Drei Arten von Fotodioden und ihre Strukturen und Funktionsprinzipien

Drei Arten von Fotodioden und wie man zwischen ihnen wählt

Fotodioden sind Halbleiterbauelemente, die Licht in elektrische Signale umwandeln. Sie finden vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in Sensoren, die auf Licht reagieren oder die Lichtintensität messen, in Laser-Pickups für optische Datenträger wie DVDs und in der optischen Signalerkennung in der optischen Kommunikation. Es gibt drei Haupttypen von Fotodioden mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionsprinzipien: PN-Fotodioden, PIN-Fotodioden und Avalanche-Fotodioden (APDs). In diesem Artikel werden die Strukturen und Eigenschaften der einzelnen Typen erläutert.

Wir beginnen mit drei Schlüsselbegriffen, die bei Diskussionen über Fotodioden häufig auftauchen: Lichtempfindlichkeit, Dunkelstrom (Rauschen) und Reaktionsgeschwindigkeit.

Die Lichtempfindlichkeit gibt an, wie effizient eine Fotodiode Licht absorbieren kann, um Elektronen und Löcher zu erzeugen. Je höher die Lichtempfindlichkeit, desto größer ist der erzeugte elektrische Strom.

Dunkler Strom ist ein kleiner elektrischer Strom, der durch eine Fotodiode fließt, auch wenn kein Licht vorhanden ist. Sie wird durch natürlich vorkommende Ladungsträger (Elektronen und Löcher) durch äußere Wärme sowie durch Anregung von Elektronen durch Kristalldefekte und Verunreinigungen verursacht. Es ist notwendig, die Dunkelstromerzeugung so weit wie möglich zu unterdrücken, da sie Sensorrauschen erzeugt, das die Messgenauigkeit und -empfindlichkeit verringert.

Die Reaktionsgeschwindigkeit wird oft als das Zeitintervall von dem Punkt dargestellt, an dem Licht in eine Fotodiode eintritt, bis elektrischer Strom erzeugt wird und ausfließt.  Verschiedene Faktoren beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit, wie z. B. die Dicke der Verarmungsschicht innerhalb des Geräts, die Größe der Sperrspannung, die Bausteinfläche und die Betriebstemperatur. Da diese Faktoren die Geschwindigkeit ändern, mit der sich Elektronen im Inneren des Halbleiters bewegen, ändert sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit.

PN-Fotodioden, PIN-Fotodioden und Avalanche-Fotodioden (APDs) unterscheiden sich in ihren Eigenschaften, sodass eine anwendungsbezogene Typauswahl erforderlich ist.

Aufbau und Funktionsweise von PN-Fotodioden

Im Folgenden besprechen wir die Strukturen und Funktionsprinzipien der einzelnen Fotodiodentypen.

PN-Photodioden sind Fotodioden mit einer Grundstruktur. Sie bestehen aus einem p-Typ-Halbleiter und einem n-Halbleiter, die an beiden Enden mit Elektroden verbunden sind, ähnlich wie bei einer Photovoltaikzelle.

PN-Photodioden funktionieren wie folgt: Wenn zwei verschiedene Arten von Halbleitern zu einem PN-Halbleiter verbunden werden, bewegen sich überschüssige Elektronen vom n-Typ-Halbleiter zum p-Typ-Halbleiter, um sich mit Löchern zu verbinden. Infolgedessen wird in der Nähe des PN-Übergangs ein Bereich gebildet, der als Verarmungsschicht bezeichnet wird. In der Verarmungsschicht nimmt die n-Typ-Seite eine positive Ladung und die p-Typ-Seite eine negative Ladung auf. Das Ladungsungleichgewicht in der Verarmungsschicht erzeugt ein internes elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld ermöglicht es, dass die PN-Fotodiode ohne Anlegen externer Spannung betrieben werden kann.

Wie im obigen Diagramm zu sehen ist, erzeugt die Lichtenergie beim Eintritt von Licht in die Verarmungsschicht einer PN-Fotodiode Elektron-Loch-Paare. Aufgrund des internen elektrischen Feldes bewegen sich Elektronen auf der n-Typ-Halbleiterseite in Richtung Elektrode und Löcher auf der p-Typ-Halbleiterseite in Richtung Elektrode. Dieser Fluss von Elektronen und Löchern dauert so lange an, wie Licht eingebracht wird.

Der einfache Aufbau von PN-Fotodioden bietet die Vorteile einer einfachen Herstellung, niedriger Kosten und eines stabilen Betriebs. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist zwar niedrig, der Dunkelstrom jedoch gering. Daher werden sie häufig zur Messung der Lichtintensität eingesetzt.

Aufbau und Funktionsweise von PIN-Fotodioden

PIN-Photodioden sind Lichtdetektoren, deren Struktur gegenüber herkömmlichen PN-Photodioden verbessert ist. Wie der Name schon sagt, umfasst die Struktur eine intrinsische (i-Typ) Schicht aus reinem Halbleiter zwischen der p-Typ-Halbleiterschicht und der n-Typ-Halbleiterschicht. Dieses Design erreicht eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit und eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig niedrigem Dunkelstrom.
Bei herkömmlichen PN-Photodioden wird das Licht hauptsächlich in der schmalen Verarmungsschicht absorbiert, die sich natürlicherweise in der Nähe der Verbindungsstelle zwischen der p-Typ-Schicht und der n-Typ-Schicht bildet. Bei PIN-Fotodioden hingegen wird bewusst die breite i-Typ-Schicht eingeführt, um diese Rolle zu erfüllen. Diese i-Typ-Schicht besteht aus einem reinen Halbleiter mit wenigen Elektronen oder Löchern, wodurch sie Licht effizient absorbieren kann.

Während eine PIN-Fotodiode in Betrieb ist, wird eine Sperrspannung an die i-Typ-Schicht angelegt. Dadurch entsteht ein starkes elektrisches Feld innerhalb der i-Typ-Schicht. Wenn Licht auf die i-Typ-Schicht trifft, erzeugt Photonenenergie Elektron-Loch-Paare. Die erzeugten Elektronen und Löcher bewegen sich aufgrund des Einflusses des starken elektrischen Feldes mit hoher Geschwindigkeit. Insbesondere bewegen sich Elektronen in Richtung der Elektrode der n-Typ-Schicht und Löcher in Richtung der Elektrode der p-Typ-Schicht. Diese Hochgeschwindigkeitsbewegung erzeugt einen starken elektrischen Strom.
Die Hauptvorteile von PIN-Fotodioden sind eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit, eine hohe Empfindlichkeit und ein geringer Dunkelstrom. Die hohe Reaktionsgeschwindigkeit ist das Ergebnis der Hochgeschwindigkeitsbewegung des Trägers aufgrund des starken elektrischen Feldes, und die hohe Empfindlichkeit ist das Ergebnis einer effizienten Lichtabsorption in der dicken i-Typ-Schicht. Die geringe Trägerkonzentration der i-Typ-Schicht trägt ebenfalls zu einem niedrigen Dunkelstrom bei.

Dank dieser Eigenschaften werden PIN-Fotodioden in einer Vielzahl von Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Insbesondere spielen sie eine entscheidende Rolle in optischen Kommunikationsempfängern, die eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung erfordern, medizinischen Bildgebungsgeräten, die die Erkennung schwacher Signale erfordern, und mehr.

Aufbau und Funktionsweise von Avalanche-Photodioden (APDs)

Avalanche-Fotodiode sind Hochleistungs-Lichtdetektoren mit deutlich höherer Leistung als herkömmliche Photodioden. Ihr Hauptmerkmal ist die hohe Empfindlichkeit aufgrund des internen Photoelektronenvervielfachungseffekts. Dadurch eignen sie sich besonders gut zur Detektion schwacher Lichtsignale.
APD-Strukturen sind komplexer als herkömmliche PN- oder PIN-Fotodioden und zeichnen sich durch eine mehrschichtige Struktur aus, die hauptsächlich aus p-Typ-Halbleitern besteht. Genauer gesagt gibt es drei Schichten (p+, p- und p), von denen jede ihre eigene Funktion erfüllt. Die p+-Schicht weist eine hohe Trägerkonzentration auf, während die p-Schicht eine relativ niedrige Trägerkonzentration aufweist. Diese strukturellen Eigenschaften ermöglichen den einzigartigen Betrieb von APDs.
Das Funktionsprinzip des APD basiert auf einem Phänomen, das als Lawinenmultiplikation bekannt ist. Der Prozess läuft wie folgt ab:

1. Lichtabsorption: Die p-Schicht absorbiert Licht und erzeugt Elektron-Loch-Paare.
2. Elektronenbeschleunigung: Die erzeugten Elektronen werden durch das starke elektrische Feld in Richtung der p-Schicht beschleunigt.
3. Elektronenkollision: Beschleunigte Elektronen kollidieren mit Atomen im Halbleiter und erzeugen neue Elektron-Loch-Paare.
4. Kettenvervielfachung: Auch die entstehenden Elektronen werden wieder beschleunigt, wodurch es zu weiteren Kollisionen und der Entstehung von Elektron-Loch-Paaren kommt.
5. Elektronenlawine: Diese Kettenreaktion führt dazu, dass die Anzahl der Elektronen und Löcher lawinenartig ansteigt.

Diese Elektronenlawine ermöglicht eine extrem hohe Empfindlichkeit der APDs. Selbst schwache Lichtsignale werden deutlich verstärkt und erzeugen so starke elektrische Ströme, die detektiert werden können.
APDs benötigen zum Betrieb eine hohe Spannung. Die elektrischen Felder in jeder Schicht sind nicht gleichmäßig, und die Verdünnung der p-Typ-Schicht erzeugt einen starken elektrischen Feldgradienten in der Verarmungsschicht. Dieser starke elektrische Feldgradient ermöglicht effiziente Elektronenlawinen.

Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung spielen APDs in vielen Bereichen eine wichtige Rolle, beispielsweise in optischen Kommunikationsempfängern, bei astronomischen Beobachtungen bei schlechten Lichtverhältnissen und in wissenschaftlichen Instrumenten, die eine hohe Empfindlichkeit erfordern. Besonders bei der Erkennung schwacher Lichtsignale spielen sie ihre Stärken aus.
Der Einsatz von APDs bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich. Die komplexe Struktur und der hohe Spannungsbedarf führen zu hohen Herstellungskosten und machen sie teurer als andere Fotodiodentypen. Darüber hinaus ist für einen ordnungsgemäßen Betrieb eine fachmännische Handhabung wie Temperaturkontrolle und präzise Spannungsregelung erforderlich.

Obwohl APDs eine hohe Leistung erbringen, erfordern sie umfassendes Fachwissen und eine geeignete Betriebsumgebung. Ihre außergewöhnliche Empfindlichkeit ist jedoch für viele innovative Anwendungen unverzichtbar und trägt zur Entwicklung der optischen Ingenieurtechnologie bei.