Eigenschaften von Lichtsensoren - Projektlabor

Projektlabor SoSe 2008
Lichtsensoren
Weiming Yao
Mai 2008
Betreuer: Andreas Deml
Projektlabor SoSe 2008
Gliederung
16.05.2016
1.
Aufgaben eines Lichtsensors
2.
Funktionsprinzip des Lichtsensors
3.
Typen von Lichtsensoren
4.
Eigenschaften von Lichtsensoren
5.
Beschaltung von Lichtsensoren
6.
Beispielsdatenblatt
7.
Zusammenfassung
Weiming Yao
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Projektlabor SoSe 2008
Aufgaben eines Lichtsensors
• Detektieren von Lichtimpulsen
• Lichtimpulse in Spannungsimpulse wandeln
• Anforderungen an
–
–
–
–
–
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Empfindlichkeit
Ansprechgeschwindigkeit
Eigenrauschen
Geometrie und Ausmaße
Zuverlässigkeit
Weiming Yao
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Funktionsweise eines Lichtsensors
• Basierend auf dem inneren Fotoeffekt
• Einstrahlendes Photon mit Energie
• Paarbildung erhöht freie Ladungsträger
Licht
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Lichtsensor
Fotostrom
Weiming Yao
Schaltung
Spannung
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Projektlabor SoSe 2008
Typen von Lichtsensoren
• Fotowiderstand
• Fotodiode
• Fototransistor
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Projektlabor SoSe 2008
Typen von Lichtsensoren
Fotowiderstand
• Besteht aus einem Halbleitermaterial (meist intrinsisch)
• Photon mit genug Energie erzeugt Elektron/Loch
• Steigerung der Leitfähigkeit -> geringerer Widerstand
• Träges Reaktionsvermögen
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Weiming Yao
6
Projektlabor SoSe 2008
Typen von Lichtsensoren
• Fotowiderstand
• Fotodiode
• Fototransistor
16.05.2016
Weiming Yao
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Projektlabor SoSe 2008
Typen von Lichtsensoren
Fotodiode - PIN Diode
• Intrinsische Schicht zwischen P- und N-Dotierung
• Anlegen einer Sperrspannung
hf
p
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i
Weiming Yao
n
+
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Projektlabor SoSe 2008
Typen von Lichtsensoren
Fotodiode - PIN Diode
• Paarbildung bei Lichteinstrahlung
• Absaugen der Ladungsträger
• Kleiner Fotostrom messbar
W
+
-
hf
WL
+
hf
+
W
V
Elektronen
-diffusion
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Driftstrecke
Weiming Yao
Löcherdiffusion
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Projektlabor SoSe 2008
Typen von Lichtsensoren
Fotodiode – Lawinen-Diode
• Schwach dotierte π-Schicht
• Betrieb in Sperrspannung
hf
P+
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π
Weiming Yao
p
n+
+
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Typen von Lichtsensoren
Fotodiode – Lawinen-Diode
• Generation von Elektron und Loch im π-Bereich
• Starker Anstieg des elektrischen Feldes zum n+Bereich -> Lawinenmultiplikation
Em
Lawinenzone
hf
+
+-
Driftzone
0
d
d+d
x
a
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Weiming Yao
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Projektlabor SoSe 2008
Typen von Lichtsensoren
• Fotowiderstand
• Fotodiode
• Fototransistor
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Weiming Yao
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Typen von Lichtsensoren
Fototransistor
• Kollektor-Basis-Strecke als Fotodiode
• Fotostrom gibt den Basisstrom
• Niedrigere Geschwindigkeit
B
E
n
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p
Weiming Yao
n
C
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Typen von Lichtsensoren
Vergleich
– PIN-Diode
– Lawinen-Diode
• Geringere
Anschaffungskosten
• Geringeres Rauschen
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• Höhere Empfindlichkeit
• Sehr temperaturabhängig
• Höhere Sperrspannung
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Gliederung
16.05.2016
1.
Aufgaben eines Lichtsensors
2.
Funktionsprinzip des Lichtsensors
3.
Typen von Lichtsensoren
4.
Eigenschaften von Lichtsensoren
5.
Beschaltung von Lichtsensoren
6.
Beispielsdatenblatt
7.
Zusammenfassung
Weiming Yao
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Projektlabor SoSe 2008
Eigenschaften von Lichtsensoren
Frequenzverhalten
• Geschwindigkeit der Detektion ist endlich
• abhängig von
– Minoritätsträgerlebensdauer
– Laufzeit in der Generationszone
– Sperrschichtkapazität
• Außerdem abhängig von Diodenimpedanz und Last
Rs
Iph
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Cd
RL
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Eigenschaften von Lichtsensoren
Spektrale Empfindlichkeit
• Empfindlichkeit variiert mit Lichtfrequenz
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Eigenschaften von Lichtsensoren
Rauschen
• Thermisches Rauschen
• Schrotrauschen
• Rauschen zwischen Kontaktflächen
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Gliederung
16.05.2016
1.
Aufgaben eines Lichtsensors
2.
Funktionsprinzip des Lichtsensors
3.
Typen von Lichtsensoren
4.
Eigenschaften von Lichtsensoren
5.
Beschaltung von Lichtsensoren
6.
Beispielsdatenblatt
7.
Zusammenfassung
Weiming Yao
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Projektlabor SoSe 2008
Beschaltung von Lichtsensoren
Schaltungsvorschlag
• Fotodiode als gesteuerte Stromquelle
• Strom im μA-Bereich
• Verstärkung mit Transimpedanzverstärker
• Strom-Spannungswandler
• Verstärkt linear
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Beispielsdatenblatt
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Weiming Yao
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Gliederung
16.05.2016
1.
Aufgaben eines Lichtsensors
2.
Funktionsprinzip des Lichtsensors
3.
Typen von Lichtsensoren
4.
Eigenschaften von Lichtsensoren
5.
Beschaltung von Lichtsensoren
6.
Beispielsdatenblatt
7.
Zusammenfassung
Weiming Yao
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Projektlabor SoSe 2008
Zusammenfassung
• Fotodiode ideal für hochfrequente Signale
• Auswahl anhand spektraler Empfindlichkeit, Rauschen
• Verstärkung des Fotostroms mit
Transimpedanzverstärker
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Quellen
Literatur
[1] D. Wood, Optoelectronic Semiconductor Devices
Prentice Hall International Hertfordshire 1998, Seiten 249-378
[2] G. Grau, W. Freude, Optische Nachrichtentechnik,
Springer Verlag Berlin 1991, Seiten 229-256/316-323
[3] W. Harth, H. Grothe, Sende- und Empfangsdioden für die Optische
Nachrichtentechnik, Teubner Stuttgart 1984, Seiten 154-183
Abbildungen
– http://www2.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/150000174999/153005-da-01-ml-PIN-Photodiode_BPW34_de-en.pdf
– http://news.thomasnet.com/images/large/026/26955.jpg
– http://www.tu-berlin.de/fileadmin/Aperto_design/img/logo_01.gif
– http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/image/KSPDB0133EB_
s.jpg
Stand: Mai 2008
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