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  Photowiderstand und photodiode

Photowiderstand und Photodiode        1. Halbleiter allgemein: Leiter: Metalle + Metallegierungen ( sehr gute Leiteigenschaften) Nichtleiter: Isolatoren (z.B. Porzellan, Kunstoffe), Leitfähigkeit = 0 Halbleiter: Eigenschaften zwischen den beiden obigen (Silizium,Germ.)   bei Halbleitern ist der Widerstand durch äußere Umstände (Wärme + Licht) bed.   Aufbau: Germanium + Silizium haben 4 Außenelektronen (Valenzelektronen) Elektronenpaare => vollkommene Elektronenbindung, Härte festes Gitter, nur durch durch äußere Energiezufuhr aufbrechbar => eigentlich ein Isolator   Eigenleitung: trifft allerdings nur auf absoluten Nullpunkt -273oC zu bei höheren Temperaturen bricht die Kristallstruktur auf (Diode mit Fön erhitzen, Widerstand fällt von 1-2M meßbar ab) bereits bei 20oC leitbar: kleine Temperaturenerhöhungen verbes sern die Leitfähigkeit erheblich => Eigenleitung   Wärme auch durch Eigenwärme bei Stromfluß   Halbleiter in reiner Form nutzlos, da zu extrem   Dotieren oder Dopen: Beimengen von Stoffen mit 1 Valenzelektron mehr oder weniger (3, 5) in Reinsträumen: chemische und physikalische Verfahren auf 1012 ein Fremdatom, Leitfähigkeit   1.

N-Leiter: z.B. Dotierung mit Phosphor (5) und Silizium (4) jedes fünfte Valenz-Elektron von Phosphor ist frei nicht in Gitter eingebunden, für Leitung frei => Störstelle   Elektronen frei beweglich => N-Leiter nicht geladen   bei Spannung: Elektronen von Minus nach Plus   2. P-Leiter: z.B. mit Aluminium (3) und Silizium (4) Elektronenpaarbindungen, bei jeder 4.

fehlt ein Elektron Defektelektron, Loch, Störstelle   Elektron fehlt => P-Leiter nicht geladen Löcher haben Wirkung wie positive Ladung (obwohl Ladungslos) in festen Stoffen können nur Elektronenwandern, keine Rümpfe springen Elektronen, wandert Loch scheinbar in andere Richtung   => üblich: Löcher als positive Ladung anzusehen   bei Spannung: Löcher von Plus nach Minus     Energiezufuhr auch durch Licht möglich (innere Photoeffekt)   0,7 bis 1,12 eV für Elektron aus Ge oder Si aus Valenzband ind Leitungsband Photon auf Halbleiter => Elektron und Loch entsteht (Paar)   Photowiderstand (LDR) Light Depending Resistor ! brauchbare Halbleiterstoffe: Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumselenid (CdSe), Blei sulfid (PbS)   Photowiderstand: Mäanderförmige Schicht in Glaskolben eingeschmolzen   Aufbau: Beleuchtungsfläche einige cm2 (0,02-1,5)   Eigenschaften: - hoher Dunkelwiderstand, hochohmig, kaum meßbarer Strom - bei zunehmender Beleuchtung sinkt Widerstand auf 1/1000 ab Diagramm -geringe Beleuchtung setzen W sehr ab etwa proportional   - höchste Empfindlichkeit für rotes und infrarotes Licht - passives Bauelement => grundsätzlich Stromquelle (Photoelement) - relativ träge, Wechselvorgänge max. 100 bis 1000Hz (3kHz) - hoch belastbar, direkte Ansteuerung von Relais ohne Verstärker - Verlustleistung 1,05 bis 1,2 Watt - Geringe Temperaturabhängigkeit   Einsatz: - Lichtschranke (Einbruchsicherung, infrarot, Rolltreppe, Türöffner) - Fotoapparat (automatischer Belichtungsmesser)     Photodiode   Diode allgemein: PN-Übergang (Verarmungszone)     - Mitte: Ladungsausgleich, Rekombinierung, Diffusion => isolierte Schicht, keine freien Elektronen   Schwellen-, Diffusionsspannung: P-Schicht negativ, N-Schicht positiv geladen - zieht Elektronen wieder zurück => Gleichgewicht - innere Spannung von außen nicht nachweisbar - Höhe materialabhängig: Ge 0,25;Si 0,7; Se 0,6   Plus an P-Schicht und Minus an N-Schicht: - Elektronen aus N-Schicht werden über Übergang gedrückt (erst Diff.-Spannung überwinden!) => Stromndurchlässig Schleußenspannung   Minus an P-Schicht und Plus an N-Schicht: - Elektronen aus N werden vom Pluspol eingesaugt Löcher in P von Minus besetzt => keine freien Ladungsträger => Diode sperrt, Isolator - bei sehr starker Spannung: Durchschlag => Zerstörung der Diode - winziger Sperrstrom 1nA durch Minoritätsträger, normalerweise vernachlässigbar     Photodiode:   Funktion: - fällt Licht auf PN-Schicht werden Elektronen freigesetzt (innerer Photoeffekt) Sperrschicht wird abgebaut, Kristall müßte elektr. neutral sein Zuleitungen N-Leiter => UMn und UMp, bei UMp > UMn Diff. zu P unbeleuchtet, keine Spannung => UMp + UMn + Upn = 0 bei Licht, Auflösung von PN => UMp + UMn + Upn` = UF Upn' geringere Eindringtiefe hohe Absorbtion , hohe Rekombination   - Widerstand sinkt bei Beleuchtung um ein vielfaches - Stromstärke fast unabhängig von angelegter Spannung zu erst Anstieg, dann Grenzwert - Stromstärke steigt fast linear mit Beleuchtungsstärke Diagram     Material: - dotiertes Germanium oder Silber - Halbleiterschicht so dann, daß von Licht durchsetzbar - meist in lichtundurchlässigen Gehäusen mit kleiner Öffnung (oft mit noch mit Glaslinse zu Bündelung) - lichtempfindliche Schicht etwa 1mm2   Betrieb: - Anschluß im Unterschied zum Widerstand, richtungsabhängig - Betrieb: stets in Sperrichtung, sonst sowieso leitend   Eigenschaften: - geringer Dunkelstrom, hochohmig - geringere Strombelastung gegenüber Widerstand => keine direkte Ansteuerung von Relais, Verstärker nötig - geringe Verlustleistung 20 bis 100mWatt, wenig belastbar (bis 100 mikro-Ampere) - erkennbare Wechselvorgänge bis 100kHz => Datenübertragung - größte spektrale Empfindlichkeit im Infra-Rot-Bereich - Si- im sichtbaren empfindlicher als Ge-Dioden - aktives Bauelement - Temperaturabhängigkeit sehr gering - sehr kleine Bauweise (>1mm Durchmesser) => Mikroelektronik - auch als Photoelement verwendbar; mit zunehmender Beleuchtung, zunehmende Spannung (bei 100 Lux 100 bis 400 mV) Anwendung im Phototransistor   Schaltzeichen   Anwendung: - Abtasten von Filmstreifen (Tonspur) - früher Abtasten von Lochstreifen - codierte Briefverteilung (Barcodes, CD-Player) - in Verbindung mit LED: Lichtschranken, Optokoppler - Infrarot Fernbedienung - Lichtmessung - großflächige Siliziumfotodioden als Solarzellen (10%)       (C) by Florian Michahelles 1995

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