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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Spannung einer Fotodiode


Autor: Roemer (Gast)
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Hallo,
wenn man eine Fotodiode vor einer Lichtquelle hält und die Lichtsärke 
verändert, dann verändert sich auch die Spannung von der Fotodiode.
Wieso ist dies so?
Spannung ist ja eigentlich Energie durch Ladung (U=W/q). Die Energie in 
der Fotodiode kommt von den einfallenden Photonen, die die Elektronen in 
das Leitungsband anheben. Die Energie des Lichtes hängt von der 
Wellenlänge ab. Wenn man nun die Lichtsärke erhöht trifft mehr Licht 
ein, aber das Licht hat nicht mehr Energie.

Wieso ändert sich trotzdem die Spannung der Fotodiode?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Die Fotodiode ist eine Diode und die hat, wie jede andere Diode auch, 
eine gewisse Flusspannung, die abhängig ist vom Strom. Produziert die 
Fotodiode mehr Strom, steigt die Spannung an, wird allerdings auf die 
Diodenspannung begrenzt.
Vereinfacht ausgedrückt ist eine Fotodiode eine der Lichtmenge 
proportionale Stromquelle, parallel zu einer Diode.

Siehe auch:
http://de.wikipedia.org/wiki/Fotodiode

Autor: Roemer (Gast)
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Habe jetzt nen bisschen darüber nachgedacht, doch mir ist dies immer 
noch nicht schlüssig. Wenn mehr Licht einfällt sind mehr freie 
Elektronen auf dem Leitungsband vorhanden. Doch wieso haben diese dann 
auch mehr Energie?
 Wieso steigt die Spannung also mit der Stromstärke an?

Im Wiki steht, dass die "Ausgangsspannung [...] logarithmisch von der 
einfallenden Lichtleistung abhängig" ist. Was stimmt den nun?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Roemer (Gast)

>noch nicht schlüssig. Wenn mehr Licht einfällt sind mehr freie
>Elektronen auf dem Leitungsband vorhanden.

Ja.

> Doch wieso haben diese dann auch mehr Energie?

Haben sie doch gar nicht. Es fliesst mehr Strom durch die PhotoDIODE, 
deshalb

> Wieso steigt die Spannung also mit der Stromstärke an?
>Im Wiki steht, dass die "Ausgangsspannung [...] logarithmisch von der
>einfallenden Lichtleistung abhängig" ist. Was stimmt den nun?

steigt die Spannung logarithmisch, umgedrehte Diodenkennlinie.

Der Strom steigt linear, und das über viele Zehnerpotenzen! Allerdings 
nur im Kurzschlussbetrieb, siehe Lichtsensor / Helligkeitssensor

MFg
Falk


MfG
Falk

Autor: Janosch (Gast)
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Ist doch eigentlich ganz einfach.

Die Spannung, die an der Photodiode entsteht hängt (vorerst) nur von der 
Wellenlänge des Lichtes ab.

Dabei gilt: U*e = h*f = h*c/lambda

Diese Spannung kann mit einem wirklich hochohmigen (Ri > 10GOhm) 
Voltmeter gemessen werden. Verunreinigungen der Halbleiter sorgen dabei 
schon für geringe Verluste.

Ist die durch Lichteinstrahlung der verfügbare Strom nicht ausreichend 
hoch, so bricht die Spannung ein. Ein normales Voltmeter ist daher zur 
Messung (Ri = 10MOhm) ungeeignet.

Wird die Intensität des Lichtes erhöht, so steigt der verfügbare Strom 
und somit auch die an Ri=10MOhm messbare Spannung.
Die charakteristische Spannung (siehe oben) kann auch bei größter 
Intensität dabei nicht überschritten werden.

alles klar ?

alles klar !

Janosch

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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ich kann janosch nur zustimmen. die spannung die du misst, entsteht 
durch den  innenwiderstand der diode und des spannungsmessers und sagt 
somit nicht direkt etwas über die energie der elektronen aus. ähnlich 
wie bei photozellen kannst du die spannung nur zb über die 
gegenfeldmethode bestimmen. dabei ist der strom 0 und innenwiderstände 
des messgerätes spielen keine rolle mehr.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Ein Voltmeter mit nicht unendlichem Innenwiderstand mißt letztlich nur 
den Spannungsabfall des Fotodiodenstroms an diesem Innenwiderstand. 
Letztlich mißt du also mit einem Voltmeter einen dem Fotostrom 
proportionalen Spannungsabfall und nicht die Leerlaufspannung der 
Fotodiode.

Kai Klaas

Autor: Peter R. (pnu)
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Zunächst geht es um die Erzeugung der Ladungsträger:

Wenn ein Photon für das Material ausreichende Energie hat, erzeugt es in 
der Sperrschicht ein Ladungsträgerpaar.Langwelliges IR-Licht kann in Si 
keinen Photostrom erzeugen, da die Energie der Photonen nicht ausreicht, 
egal wie intensiv das Licht ist.  Bis zu einer Obergrenze der 
Photonenenergie, ab der sie mehrere Ladungsträger erzeugen können, gilt 
die Aussage: Die Zahl der Ladungsträger, also der Fotostrom ist 
proportional zur Lichtintensität (Je Photon ein Ladungsträgerpaar).

Spannung an der Sperrschicht entsteht dann dadurch, dass die 
entstandenen Ladungsträger an die angrenzende P- oder N-Schicht 
diffundieren. Dabei spielt die Wärmebewegung eine erhebliche Rolle, die 
die e-Funktion mit ins Spiel bringt und damit den logarithmischen 
Zusammenhang zwischen Spannung an der Sperrschicht und 
Ladungsträgermenge bedingt.

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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Peter R. schrieb:
> Zunächst geht es um die Erzeugung der Ladungsträger:
>
> Wenn ein Photon für das Material ausreichende Energie hat, erzeugt es in
> der Sperrschicht ein Ladungsträgerpaar.Langwelliges IR-Licht kann in Si
> keinen Photostrom erzeugen, da die Energie der Photonen nicht ausreicht,
> egal wie intensiv das Licht ist.  Bis zu einer Obergrenze der

natürlich können photodioden auf ir-licht reagieren. schon normale 
si-photodioden haben ihre höchste empfindichkeit bei ca 1000nm. die 
energie der photonen muss nur höher als der bandabstand sein (bei si 
1,1eV und damit nahes infrarot). bei sermanium ist der bandabstand noch 
geringer.

Autor: Peter R. (pnu)
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Frank hat geschrieben:  natürlich können Fotodioden auf IR-Licht 
reagieren ...

hab ich doch garnicht ausgeschlossen.

Ist das Licht von Glasfaser-Strecken (optische Fenster bei 1300 und 1500 
nm Wellenlänge )kein Infrarotlicht ? auf diese Wellenlänge hat sich 
meine Aussage bezüglich langwelligen Infrarotlichts bezogen.

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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Peter R. schrieb:

> Ist das Licht von Glasfaser-Strecken (optische Fenster bei 1300 und 1500
> nm Wellenlänge )kein Infrarotlicht ? auf diese Wellenlänge hat sich
> meine Aussage bezüglich langwelligen Infrarotlichts bezogen.

war leider nicht zu erkennen, aber in dem wellenlängenbereich 
funktioniert germanium (oder InGaAs.. ) und im prinzip geht das mit 
speziellen materialien bis fast 6µm nur müssen die fotodioden dann meist 
stark gekühlt werden was bei diesen wellenlängen ja eigentlich auch 
logisch ist. einmal ist ja der sperrstrom von der temperatur abhängung 
und zum anderen "sieht" eine warme fotodiode sonst ihr eigenes licht ;-) 
.

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