Technische Optik in der Praxis

7.3 Detektoren 195
diode meist in Sperrichtung betrieben. Im thermischen Gleichgewicht hat
sich zwischen n- und p-Gebiet eine ladungsträgerfreie Raumladungszone –
die Sperrschicht – ausgebildet. In der dünnen Sperrschicht herrscht aufgrund
der Raumladung eine hohe Feldstärke. Ein bewegliches Elektron (d. h. es befindet
sich im Leitungsband des Halbleiters) würde in diesem Feld mit großer
Kraft in das n-Gebiet gedrängt werden. Ein Loch müßte auf Grund seiner
positiven Ladung der Kraft in Richtung p-Gebiet weichen. Fotodioden nutzen
wie Fotoleiter den inneren Fotoeffekt. Die Bestrahlung der Sperrschicht
führt bei Photonenabsorption zur Generierung von Elektron-Loch-Paaren,
die sofort der beschriebenen Kraftwirkung unterliegen. Das elektrische Feld
in der Sperrschicht bewirkt die Trennung von Elektronen und Löchern. Es
fließt ein Fotostrom. Ohne Bestrahlung fließt kein bzw. ein nur geringfügiger
Dunkelstrom.
Abbildung 7.17 zeigt die typische Strom/Spannungs-Kennlinie einer Fotodiode
mit und ohne Bestrahlung. Im Kurzschluß (wie in Abb. 7.16) ist die
Diodenspannung Null. Bei Bestrahlung wird durch die Photonen der Kurzschlußfotostrom
IF gemäß Gleichung (7.3) generiert. Im Leerlauf entsteht bei
Bestrahlung über der Diode die Spannung UF. Der Strom rekrutiert sich direkt
aus den durch Photonenabsorption generierten Elektron-Loch-Paaren.
Er ist daher proportional zur empfangenen Strahlungsleistung. Die Diodenspannung
ist über die Diodengleichung logarithmisch vom Strom und damit
von der Bestrahlung abhängig,
IF = IS · exp UF
− 1
(7.7)
UT
IS: Sperrstrom
UT : Temperaturspannung (ca. 25 mV bei 300 K).
Bei Detektoren im sichtbaren und nahen Infrarotbereich dominiert der
Kurzschlußbetrieb mit dem linearen Zusammenhang von Fotostrom und Bestrahlung.
Die spektrale Stromempfindlichkeit RI gemäß Gleichung (7.4)
berücksichtigt die Abhängigkeit des Quantenwirkungsgrades und der Photonenenergie
von der Wellenlänge. Ein hoher Quantenwirkungsgrad wird er-
Abb. 7.17. I/U-Kennlinie