Projektlabor So Se 2008 Lichtsensoren Weiming Yao Mai

Projektlabor So. Se 2008 Lichtsensoren Weiming Yao Mai 2008 Betreuer: Andreas Deml

Projektlabor So. Se 2008 Gliederung 1. Aufgaben eines Lichtsensors 2. Funktionsprinzip des Lichtsensors 3. Typen von Lichtsensoren 4. Eigenschaften von Lichtsensoren 5. Beschaltung von Lichtsensoren 6. Beispielsdatenblatt 7. Zusammenfassung 09. 03. 2021 Weiming Yao 2

Projektlabor So. Se 2008 Aufgaben eines Lichtsensors • Detektieren von Lichtimpulsen • Lichtimpulse in Spannungsimpulse wandeln • Anforderungen an – – – 09. 03. 2021 Empfindlichkeit Ansprechgeschwindigkeit Eigenrauschen Geometrie und Ausmaße Zuverlässigkeit Weiming Yao 3

Projektlabor So. Se 2008 Funktionsweise eines Lichtsensors • Basierend auf dem inneren Fotoeffekt • Einstrahlendes Photon mit Energie • Paarbildung erhöht freie Ladungsträger Licht 09. 03. 2021 Lichtsensor Fotostrom Weiming Yao Schaltung Spannung 4

Projektlabor So. Se 2008 Typen von Lichtsensoren • Fotowiderstand • Fotodiode • Fototransistor 09. 03. 2021 Weiming Yao 5

Projektlabor So. Se 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 09. 03. 2021 Weiming Yao 6

Projektlabor So. Se 2008 Typen von Lichtsensoren • Fotowiderstand • Fotodiode • Fototransistor 09. 03. 2021 Weiming Yao 7

Projektlabor So. Se 2008 Typen von Lichtsensoren Fotodiode - PIN Diode • Intrinsische Schicht zwischen P- und N-Dotierung • Anlegen einer Sperrspannung hf p 09. 03. 2021 i Weiming Yao n + 8

Projektlabor So. Se 2008 Typen von Lichtsensoren Fotodiode - PIN Diode • Paarbildung bei Lichteinstrahlung • Absaugen der Ladungsträger • Kleiner Fotostrom messbar W 09. 03. 2021 Weiming Yao 9

Projektlabor So. Se 2008 Typen von Lichtsensoren Fotodiode – Lawinen-Diode • Schwach dotierte π-Schicht • Betrieb in Sperrspannung hf P+ 09. 03. 2021 π Weiming Yao p n+ + 10

Projektlabor So. Se 2008 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 09. 03. 2021 d Weiming Yao d+da x 11

Projektlabor So. Se 2008 Typen von Lichtsensoren • Fotowiderstand • Fotodiode • Fototransistor 09. 03. 2021 Weiming Yao 12

Projektlabor So. Se 2008 Typen von Lichtsensoren Fototransistor • Kollektor-Basis-Strecke als Fotodiode • Fotostrom gibt den Basisstrom • Niedrigere Geschwindigkeit B E n 09. 03. 2021 p Weiming Yao n C 13

Projektlabor So. Se 2008 Typen von Lichtsensoren Vergleich – PIN-Diode – Lawinen-Diode • Geringere Anschaffungskosten • Geringeres Rauschen 09. 03. 2021 Weiming Yao • Höhere Empfindlichkeit • Sehr temperaturabhängig • Höhere Sperrspannung 14

Projektlabor So. Se 2008 Gliederung 1. Aufgaben eines Lichtsensors 2. Funktionsprinzip des Lichtsensors 3. Typen von Lichtsensoren 4. Eigenschaften von Lichtsensoren 5. Beschaltung von Lichtsensoren 6. Beispielsdatenblatt 7. Zusammenfassung 09. 03. 2021 Weiming Yao 15

Projektlabor So. Se 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 09. 03. 2021 Cd RL Weiming Yao 16

Projektlabor So. Se 2008 Eigenschaften von Lichtsensoren Spektrale Empfindlichkeit • Empfindlichkeit variiert mit Lichtfrequenz 09. 03. 2021 Weiming Yao 17

Projektlabor So. Se 2008 Eigenschaften von Lichtsensoren Rauschen • Thermisches Rauschen • Schrotrauschen • Rauschen zwischen Kontaktflächen 09. 03. 2021 Weiming Yao 18

Projektlabor So. Se 2008 Gliederung 1. Aufgaben eines Lichtsensors 2. Funktionsprinzip des Lichtsensors 3. Typen von Lichtsensoren 4. Eigenschaften von Lichtsensoren 5. Beschaltung von Lichtsensoren 6. Beispielsdatenblatt 7. Zusammenfassung 09. 03. 2021 Weiming Yao 19

Projektlabor So. Se 2008 Beschaltung von Lichtsensoren Schaltungsvorschlag • Fotodiode als gesteuerte Stromquelle • Strom im μA-Bereich • Verstärkung mit Transimpedanzverstärker • Strom-Spannungswandler • Verstärkt linear 09. 03. 2021 Weiming Yao 20

Projektlabor So. Se 2008 Beispielsdatenblatt 09. 03. 2021 Weiming Yao 21

Projektlabor So. Se 2008 Gliederung 1. Aufgaben eines Lichtsensors 2. Funktionsprinzip des Lichtsensors 3. Typen von Lichtsensoren 4. Eigenschaften von Lichtsensoren 5. Beschaltung von Lichtsensoren 6. Beispielsdatenblatt 7. Zusammenfassung 09. 03. 2021 Weiming Yao 22

Projektlabor So. Se 2008 Zusammenfassung • Fotodiode ideal für hochfrequente Signale • Auswahl anhand spektraler Empfindlichkeit, Rauschen • Verstärkung des Fotostroms mit Transimpedanzverstärker 09. 03. 2021 Weiming Yao 23

Projektlabor So. Se 2008 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: //www 2. produktinfo. conrad. com/datenblaetter/150000174999/153005 -da-01 -ml-PIN-Photodiode_BPW 34_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/KSPDB 0133 EB_ s. jpg Stand: Mai 2008 09. 03. 2021 Weiming Yao 24