Technische Optik in der Praxis

7.3 Detektoren 197
Der Verlauf entspricht dem von Abb. 7.15. Die Schaltzeiten sind flächenabhängig.
Mit einer 100 mm 2 -Diode lassen sich z. B. 33 µs, aber auch 10 ns
(pin-Fotodiode) Anstiegszeit realisieren [17]. Großflächige Detektoren finden
in der Sensortechnik (z. B. Positionserfassung) Anwendung. Bei der Multispektral-Fotodiode
MSD4902 vom IHE kann das Maximum der spektralen
Empfindlichkeit mit Hilfe der Diodenspannung von Blau bis Rot verschoben
werden.
Zur Strahlungsdetektion im nahen Inrarotbereich oberhalb 1,1 µm eignen
sich Fotodioden aus den III-V-Halbleitern wie InGaAs auf InP-Substrat.
Diese Dioden werden vor allem für die Lichtleiter-Nachrichtentechnik bei 1,3
und 1,55 µm gefertigt. Geringe Flächen und Kompromisse beim Quantenwirkungsgrad
erlauben Arbeitsfrequenzen im GHz-Bereich, wie z. B. GaAs-Pin-
Fotodioden für 850 nm bei 5 V Sperrspannung von ABB Hafo. Fotodioden
der PX-Serie von Newport besitzen bei Zeitkonstanten von 7 ps Bandbreiten
bis zu 60 GHz.
Detektoren für das mittlere und ferne Infrarot werden für die Temperaturmeßtechnik
und für die vor allem lasergestützte Spektroskopie benötigt.
Hier kommen PbS (bis 4,5 µm), InSb (bis 5,5 µm), PbSe (bis 7 µm) und
HgCdTe (> 12 µm) zum Einsatz. Bei 12 µm Wellenlänge können nur noch
Detektivitäten um 10 10 cm · Hz 1/2 · W −1 erzielt werden, da hier ein Hintergrund
von 300 K sein Strahlungsmaximum besitzt und einen entsprechend
hohen signalunabhängigen Fotorauschstrom erzeugt.
Die Signale von Fotodetektoren müssen meist verstärkt werden. Die optimale
Schaltungsauslegung stützt sich auf die dynamische Ersatzschaltung der
Fotodiode (s. Abb. 7.19). Ein weiteres Entwurfskriterium bildet das Rauschverhalten
des Detektors. Die Ersatzschaltung wird dazu durch entsprechende
Rauschquellen ergänzt.
Für sehr schwache Strahlung werden thermoelektrisch gekühlte Fotodioden
mit integriertem Vorverstärker, wie z. B. Si-Detektoren für 200 bis
1100 nm und InGaAs-Detektoren für 850 bis 1700 nm von HTE, angeboten.
Die Kühlung von Fotodioden für den längerwelligen Bereich erfolgt auch
mit flüssigem Stickstoff oder mit kleinen Sterlingkühlern, wie z. B. bei einem
schnellen 1MHz-HgCdTe-Detektor von 1mm 2 Fläche für 2 bis 11 µm mit
10 000 Stunden Betriebszeit.
Abb. 7.19. Ersatzschaltung