Environmental Engineering Reference
In-Depth Information
Sperr−
−
−
+
−
−
E
−
−
−
−
−
E
zone
Abb. 6.16
Der schematische Schnitt durch eine Fotodiode. Links befindet sich das p-dotierte
Grundmaterial, rechts das n-dotierte, zwischen beiden die Sperrzone mit ihrem elektrischen Feld
E
. Wird durch Lichtabsorption in der Sperrzone ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, wandert wegen
des elektrischen Felds das Elektron in das n-dotierte Material, das Loch in das p-dotierte Material
sorgen die unbeweglichen, aber geladenen Rumpfatome des Halbleiters für den Aufbau des
gewünschten elektrischen Felds. Werden frei bewegliche Elektronen und Löcher innerhalb
der Sperrzonen durch Lichtabsorption erzeugt, so werden sie durch das elektrische Feld der
Sperrzone sofort getrennt, wie es in Abb.
6.16
schematisch gezeigt ist. Einen elektrischen
Kontakt zwischen einem p- und n-dotierten Halbleiter nennt man eine
Halbleiterdiode
,
wird diese zur Erzeugung eines elektrischen Stroms mittels Lichtabsorption benutzt, nennt
man sie eine
Fotodiode
.
Legt man eine Spannung
9
U
an eine Halbleiterdiode, so fließt durch die Diode ein elek-
trischer Strom
I
, wenn sich der positive Pol der Spannung an der p-dotierten Seite und
der negative Pol an der n-dotierten Seite der Halbleiterdiode befindet (Durchlassrichtung).
Vertauscht man die Polaritäten, fließt kein Strom (Sperrrichtung). Auf der P-Ebene wer-
den wir uns detaillierter mit dieser Eigenschat einer Halbleiterdiode beschätigen. In einer
Fotodiode tritt zusätzlich folgendes Phänomen auf: Werden Elektron-Loch-Paare in der
Sperrzoneerzeugt, fließt auch in Sperrrichtung ein Strom, der Fotostrom
I
F
,dessenStärke
den maximalen Wert
I
F,
bei der Spannung
U
F
=
erreicht (Kurzschlussstrom) und den
minimalen Wert
I
F
=
U
F,
(Leerlaufspannung). Die vollständi-
ge Strom-Spannungs-Kennlinie einer Fotodiode ist in Abb.
6.17
gezeigt, sie gehorcht der
Gleichung
für die Spannung
U
F
=
eU
kT
))+
I
=
I
(
−
exp
(−
I
F,
.
(6.42)
−
Cdie
Ladung eines Elektrons
. Die Leerlaufspannung einer Foto-
diode hat daher den Wert
Dabei ist
e
=−
,
⋅
kT
e
I
F,
I
)
U
F,
≈−
ln
(
,
(6.43)
9
Der Konvention folgend, verwenden wir für die elektrische Spannung nicht mehr das Symbol der
Potentialdifferenz Δ
ϕ
, sondern das geläufigere Symbol
U
.
