Photodioden & Photodetektoren

Eine Photodiode kehrt das LED-Prinzip um: Statt Ladungsträger zu injizieren und Licht zu erzeugen, wird einfallendes Licht absorbiert und in einen elektrischen Strom umgewandelt. Trifft ein Photon mit ausreichender Energie (E ≥ E_g) auf den Halbleiter, wird ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband gehoben und erzeugt so ein Elektron-Loch-Paar. In der Raumladungszone eines in Sperrrichtung betriebenen pn-Übergangs trennt das dort vorhandene elektrische Feld dieses Paar sofort, bevor es rekombinieren kann – Elektron und Loch driften zu den jeweiligen Kontakten und erzeugen einen messbaren Photostrom, proportional zur einfallenden Lichtleistung.

In der einfachen pn-Diode ist die Raumladungszone jedoch sehr dünn (typisch < 1 µm), sodass der Großteil des Lichts erst tiefer im feldfreien Bulk-Material absorbiert wird, wo erzeugte Ladungsträgerpaare durch langsame Diffusion statt schnelle Drift zu den Kontakten gelangen müssen – das begrenzt sowohl Empfindlichkeit als auch Schaltgeschwindigkeit. Die pin-Photodiode löst dieses Problem, indem zwischen p- und n-Schicht eine dicke, intrinsische (undotierte) i-Schicht eingefügt wird. Das elektrische Feld liegt dadurch über eine deutlich größere Distanz (oft 10–50 µm) an, praktisch das gesamte einfallende Licht wird im feldstarken Bereich absorbiert, und die Ladungsträger driften statt zu diffundieren – das erhöht die Quantenausbeute erheblich und ermöglicht Bandbreiten im Gigahertz-Bereich.

Zwei Größen beschreiben, wie effizient eine Photodiode Licht in Strom umsetzt. Die Quantenausbeute η gibt an, welcher Anteil der einfallenden Photonen tatsächlich ein detektierbares Elektron-Loch-Paar erzeugt (Werte nahe 1 bei gut designten Bauelementen). Die praktisch relevantere Größe ist die Responsivität R = I_ph/P_opt in A/W, die den erzeugten Photostrom direkt zur eingestrahlten optischen Leistung ins Verhältnis setzt: R = η·e/(h·f) = η·λ/1240 nm (mit R in A/W und λ in nm). Eine Silicium-Photodiode erreicht bei 850 nm typischerweise R ≈ 0,5–0,6 A/W, eine InGaAs-Photodiode bei 1550 nm etwa R ≈ 0,9–1,0 A/W.

Die Responsivität ist wellenlängenabhängig und fällt oberhalb einer materialspezifischen Grenzwellenlänge (bestimmt durch die Bandlücke, λ_g ≈ 1240 nm/E_g) steil ab, da Photonen unterhalb der Bandlückenenergie nicht mehr absorbiert werden können. Zu kurzen Wellenlängen hin sinkt die Responsivität ebenfalls, da hochenergetische Photonen bereits sehr oberflächennah absorbiert werden, wo Oberflächenrekombination einen Teil der erzeugten Ladungsträger vor der Trennung wieder vernichtet. Jedes Material hat daher ein charakteristisches Responsivitätsfenster, das die nutzbare Detektionsbandbreite definiert.