Eine Photodiode oder auch Fotodiode ist eine Halbleiter-Diode, die sichtbares Licht – in manchen Ausführungen auch IR-, UV- oder Röntgenstrahlen – an einem p-n-Übergang oder pin-Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt.

Sie wird unter anderem verwendet, um Licht in eine elektrische Spannung oder einen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen.

Photodioden bestehen zum Beispiel aus Silizium (für sichtbares Licht bis ca. 1 µm Wellenlänge), Germanium (für Infrarot bis etwa 1,8 µm Wellenlänge) oder anderen, inzwischen auch organischen Halbleiterdetektor-Materialien. Für einen ähnlichen Wellenlängenbereich wie den von Germanium sind Photodioden aus dem besser geeigneten Material InGaAs üblich^[1].

Photodioden können auch für den Bereich des mittleren Infrarot (Wellenlänge 5–20 µm) gefertigt werden (CdTe-, Ge:Au-Dioden). Sie müssen dann allerdings zum Beispiel mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, weil die Wärmebewegung bei Raumtemperatur ausreicht, um Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband zu heben. Dadurch wird der Dunkelstrom dieser Photodioden bei Raumtemperatur so groß, dass das zu messende Signal darin untergeht. Ein zweiter Grund für die Kühlung ist die ansonsten stattfindende Überlagerung der IR-Strahlung des Sensorgehäuses selbst.

Da Licht auf den p-n-Übergang treffen muss, befindet sich dieser hinter einer transparenten Elektrode (z. B. aus Indiumzinnoxid, kurz ITO für englisch indium tin oxide). Auch muss die obere n-Dotierungsschicht sehr dünn sein, damit das Licht nicht bereits dort absorbiert wird. Oft befindet sich vor der Photodiode zusätzlich ein lichtdurchlässiges Schutzfenster oder sie befindet sich in transparentem Vergussmaterial.

PIN-Photodioden weisen durch die intrinsische Schicht zwischen p- und n- Schicht im allgemeinen eine höhere zulässige Sperrspannung und eine geringere Sperrschichtkapazität C_S auf. Dadurch wird die Bandbreite vergrößert.

Treffen Photonen auf das Material der Diode, so werden in der Raumladungszone Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt, was zu einem Stromfluss führt, da die Ladungsträger entgegen der Diffusionsspannung aus der Raumladungszone jeweils in die gleichartig dotierten Zonen driften. Ohne externe Verbindung der Anschlüsse entsteht an diesen eine messbare Spannung gleicher Polarität wie die Durchflussspannung (Sättigung). Sind die Anschlüsse miteinander elektrisch verbunden oder befinden sie sich an einer Spannung in Sperrrichtung der Diode, fließt ein Photostrom, der proportional zum Lichteinfall ist.

Die Photonen müssen eine höhere Energie als die des Bandabstandes aufweisen, um diesen Effekt hervorzurufen (bei Silizium z. B. mehr als 1,1 eV).

Der Photostrom ist über viele Größenordnungen linear zum Lichteinfall, wenn keine Sättigung eintritt. Im Idealfall trägt jedes Lichtquant, das eine Energie besitzt, die größer als die charakteristische Energielücke (Bandabstand) des Halbleiters ist, zum Stromfluss bei. Praktisch ist der Wert jedoch kleiner und wird als Quantenausbeute bezeichnet. Die Reaktionszeit ist bei geeigneter Beschaltung sehr kurz; sie kann bis herab zu Bruchteilen einer Nanosekunde betragen.

Wenn von außen eine Spannung in Sperrrichtung der Diode angelegt wird, fließt selbst bei Dunkelheit ein kleiner Strom. Dieser Strom wird Dunkelstrom (I_D) genannt. Der Dunkelstrom hängt exponentiell von der Temperatur der Photodiode ab. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Photodioden.

Photodioden können in den folgenden drei Betriebsarten eingesetzt sein:

1. U ≥ 0, I ≤ 0, Betrieb als Photoelement
   Die Photodiode liefert elektrische Energie (Photoelement, Solarzelle). Ohne Last ist sie in Sättigung, und die Spannung strebt einem Grenzwert zu (Leerlaufspannung U_L), der wenig von der Lichtstärke abhängt. Bei steigender Belastung (R_L wird kleiner) sinkt die Spannung, und der Strom strebt seinerseits einem Grenzwert (Kurzschlussstrom I_K) zu. Am Knick dieser Kennlinie liegt Leistungsanpassung vor – der bei Photovoltaikanlagen angestrebte Arbeitspunkt (Maximum Power Point). In dieser Betriebsart ist die Photodiode relativ langsam und eignet sich nicht zur Detektion schneller Signale. Diese Schaltungsart wird zur Messung der Helligkeit, z. B. in Beleuchtungsmessgeräten (Belichtungsmesser, Luxmeter) verwendet. Im Gegensatz zum Photowiderstand ist keine externe Spannungsquelle nötig. In CCD-Sensoren ist ein großer Teil der Sensorfläche mit Photodioden ausgefüllt, wobei jede einen parallel geschalteten Kondensator auflädt. Wenn dessen gespeicherte Ladung rechtzeitig abtransportiert wird, bevor die Sättigungsspannung der Photodiode erreicht ist, ist die Ladung proportional zur Helligkeit.
2. U = 0, I ≤ 0, Betrieb im Quasi-Kurzschluss
   Wird die Photodiode im Kurzschluss betrieben, liefert sie einen über viele Größenordnungen linear von der Bestrahlungsstärke abhängigen Strom. Sie ist hierzu oft an einen Transimpedanzverstärker geschaltet – eine Schaltung, die aus dem Photostrom ein proportionales Spannungssignal erzeugt und an den Diodenanschlüssen einen virtuellen Kurzschluss bildet. Damit lassen sich Bestrahlungsstärken sehr genau messen.
3. U ≤ 0, I ≤ 0, Betrieb im Sperrbereich
   Legt man an die Photodiode eine Spannung in Sperrrichtung an, so fließt ein linear vom Licht abhängiger Sperrstrom, d. h. bei Bestrahlung leitet sie auch in Sperrrichtung. Es treten zusätzlich folgende Effekte auf:

   • die Sperrschichtkapazität C_S verringert sich mit der angelegten Spannung, so dass sich die Reaktionszeit mit steigender Spannung verringert.
   • es tritt möglicherweise ein Avalanche-Effekt auf, der den Photostrom durch Lawineneffekte verstärkt.
   • der Reststrom (Dunkelstrom I_D) steigt mit der angelegten Spannung und der Temperatur; er überlagert den Photostrom und trägt zum Rauschen bei.

Folgende Kennwerte dienen zur Beschreibung einer Photodiode (Klammerwerte: Silizium-Photodiode BP104):

• Zulässige Sperrspannung (20 Volt)
• spektrale Photoempfindlichkeit (55 nA / lx beziehungsweise bei 850 nm 0,62 A/W)
• Spektralbereich der Photoempfindlichkeit (400 bis 1100 nm)
• Quantenausbeute (0,9)
• Wellenlänge der größten Photoempfindlichkeit (800 nm)
• Größe der bestrahlungsempfindlichen Fläche (2,2 mm × 2,2 mm)
• Leerlaufspannung bei 1000 Lux (0,36 Volt)
• Kurzschlußstrom bei 1000 Lux (50 µA)
• Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Sperrspannung (2 nA bei 1 V)
• Sperrschichtkapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung (48 pF bei 0 V, 12 pF bei 10 V)
• Abhängigkeit vom Einfallswinkel (Richtcharakteristik)
• Johnson-Rauschen als rauschäquivalente Strahlungsleistung (engl. Noise Equivalent Power, kuz NEP)

• Früher baute man Belichtungsmesser mit einer großflächigen Selen-Photodiode, die direkt ein Drehspulmesswerk speiste.
• Sensoren in Digitalkameras
• Empfänger für Lichtwellenleiter
• Empfänger für Licht- und Gabellichtschranken
• Abtasteinheiten in CD-Abspielgeräten
• Sensoren in photoelektrischen Rauchmeldern
• Detektoren für Röntgenstrahlen (in Verbindung mit Szintillatoren)
• Leistungsüberwachung beim Laser
• In optischen Inkrementalgebern

Weltweite Forschungsaktivitäten konzentrieren sich insbesondere auf die Entwicklung preiswerter Solarzellen, verbesserter CCD- und CMOS-Bildsensoren sowie auf schnellere und empfindlichere Photodioden für Glasfaser-Nachrichtennetze.

Die Gehäuse von Photodioden besitzen ein transparentes Fenster oder bestehen komplett aus transparentem Kunststoff. Der Körper besitzt teilweise eine Linse oder auch eine Bohrung zur Aufnahme eines Lichtwellenleiters.

Photodioden zur Lichtmessung besitzen ein Tageslichtfilter, das die Empfindlichkeit im roten und infraroten Spektralbereich begrenzt und die Empfindlichkeitskurve an diejenige des Auges angleicht. Hingegen besitzen Photodioden zum Empfang infraroter Signale (wie in Fernbedienungen) ein Tageslicht-Sperrfilter. Sie sind zum Beispiel in dunkel eingefärbtem Kunstharz vergossen und dadurch vor Störungen durch Licht geschützt.

Die Lateraldiode ist eine spezielle Bauform einer Fotodiode, um die Position beispielsweise eine Laserstrahls zu erfassen.

• Avalanche-Photodiode (kurz APD)
• Photowiderstand (kurz LDR)
• Photodiodenzeile
• Phototransistor
• Liste elektronischer Bauteile
• Photovoltaik

1. ↑ http://sales.hamamatsu.com/de/produkte/solid-state-division/ingaas-pin-photodiode/standard-type.php