Referat 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 - 73oC zu bei höheren Temperaturen bricht die Kristallstruktur auf

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

bereits bei 0oC 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 1 12 ein Fremdatom, Leitfähigkeit

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

jedes f nfte 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 ) und Silizium ) 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)

bis 1 2 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 2-1

Eigenschaften: - hoher Dunkelwiderstand, hochohmig, kaum meßbarer Strom

bei zunehmender Beleuchtung sinkt Widerstand auf 1 10 0 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. 0 bis 1000Hz (3kHz)

- hoch belastbar, direkte Ansteuerung von Relais ohne Verstärker

Verlustleistung 1 5 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 7; Se 6

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

- Elektronen aus N-Schicht werden über bergang 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 gegen ber Widerstand

=> keine direkte Ansteuerung von Relais, Verstärker nötig

- geringe Verlustleistung 20 bis 00mWatt, wenig belastbar

(bis 1 0 mikro-Ampere)

- erkennbare Wechselvorgänge bis 00kHz => 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 1 0 Lux 1 0 bis 00 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 0%)