Rauschen
Widerstandsfähig gegen mechanische Beanspruchung
Niedrige Kosten
Kompakt und leicht
Lange Lebensdauer
Hohe Quanteneffizienz, typischerweise 60-80%
Keine Hochspannung erforderlich ⓘ

Nachteile im Vergleich zu Photomultipliern:

Kleine Fläche
Keine interne Verstärkung (außer bei Avalanche-Photodioden, aber deren Verstärkung beträgt typischerweise 10²-10³ im Vergleich zu 10⁵-10⁸ beim Photomultiplier)
Viel geringere Gesamtempfindlichkeit
Photonenzählung nur mit speziell konstruierten, in der Regel gekühlten Photodioden und mit speziellen elektronischen Schaltungen möglich
Die Reaktionszeit ist bei vielen Designs langsamer
Latenter Effekt ⓘ

Gepinnte Photodiode

Die Pinned-Photodiode (PPD) hat ein flaches Implantat (P+ oder N+) in einer N-Typ- bzw. P-Typ-Diffusionsschicht über einer P-Typ- bzw. N-Typ-Substratschicht, so dass die dazwischen liegende Diffusionsschicht vollständig von Majoritätsüberträgern befreit werden kann, ähnlich wie der Basisbereich eines Bipolar-Übergangstransistors. Der PPD (in der Regel PNP) wird in CMOS-Aktivpixelsensoren verwendet; eine NPN-Vorläufervariante mit einer getakteten oberen N-Schicht wurde 1975 bei Sony für den Einsatz in CCD-Bildsensoren erfunden. ⓘ

Frühe Bildsensoren mit ladungsgekoppelten Bauelementen litten unter einer Auslöseverzögerung. Dies wurde mit der Erfindung der Pinned-Photodiode weitgehend behoben. Sie wurde 1980 von Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki und Yasuo Ishihara bei NEC erfunden. Sie erkannten, dass die Verzögerung beseitigt werden kann, wenn die Signalträger von der Fotodiode zum CCD übertragen werden können. Dies führte zu ihrer Erfindung der Pinned-Photodiode, einer Photodetektorstruktur mit geringer Verzögerung, geringem Rauschen, hoher Quanteneffizienz und niedrigem Dunkelstrom. Sie wurde erstmals 1982 von Teranishi und Ishihara zusammen mit A. Kohono, E. Oda und K. Arai öffentlich vorgestellt, wobei eine Anti-Blooming-Struktur hinzugefügt wurde. Die bei NEC erfundene neue Photodetektorstruktur erhielt 1984 von B.C. Burkey bei Kodak den Namen "pinned photodiode" (PPD). Ab 1987 wurde die PPD in die meisten CCD-Sensoren eingebaut und hielt Einzug in elektronische Videokameras und später in digitale Fotokameras. ⓘ

Im Jahr 1994 schlug Eric Fossum, der am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA arbeitete, eine Verbesserung des CMOS-Sensors vor: die Integration der Pinned Photodiode. Ein CMOS-Sensor mit PPD-Technologie wurde erstmals 1995 von einem gemeinsamen Team von JPL und Kodak hergestellt, dem neben Fossum auch P.P.K. Lee, R.C. Gee, R.M. Guidash und T.H. Lee angehörten. Seitdem wurde die PPD in fast allen CMOS-Sensoren eingesetzt. Der CMOS-Sensor mit PPD-Technologie wurde 1997 von R.M. Guidash, 2000 von K. Yonemoto und H. Sumi und 2003 von I. Inoue weiterentwickelt und verfeinert. Dies führte dazu, dass CMOS-Sensoren eine Abbildungsleistung erreichten, die der von CCD-Sensoren ebenbürtig war und später sogar die von CCD-Sensoren übertraf. ⓘ

Fotodioden-Array

Ein eindimensionaler Photodioden-Array-Chip mit mehr als 200 Dioden in der Mitte der Zeile ⓘ

Ein zweidimensionales Fotodioden-Array von nur 4 × 4 Pixeln belegt die linke Seite des ersten optischen Maussensor-Chips, ca. 1982. ⓘ

Eine eindimensionale Anordnung von Hunderten oder Tausenden von Fotodioden kann als Positionssensor verwendet werden, z. B. als Teil eines Winkelsensors. Eine zweidimensionale Anordnung wird in Bildsensoren und optischen Mäusen verwendet. ⓘ

In einigen Anwendungen ermöglichen Fotodioden-Arrays eine parallele Hochgeschwindigkeitsauslesung, im Gegensatz zur Integration von Abtastelektronik wie in einem CCD- oder CMOS-Sensor. Der auf dem Foto gezeigte optische Mauschip hat parallelen (nicht gemultiplexten) Zugriff auf alle 16 Fotodioden in seinem 4 × 4-Array. ⓘ

Passiv-Pixel-Bildsensor

Der Passiv-Pixel-Sensor (PPS) ist eine Art von Fotodioden-Array. Er war der Vorläufer des Aktivpixelsensors (APS). Ein Passivpixelsensor besteht aus passiven Pixeln, die ohne Verstärkung ausgelesen werden, wobei jedes Pixel aus einer Fotodiode und einem MOSFET-Schalter besteht. In einem Fotodioden-Array enthalten die Pixel einen p-n-Übergang, einen integrierten Kondensator und MOSFETs als Auswahltransistoren. Ein Fotodioden-Array wurde 1968 von G. Weckler vorgeschlagen, also noch vor dem CCD. Dies war die Grundlage für das PPS. ⓘ

Das Rauschen von Fotodioden-Arrays stellt manchmal eine Leistungseinschränkung dar. In den 1970er Jahren war es nicht möglich, aktive Pixelsensoren mit einer praktikablen Pixelgröße herzustellen, da die Mikrolithografie-Technologie zu dieser Zeit begrenzt war. ⓘ

Betriebsarten

Kennlinie einer Photodiode ⓘ

Photodioden können in den folgenden drei Betriebsarten eingesetzt sein:

Betrieb in Vorwärtsrichtung als Photoelement oder als Solarzelle. 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 Photovoltaikanlagen angestrebte Arbeitspunkt (engl. 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-Sensoren 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. ⓘ

Kennwerte und Anwendungen

Schaltzeichen ⓘ

Beispielhafte Kennwerte dienen zur Beschreibung einer Photodiode, in Klammern als Beispiel die Werte der Silizium-Photodiode BP 104:

Zulässige Sperrspannung (20 Volt)
Spektrale Photoempfindlichkeit (55 nA / lx beziehungsweise bei 850 nm 0,62 A/W)
Spektralbereich der Photoempfindlichkeit (400 bis 1100 nm) ⓘ

Anwendungen liegen bei Belichtungsmessern mit einer großflächigen Selen-Photodiode, die direkt ein Drehspulmesswerk speisen, Sensoren in Digitalkameras, Empfangselemente für Lichtwellenleiter. ⓘ

Weltweite Forschungsaktivitäten konzentrieren sich insbesondere auf die Entwicklung preiswerter Solarzellen, verbesserter CCD- und CMOS-Bildsensoren sowie auf schnellere und empfindlichere Photodioden für Glasfaser-Nachrichtennetze. ⓘ