Ergänzung 1.13: Halbleiterfotodioden (4/4)

Elektronische Beschaltung

Die Möglichkeiten der elektronischen Beschaltung werden deutlich, wenn das Kennlinienfeld einer Fotodiode mit Widerstandsgeraden ergänzt wird.

Kennlinie einer Fotodiode mit Widerstandsgeraden

Die Kennlinien einer Fotodiode mit zunehmender Beleuchtung ϕ, ergänzt mit Widerstandsgeraden, die verschiedene Betriebsarten einer Fotodiode darstellen.

Die folgende Grafik der grundlegenden Beschaltungen erläutert die unterschiedlichen Betriebsarten.

Grundlegende Beschaltungen einer Fotodiode

a) b) c)
Die Möglichkeiten der Beschaltung einer Fotodiode.

Version a) erfordert keine externe Betriebsspannung. Die Fotodiode wird im fotovoltaischen Betrieb genutzt. Sie ist eine Stromquelle in Abhängigkeit von der Beleuchtung. Der Fotostrom erzeugt eine Spannung $U_{R}$ über dem Widerstand $R$ . Dies entspricht der roten im Ursprung beginnenden Widerstandsgeraden im Kennlinienfeld mit $R = 330 Ω$ . Statt des ohmschen Widerstands kann auch eine andere elektrische Last genutzt werden. Solarzellen arbeiten nach diesem Prinzip, wobei die Lastgerade so verläuft, dass eine größtmögliche elektrische Leistung $P = U_{R} I_{f o t o}$ gewonnen wird.

Die rote Widerstandsgerade zeigt, dass die Linearität des Ausgangssignals $U_{R}$ mit zunehmender Beleuchtung verloren geht, wenn der Durchlassstrom der Diode zum Fotostrom hinzukommt. Dies ist noch ausgeprägter für sehr große Widerstandswerte bzw. sehr kleine Diodenströme. Die gelbe Widerstandsgerade zeigt dies für $R \to \infty$ , sie liegt fast auf der Spannungsachse im Durchlassbereich. Setzt man in der Shockley-Gleichung für Fotodioden

I_{D} = I_{D, o} (e^{U_{D} / U_{T}} - 1) - I_{f o t o}

$I_{D} = 0$ und logarithmiert die Gleichung, so folgt:

U_{D} = U_{T} ln (\frac{I_{f o t o}}{I_{D, o}} + 1)

Die Spannung über der Diode ist proportional zum Logarithmus des Fotostroms und damit zur Helligkeit. Der Widerstand $R$ kann entfallen und die Diode direkt an einen hochohmigen Spannungsmesser (Multimeter, Oszilloskop) angeschlossen werden. Da der Sperrstrom $I_{D, o}$ sehr temperaturabhängig ist, ist die Schaltung für logarithmische Messungen der Helligkeit wenig geeignet.

Gleichungen ↓

Version b) nutzt eine externe positive Betriebsspannung $U_{B}$ an der Kathode. Dies entspricht der roten gestrichelten Widerstandsgeraden im Kennlinienfeld, mit $U_{B} = 4 V$ und $R = 1 k Ω$ . Bei Dunkelheit ist $I_{f o t o} = 0$ , an der Fotodiode liegt dann fast die Betriebsspannung als Sperrspannung an. Die Einschränkung folgt aus dem Sperrstrom $I_{D, o}$ , der bei Messungen schwacher Lichtsignale einen störenden und temperaturabhängigen Grundwert erzeugt. Zunehmende Beleuchtung ergibt eine zur Helligkeit proportionale Spannung $U_{R}$ .

Wie auf Seite 2 dargestellt, ist die Kapazität einer pin-Fotodiode mit einer externen Sperrspannung klein, die Schaltung eignet sich daher für die Messung hoher Lichtfrequenzen und kurzer Lichtpulse.

Version c) zielt auf die direkte Messung des Fotostroms mit einem möglichst niederohmigen Strommessgerät. Dieser Betrieb entspricht der grünen mit $R \to 0$ gekennzeichneten Geraden im Kennliniendiagramm. Wegen der höheren Kapazität der Diode ohne Sperrspannung ist die Schaltung für die Messung schneller Signale nicht geeignet. Ein großer Vorteil ist jedoch die Lage des Arbeitspunkts im Ursprung bei Dunkelheit, da hier kein Sperrstrom auftritt. So können sehr kleine Signale empfindlich gemessen werden. Einzig das Rauschen der Fotodiode bildet eine störende Größe.

Der Fotodiodenverstärker.

Die Grafik rechts zeigt einen Operationsverstärker (OP) für die Verstärkung der Fotoströme einer Fotodiode. Die Schaltung wird als Fotodiodenverstärker bezeichnet.

Die Funktion des OP ist es, die Spannungsdifferenz zwischen seinem invertierenden (-) und nichtinvertierenden (+) Eingang zu minimieren. Er regelt daher das Potenzial am invertierenden Eingang zu Null. Hierfür erzeugt er eine Ausgangsspannung U_a, die zu einem Strom durch den Widerstand R derart führt, dass die Summe der Ströme am invertierenden Eingang Null wird (Kirchhoffsche Knotenregel). Der Strom durch R wird also gleich -I_foto. Die Sperrspannung über der Fotodiode ändert sich nicht; dies ist ein Vorteil der Schaltung verglichen mit der Verwendung eines ohmschen Widerstands alleine. Wegen der Nutzung des invertierenden Eingangs hat die Ausgangsspannung $U_{a}$ im Vergleich zur oben gezeigten einfacheren Schaltung ohne OP ein umgekehrtes Vorzeichen.

Für eine Änderung der Polarität von $U_{a}$ kann die Fotodiode umgekehrt an den invertierenden Eingang des OP angeschlossen werden. Dann muss auch die Polarität der externen Spannung an der Fotodiode umgekehrt werden. Dies trifft in gleicher Weise auch auf die in der linken Spalte gezeigte einfachere Schaltung zu. Die Vorspannung der Fotodiode kann auch Null sein, was wiederum wegen des ausbleibenden Sperrstroms der Diode Messungen kleiner Helligkeiten ermöglicht, wenn der OP ein rauscharmer Typ ist.

Literatur

Ein aktueller und ausführlicher Überblick über die Physik und den Stand der Technik von Fotodioden findet sich in

Vasco D. B. Bonifácio & Rita F. Pires: Photodiodes: Principles and recent advances, Journals of Materials NanoScience, 6(2), 38-46, 2019.

Wie bei Vakuum-Fotodioden und Photomultipliern gibt es auch zu Halbleiterphotodioden informative Firmenveröffentlichungen. Hierzu gehören

mehrere Veröffentlichungen der Firma OSI Optoelectronics über Fotodioden, letzter Zugang: 24.06.2026
Hamamatsu Si photodiodes, letzter Zugang: 24.06.2026
Vishay Semiconductors: https://www.vishay.com/docs/80086/physicstechnology.pdf, letzter Zugang: 24.06.2026.

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Literatur