Fotodiode

Der Empfänger der Fernbedienung, der Sensor, der im Smartphone die Bildschirmhelligkeit nachregelt, der Pulsmesser am Handgelenk, der Empfänger am Ende einer Glasfaser: Wo Licht schnell und genau gemessen werden soll, sitzt eine Fotodiode. Sie ist das Gegenstück zur LED. Die LED macht aus Strom Licht, die Fotodiode aus Licht Strom – und das sehr genau proportional zur Lichtmenge und so schnell, dass Signale bis in den Gigahertzbereich möglich sind.

Aufbau und Funktionsweise

Eine Fotodiode ist eine Siliziumdiode mit einem großflächigen pn-Übergang, der durch ein klares Gehäuse oder ein Glasfenster dem Licht zugänglich ist. Trifft ein Lichtteilchen mit genügend Energie auf den Kristall, löst es ein Elektron aus seiner Bindung. Es entsteht ein Paar aus freiem Elektron und Loch. Geschieht das in der Raumladungszone oder nahe daran, trennt das dort herrschende elektrische Feld die beiden: Das Elektron wandert zur n-Seite, das Loch zur p-Seite. Von außen gesehen fließt ein Strom in Sperrrichtung, der Fotostrom. Je mehr Licht, desto mehr Paare, desto mehr Strom. Die Physik dahinter, auch warum Silizium nur bis etwa 1100 nm empfindlich ist, steht unter Optoelektronik.

Die meisten heutigen Fotodioden sind PIN-Dioden: Zwischen p- und n-Schicht liegt eine breite, kaum dotierte (intrinsische) Zone. Sie vergrößert den Bereich, in dem Licht wirksam Ladungen erzeugt, und verringert die Sperrschichtkapazität. Beides macht die Diode empfindlicher und schneller.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist das der Diode mit zwei Pfeilen, die auf das Bauteil zeigen – Licht fällt ein. Bei der LED zeigen sie vom Bauteil weg. Im üblichen Sperrbetrieb liegt die Kathode an der positiveren Spannung. Am Bauteil kennzeichnen Herstellerangaben, eine Abflachung, ein kürzeres Bein oder ein Punkt die Kathode; bei SMD-Typen hilft nur das Datenblatt. Mehr zu den Symbolen unter Schaltzeichen.

Kennlinie und Betriebsarten

Im Dunkeln hat die Fotodiode die gewöhnliche Diodenkennlinie. Licht verschiebt die ganze Kurve nach unten, und zwar um den Fotostrom. Dabei kannst du zwei Bereiche nutzen:

• Sperrbetrieb (fotoleitend): Du legst eine Sperrspannung an. Der Strom hängt dann kaum noch von der Spannung ab, sondern nur vom Licht. Die Sperrspannung verbreitert die Raumladungszone, die Kapazität sinkt, die Diode wird schneller. Nachteil: Auch im Dunkeln fließt ein kleiner Dunkelstrom.
• Elementbetrieb (fotovoltaisch): Ohne äußere Spannung erzeugt die beleuchtete Diode selbst eine Spannung, wie eine kleine Solarzelle. Im Leerlauf liegen bei Silizium einige hundert Millivolt an, die nur logarithmisch mit dem Licht wachsen. Schließt du die Diode kurz, fließt der Kurzschlussstrom – und der ist wieder streng proportional zum Licht.

Kennwerte

Die wichtigste Angabe ist die spektrale Empfindlichkeit in A/W: wie viel Fotostrom ein Watt Lichtleistung bei einer bestimmten Wellenlänge erzeugt. Silizium erreicht im nahen Infrarot um 900 nm etwa 0,6 A/W, im Blauen deutlich weniger. Am Beispiel der verbreiteten PIN-Fotodiode BPW34 von Vishay:

Der Dunkelstrom wächst stark mit der Temperatur, als Faustregel verdoppelt er sich alle 10 K (siehe Temperaturverhalten von Halbleitern). Für schwaches Licht ist er die Grenze der Messung; im Elementbetrieb ohne Spannung fällt er fast weg.

Bauformen

• Flaches Kunststoffgehäuse mit großer Fläche, etwa BPW34 – der Klassiker für Messungen und Experimente.
• Rundes 5-mm-Gehäuse mit Linse, wie eine LED. Typen in schwarzem Kunststoff wirken als Tageslichtsperrfilter und lassen nur Infrarot durch – gut für IR-Empfänger und Lichtschranken.
• SMD-Gehäuse für Serienplatinen, oft mit Infrarotfilter für Umgebungslichtsensoren, die wie das Auge empfinden sollen.
• Metallgehäuse (TO) mit Glasfenster für Präzisionsmessungen und schnelle Empfänger.
• Integrierte Lichtsensoren, bei denen Fotodiode, Verstärker und Analog-Digital-Wandler in einem Chip sitzen und den Messwert per I²C liefern.

Schaltungen

Mit Arbeitswiderstand: Die Fotodiode liegt in Sperrrichtung mit einem Widerstand in Reihe an der Versorgung. Der Fotostrom erzeugt am Widerstand eine Spannung nach dem Ohmschen Gesetz, U = I_P · R. Das ist einfach, hat aber einen Haken: Die Spannung an der Diode ändert sich mit dem Signal, und Widerstand und Sperrschichtkapazität bilden ein RC-Glied, das die Bandbreite begrenzt.

Grenzfrequenzen für andere Werte rechnest du hier aus:

Mit Transimpedanzverstärker: Ein Operationsverstärker hält die Spannung an der Diode auf null und schickt den Fotostrom durch einen Rückkopplungswiderstand R_F. Die Ausgangsspannung ist U_A = I_P · R_F – bei 10 µA und 100 kΩ also 1 V. Weil die Diode keine Spannungsänderung mehr sieht, stört ihre Kapazität viel weniger; außerdem fällt im Elementbetrieb der Dunkelstrom weg. Ein kleiner Kondensator parallel zu R_F, oft wenige Picofarad, verhindert, dass der Verstärker schwingt.

Typische Anwendungen sind Belichtungs- und Helligkeitsmessung, Lichtschranken und Drehgeber (siehe Lichtschranke), Datenübertragung über Glasfaser, Pulsoximeter, Barcodeleser und der Empfänger im Optokoppler.

Auswahl und Praxistipps

Für helles, langsames Licht genügt manchmal ein Fotowiderstand, für mehr Signal bei wenig Aufwand der Fototransistor. Die Fotodiode nimmst du, wenn Linearität, großer Messbereich oder Geschwindigkeit zählen. Achte auf den Spektralbereich: Ein klares Gehäuse sieht Infrarot und sichtbares Licht, ein schwarzes nur Infrarot. Soll die Messung dem menschlichen Auge entsprechen, brauchst du einen Typ mit angepasster Empfindlichkeitskurve.

Häufige Fehler:

• Falsch gepolt: In Durchlassrichtung leitet die Diode einfach – dein „Messwert“ hat mit Licht nichts zu tun.
• Zu großer Arbeitswiderstand: Die Schaltung wird träge und übersteuert schon bei mäßigem Licht.
• Netzbrummen: Glühlampen und Leuchtstoffröhren flackern mit 100 Hz. Der Fotodiode entgeht das nicht; mittle über mehrere Perioden oder filtere.
• Lange Leitungen am hochohmigen Knoten: Die winzigen Ströme fangen Störungen ein. Setz Diode und Verstärker dicht zusammen.
• Fremdlicht bei Infrarot: Auch Sonnenlicht enthält viel Infrarot. Moduliere das Sendelicht und werte nur das modulierte Signal aus.

Selbsttest