Fotodioden

Wie jede Diode, besitzt sie einen P-N-Übergang. Die positive P-Schicht hat einen Überschuss an Löchern, die negative N-Schicht einen Überschuss an Elektronen.

Ein sogenanntes Verarmungsgebiet entsteht durch die Diffusion von Elektronen aus der N-Schicht in die P-Schicht und die Diffusion von Löchern aus der P-Schicht in die N-Schicht. Dadurch ergibt sich ein Bereich zwischen den beiden Schichten, in dem nur wenige freie Ladungsträger existieren.

Treffen Lichtteilchen – die Photonen – mit ausreichender Energie auf Atome des Halbleiters, werden Elektronen freigesetzt und hinterlassen an ihrer bisherigen Position sozusagen einen leeren Raum, den man als Loch bezeichnet. Die Elektronen bewegen sich in Richtung des positiven Potentials an der Kathode und die Löcher in Richtung des negativen Potentials an der Anode. Diese beweglichen Ladungsträger bilden den Fotostrom in der Diode.

Avalanche-Fotodioden

Avalanche-Fotodioden oder kurz APD nutzen die Stoß-Ionisation, die auch als Avalanche- oder Lawinen-Effekt bekannt ist. APDs erfordern eine hohe Sperrvorspannung nahe der Durchbruchsspannung in Sperrrichtung. Jeder Ladungsträger erzeugt mehr Elektronen-Loch-Paare, die sich durch den lawinenartigen Durchbruch multiplizieren. In der Diode entsteht eine interne Verstärkung, die wiederum die effektive Empfindlichkeit erhöht, da pro auftreffendem Photon ein größerer Strom erzeugt wird.

Der typische spektrale Ansprechbereich einer Avalanche-Fotodiode liegt bei 300 bis 1100 Nanometer. Allerdings ist das Stromrauschen in einer APD höher als in einer PIN-Fotodiode, dafür ist die Signalverstärkung viel größer. APDs besitzen im Allgemeinen eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit und die Fähigkeit, sichtbares Licht in niedrigeren Stufen zu erkennen oder zu messen.

Dabei ist die Fotodiode in Sperrichtung vorgespannt und erhält eine externe Spannung am P-N-Übergang. Der negative Pol ist mit der positiven P-Schicht verbunden und der positive Pol mit der negativen N-Schicht. Dies bewirkt, dass die freien Elektronen in der N-Schicht zum positiven Anschluss und die Löcher in der P-Schicht zum negativen Anschluss wandern. Es bilden sich negative Ionen mit zusätzlichen Elektronen. Die geladenen Atome widersetzen sich dem Fluss der freien Elektronen zur P-Schicht. Löcher durchlaufen den gleichen Prozess, um positive Ionen zu erzeugen, allerdings in umgekehrter Richtung. Bei umgekehrter Vorspannung fließt der Fotostrom nur bei einfallendem Licht.

Die Sperrvorspannung lässt das Potenzial über dem Verarmungsbereich ansteigen und verbreitert den Verarmungsbereichs. Dies ist ideal, um eine große Fläche für die Absorption der maximalen Menge an Photonen zu schaffen. Die Reaktionszeit wird außerdem durch die Sperrvorspannung verkürzt, da sich die Verarmungsschicht vergrößert. Die vergrößerte Breite verringert die Sperrschichtkapazität und erhöht Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger, wodurch sich die Reaktionszeit verbessert.

Ein Vorteil des Betriebs mit Sperrvorspannung ist die lineare Ausgabe des Fotostroms in Bezug auf die Beleuchtung. Das bedeutet, dass sich die Spannung und der Strom linear mit zunehmender optischer Leistung ändern.