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436 Elektronik – U F /V II E= 0Lx 200Lx 400Lx 600Lx 800Lx 1000Lx I F 5 10 15 20 25 30 0,1 0,2 0,3 0,4 III I R /pA IV Bild XII-10 Vier-Quadranten-Kennlinienfeld einer Fotodiode I U F /V Kennlinienfeldes (Bild XII-10). Infolge der Ladungstrennung in der pn-Schicht durch das einfallende Licht und mit Unterstützung der Diffusionsspannung bildet sich eine Spannung in Durchlaßrichtung, daß heißt, es istkeineäußereBetriebsspannungnotwendig. Legt man einen Widerstand an die Kontaktierung der p- und n-Schichten, fließt ein Strom, der in bezug auf die Spannung negativ zu sehen ist. Damit hat man eine Spannungsquelle, die Licht direkt inelektrische Energie umwandelt (Fotoelement, Solarzelle). Fotoelement und Solarzelle unterscheiden sich nur dadurch, daß eine Solarzelle zur Erzeugung höherer Leistungen vorgesehen ist. Metallelektroden pn-Übergang Licht – + n-Schicht p-Schicht U A Bild XII-11 Schnitt durch einFotoelement Eine typische Solarzelle ist 10cm × 10 cm groß und besteht aus kristallinem Silizium. Der interne Aufbau und die Kontaktierung der Anschlüsse ist in Bild XII-11erkennbar. DieOberfläche istmit einer „Anti- 100 80 60 40 20 0 % Sonnenspektrum 400 500 600 700 800 900 1000 1100 sichtbares Licht CdSe Si Wellenlänge λ Bild XII-12 Strahlungsspektrumdes Sonnenlichtes und Spektralempfindlichkeit von Solarelementen reflex-Schicht“ (schwarzblaue Oberfläche) versehen, damit möglichst viel Licht eindringen kann. Zur Erzeugung höherer Leistungen werden solche Zellen parallel undinReihe zusammengeschaltet. Hundert solcher Solarzellen erbringen eine elektrische Leistung von 100 W unter der Bedingung, daß die Strahlungsleistung der Sonne 1000 W/m 2 beträgt. Der Wirkungsgrad liegt folglich bei 10%. Zur Energieumwandlung trägt bei Verwendung von Silizium nicht nur das sichtbare Licht bei, sondern nach Bild XII-12 auchLicht mit höherer Wellenlänge. Die Kennwerte von Fotoelementen, wie Leerlaufspannung U 0 und Kurzschlußstrom I K lassen sich mit den Meßschaltungen nachBild XII-13 ermitteln. Leerlaufspannung U 0 700 mV 600 500 400 300 200 100 0 U 0 I K 70 60 50 40 30 20 10 0 E Kennlinien eines Fotoelements Kurzschlußstrom I K μA U 0 I K Meßschaltungen Bild XII-13 Kennlinie und Meßschaltung eines Fotoelementes Solarzellen werden in zunehmendem Maße für die Energieversorung ortsfester Verbraucher mit niedrigem Verbrauch, wie zum Beispiel Leuchtbojen, Sendeanlagen, Parkscheinautomaten in Großstädten, kleinere Wochenendhäuser, verwendet. 2.3 Fototransistoren B C E Bild XII-14 Ersatzschaltbild und Schaltzeichen von Fototransistoren Wie jeder Transistor enthält auch der Fototransistor zwei pn-Übergänge, die lichtempfindlich sind, weshalb normale Transistoren in lichtundurchlässige Gehäuse gegossen werden. Hier wird die Kollektor- Basis-Sperrschicht als lichtempfindliche Schicht benutzt. Die Wirkungsweise und damit das Ersatz- B C E C E
XII Optoelektronik 437 schaltbild nach Bild XII-14 entspricht einer Fotodiode parallel zur CB-Strecke. Der durch die freigesetzten Ladungsträger hervorgerufene Strom wirkt wie ein Basisstrom. Die Lichtempfindlichkeit ist um den Verstärkungsfaktor B des Transistors größer als die der Fotodiode. Der Basisanschluß kann herausgeführt sein, was die Einstellung eines Arbeitspunktes erleichtert und die Steuermöglichkeiten vergrößert. 100 I C 10 1 0,1 0,01 0 E =3000lx 1000lx 300lx 100lx 30lx 0lx 5 10 15 20 25 U CE Das Ausgangskennlinienfeld des Transistors nach Bild XII-15 hat nicht mehr den Basisstrom I B als Parameter, sondern die Beleuchtungsstärke E . Bei E =0Lx fließt praktisch kein Kollektorstrom I C . Mit größer werdender Beleuchtungsstärke steigt der Strom an. Die I C -Achse im Kennlinienfeld ist meistens logarithmisch eingeteilt, da sich der Kollektorstrom um mehrere Zehnerpotenzen ändert. Die Schaltgeschwindigkeiten von Fototransistoren liegen zwischen 2 m s bis 100 m s und sind damit kleiner als die der Fotodioden. Die Schaltgeschwindigkeit ist um so niedriger, je kleiner der Lastwiderstand und je größer die Amplitude des Lichtimpulses ist. Um die Lichtempfindlichkeit weiter zu erhöhen, kann der Transistor auch als Darlington-Fototransistor ausgeführt werden. 2.4 Lumineszenzdioden und Flüssigkristalle Bild XII-15 Kennlinienfeld eines Fototransistors In den lichtemittierenden Fotohalbleitern wird elektrische Energie in Strahlungsenergie umgewandelt. Das geschieht im Bereich einer dünnen pn-Sperrschicht. Hierbei wandern etwa gleich viele Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht wie Löcher von der p-Schicht in die n-Schicht. Die n-Schicht ist jedoch deutlich stärker dotiert als die p-Schicht. Dies führt dazu, daß der Strom durch die Sperrschicht fast vollständig ein Elektronenstrom ist. Die in die p-Schicht gelangenden Elektronen rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern. Dabei wird Energie frei, die je nach Ausgangsmaterial der Diode als sichtbares Licht oder als Infrarotstrahlung nach außen tritt. Technisch benutzt wird dieser Effekt in der Leuchtdiode, die auch als Lumineszenzdiode (LED = l ight e mitting d iode) bezeichnet wird. LED’s werden grundsätzlich in Durchlaßrichtung betrieben. 100 % I 80 rel 60 40 20 blue V λ pure-green green 0 400 450 500 550 600 650 λ 700 yellow orange super-red red hyper-red Bild XII-16 Spektralkennlinien und Strahlungsmaxima einiger LED’s Grundmaterial für Leuchtdioden sind Gallium-Verbindungen mit unterschiedlichen Dotierungen. Für den Bereich des sichtbaren Lichtes werden grün-, gelb-, orange-, rot- und blauleuchtende LED’s geliefert. Für den nichtsichtbaren Infrarotbereich werden verschiedene IRED ( i nfra r ed e mitting d iode) angeboten. In allen Fällen erstreckt sich das erzeugte Lichtspektrum jeweils nur über einen schmalen Bereich (monochromatische Leuchtquellen). Bild XII-16 zeigt die Strahlungsmaxima und die Spektralkennlinien einiger LED’s. TabelleXII-1 gibt eine Übersicht über die Zusammensetzung einiger LED’s mit den zugehörigen Gallium-Verbindungen und Dotierungsstoffen. Als Fremdatome dienen Zinkdampf (Zn +O), Stickstoff (N), Phosphor (P) oder Silizium (Si). In der Prinzipschaltung nach Bild XII-17 ist der zur Strombegrenzung und Spannungseinstellung erforderliche Widerstand R V enthalten. Die erzeugte Lichtstärke I V wird bei LED’s für den sichtbaren Lichtbereich meistens in Millicandela (mcd) angegeben. Sie hängt nahezu linear von der Größe des Durchlaßstroms I F ab. Für den praktischen Betrieb von LED’s ist der Zusammenhang zwischen I F und U F von Bedeutung. Kennwerte einer Leuchtdiode sind die Leuchtfläche, die Strahlungsleistung (Licht- R V D 1 U F U B Bild XII-17 LED mit Vorwiderstand
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