Lichtsensoren

Projektlabor SoSe 2008

Weiming Yao

Mai 2008

Betreuer: Andreas Deml

Lichtsensoren

Projektlabor SoSe 2008

1. Aufgaben eines Lichtsensors

2. Funktionsprinzip des Lichtsensors

3. Typen von Lichtsensoren

4. Eigenschaften von Lichtsensoren

5. Beschaltung von Lichtsensoren

6. Beispielsdatenblatt

7. Zusammenfassung

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Gliederung

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• Detektieren von Lichtimpulsen

• Lichtimpulse in Spannungsimpulse wandeln

• Anforderungen an – Empfindlichkeit– Ansprechgeschwindigkeit– Eigenrauschen– Geometrie und Ausmaße– Zuverlässigkeit

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Aufgaben eines Lichtsensors

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• Basierend auf dem inneren Fotoeffekt

• Einstrahlendes Photon mit Energie

• Paarbildung erhöht freie Ladungsträger

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Funktionsweise eines Lichtsensors

LichtsensorLichtsensor SchaltungSchaltungLichtLicht FotostromFotostrom SpannungSpannung

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• Fotowiderstand

• Fotodiode

• Fototransistor

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Typen von Lichtsensoren

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• Besteht aus einem Halbleitermaterial (meist intrinsisch)

• Photon mit genug Energie erzeugt Elektron/Loch

• Steigerung der Leitfähigkeit -> geringerer Widerstand

• Träges Reaktionsvermögen

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Typen von LichtsensorenFotowiderstand

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• Fotowiderstand

• Fotodiode

• Fototransistor

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Typen von Lichtsensoren

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Typen von LichtsensorenFotodiode - PIN Diode

• Intrinsische Schicht zwischen P- und N-Dotierung

• Anlegen einer Sperrspannung

-

p i n +hf

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Typen von LichtsensorenFotodiode - PIN Diode

• Paarbildung bei Lichteinstrahlung

• Absaugen der Ladungsträger

• Kleiner Fotostrom messbar

W

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Typen von LichtsensorenFotodiode – Lawinen-Diode

P+ π n+ +hf

p

• Schwach dotierte π-Schicht

• Betrieb in Sperrspannung

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Typen von LichtsensorenFotodiode – Lawinen-Diode

• Generation von Elektron und Loch im π-Bereich

• Starker Anstieg des elektrischen Feldes zum n+-Bereich

-> Lawinenmultiplikation

0 d d+da

Lawinenzone

---

+

Driftzone

+

hf

Em

x

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• Fotowiderstand

• Fotodiode

• Fototransistor

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Typen von Lichtsensoren

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Typen von LichtsensorenFototransistor

• Kollektor-Basis-Strecke als Fotodiode

• Fotostrom gibt den Basisstrom

• Niedrigere Geschwindigkeit

n p n CE

B

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– PIN-Diode• Geringere

Anschaffungskosten• Geringeres Rauschen

– Lawinen-Diode• Höhere Empfindlichkeit• Sehr temperaturabhängig• Höhere Sperrspannung

Typen von Lichtsensoren

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Vergleich

Projektlabor SoSe 2008

1. Aufgaben eines Lichtsensors

2. Funktionsprinzip des Lichtsensors

3. Typen von Lichtsensoren

4. Eigenschaften von Lichtsensoren

5. Beschaltung von Lichtsensoren

6. Beispielsdatenblatt

7. Zusammenfassung

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Gliederung

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Eigenschaften von LichtsensorenFrequenzverhalten

• Geschwindigkeit der Detektion ist endlich

• abhängig von

– Minoritätsträgerlebensdauer

– Laufzeit in der Generationszone

– Sperrschichtkapazität

• Außerdem abhängig von Diodenimpedanz und Last

IphCd

Rs

RL

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Eigenschaften von LichtsensorenSpektrale Empfindlichkeit

• Empfindlichkeit variiert mit Lichtfrequenz

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Eigenschaften von LichtsensorenRauschen

• Thermisches Rauschen

• Schrotrauschen

• Rauschen zwischen Kontaktflächen

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1. Aufgaben eines Lichtsensors

2. Funktionsprinzip des Lichtsensors

3. Typen von Lichtsensoren

4. Eigenschaften von Lichtsensoren

5. Beschaltung von Lichtsensoren

6. Beispielsdatenblatt

7. Zusammenfassung

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Gliederung

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• Fotodiode als gesteuerte Stromquelle

• Strom im μA-Bereich

• Verstärkung mit Transimpedanzverstärker

• Strom-Spannungswandler

• Verstärkt linear

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Beschaltung von LichtsensorenSchaltungsvorschlag

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Beispielsdatenblatt

Projektlabor SoSe 2008

1. Aufgaben eines Lichtsensors

2. Funktionsprinzip des Lichtsensors

3. Typen von Lichtsensoren

4. Eigenschaften von Lichtsensoren

5. Beschaltung von Lichtsensoren

6. Beispielsdatenblatt

7. Zusammenfassung

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Gliederung

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• Fotodiode ideal für hochfrequente Signale

• Auswahl anhand spektraler Empfindlichkeit, Rauschen

• Verstärkung des Fotostroms mit

Transimpedanzverstärker

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Zusammenfassung

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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/150000-174999/153005-

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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Quellen