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