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Photodioden

Silizium-Photodioden

Empfindlichkeit von Silizium-Photodioden

Die mit großem Abstand meisten Photodioden sind auf der Basis von Silizium hergestellt. Dadurch ergibt sich einen charakteristische Empfindlichkeitskurve mit einem Maximum bei etwa 850 nm. Bei dieser Welllenlänge wird eine Quanteneffizienz oberhalb von 0.8 erreicht. Manche Photodioden sind mit einem Filter ausgestattet, der das sichtbare Licht stark abschwächt. Zum UV hin ist die Empfindlichkeit deutlich geringer. Bei 300nm ist sie für den PN-Übergang auf etwa 1/8 des Maximalwerts abgesunken. Dazu kommen eventuell weitere Verluste durch eie Vergussmasse, oder ein Fenster.

Zu längeren Wellenlängen hin fällt die Empfindlichkeit von Siliziumphoodioden sehr schnell ab. Für Wellenlängen jenseits von 1 µm sind dann Photodioden auf der Basis von Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) besser geeignet.

BPW34

BPW34 ist eine Familie flachen Photodioden mit verglichsweise großer empfindlicher Fläche (2.5×2.5mm) . Standard-Bauteil, das in vielen Variationen und Bauformen erhältlich ist.

  • Bauform: Eingegossen wie eine LED mit 5 mm Durchmesser.
  • Photoempfindlichen Fläche: 2.5mm x 2.5mm = 6.25 mm²
  • Anstiegszeit: 100 ns
  • Kapazität: 72 pF, ohne Vorspannung
  • Beschaffung: 0.55 € bei Reichelt

Vorteil:

  • große empfindliche Fläche
  • kleine Bauhöhe

Nachteil:

  • nicht besonders schnell

Bauformen

  • BPW34 – Standardbauform, bedrahtet
  • BPW34S – SMD-Bauform
  • BPW34B – Mit im Blauen besonders transparentem Kunststoff. (30% statt 10% bei 400 nm)
  • BPW34F – Mit Tageslichtfilter. (<0.1% bei 750 nm)
  • BPW34FAS – Mit Tageslichtfilter, SMD-Bauform

Beide Bauformen kann man auch mit umgebogenen Kontakten “kopfüber” einlöten, um sie durch ein Loch in der Platine zu beleuchten.

Auf einer Seite der Siliziumfläche kann man meist einen Draht erkennen, der wie ein silberner Strich aussieht. Das ist jedoch keine Dioden-Markierung, sondern die Anschlussfläche für den Bond-Draht. Die offizielle Markierung der Kathode besteht in einem kleinen Gnubbel an einem der beiden Anschlussdrähte.

S5972

Die S5972 von Hamamatsu ist eine schnelle Silizium-Photodiode geeignet für bis zu 500 MHz.

  • Bauform: TO18
  • Die Beinchen sind auf einem Kreis mit 2.54 mm Durchmesser angeordnet. Der
  • Durchmesser der Metalldose ist 5.4 mm.
  • Der Durchmesser der photoempfindlichen Fläche ist 0.8 mm.
  • Anstiegszeit: 2 ns
  • Kapazität: 7 pF, ohne Vorspannung
  • Dunkelstrom: 0.01 nA bei 10 V Vorspannung
  • Empfindlichkeit: 0.57 A/W @ 800 nm

Nachteil:

  • Der Preis. Beschaffung bei Farnell (149 5573, 9.46 € + MwSt)

Anschlussschema:

   3= anode           (3)--|>|--(1)
   2=case          
   1=cathode               (2)

S5971

Die S5971 ist eine Variante der schnellen Hamamatsu-Detektoren, die an der infraroten Seite des Spektrums besonders empfindlich ist. Bei 950 nm macht das etwa den Faktor 2 aus. Für Wellenlängen, kürzer als etwa 750 nm unterscheidet sich die Empfindlichkeit nicht von der S5972.

  • Bauform: TO18
  • Die Beinchen sind auf einem Kreis mit 2.54 mm Durchmesser angeordnet. Der
  • Durchmesser der Metalldose ist 5.4 mm.
  • Der Durchmesser der photoempfindlichen Fläche ist 0.8 mm.
  • Anstiegszeit: 10 ns
  • Kapazität: 11 pF, ohne Vorspannung
  • Dunkelstrom: 0.07 nA bei 10 V Vorspannung
  • Empfindlichkeit: 0.63 A/W @ 900 nm

Nachteil:

  • Der Preis. Beschaffung bei Farnell (1495572 6.64 €)
  • Mehr Dunkelstrom als S5972 (0.07 nA statt 0.01 nA) und entsprechend mehr Rauschen.
  • Ein Stück langsamer als S5972 (100 MHz Cut Off Frequency statt 500 MHz)

S5973-01

Die empfindliche Fläche des Modells S5973 ist noch ein gutes Stück kleiner als bei der S5972. Das hat Vorteile und Nachteile.

  • kleinerer Durchmesser der empfindlichen Fläche – 0.4 mm
  • schneller – 1 GHz Cut Off Frequency
  • weniger Dunkelstrom – 1 pA
  • weniger Rauschen – noise equivalent power 1.5e-15 W/√Hz
  • teuer – 20 €

Außerdem kennt das Datenblatt von Hamamatsu noch die Variante S5973-2, bei der die Empfindlichkeit für blaues Licht erhöht ist. Dieses Modell ist allerdings bei den üblichen verdächtigen Elektronik-Versender nicht zu bekommen.

BPV10

Die BPV10 ist eine preiswerte, schnelle Photodiode, deren Begrenzung erst bei 250 MHz einsetzt.

  • Bauform: Eingegossen wie eine LED mit 5 mm Durchmesser.
  • Photoempfindlichen Fläche: 0.78 mm²
  • Anstiegszeit: 2.5 ns
  • Kapazität: 11 pF, ohne Vorspannung

Vorteil:

  • Der Preis: etwa 0.90 € bei Farnell, Bestnr. 146 9357, oder Digikey Bestnr. 751-1001-ND, oder Mouser Bestnr. 782-BPV10

Nachteil:

  • Durch die vergossene Bauform kann man nicht zur Kontrolle direkt auf den Chip sehen.

SFH213

Die SFH213 ist eine Alternative zur BPV10, die etwas mehr Fläche hat und im Gegenzug langsamer ist.

  • Bauform: Eingegossen wie eine LED mit 5 mm Durchmesser.
  • Photoempfindlichen Fläche: 1 mm²
  • Anstiegszeit: 5 ns
  • Kapazität: 11 pF, ohne Vorspannung

Vorteil:

  • Der Preis: 0.75 € bei Bürklin

Nachteil:

  • Durch die vergossene Bauform kann man nicht zur Kontrolle direkt auf den Chip sehen.

SFH203P

Die SFH203P ist sehr ähnlich zur SFH203. Nur ist die Form des Plastik-Form vorne flach statt abgerundet. Dadurch entfällt die Linsenwirkung und man kann direkt auf den Chip sehen.

  • Bauform: Eingegossen in einen durchsichigen Zylinder mit 5 mm Durchmesser.
  • Photoempfindlichen Fläche: 1 mm²
  • Anstiegszeit: 5 ns
  • Kapazität: 11 pF, ohne Vorspannung

Vorteil:

  • Der Preis: 0.72 € bei Bürklin

Mehrteiler

Wenn es auf dei Position ankommt, ist es häufig sinnvoll, mehre Photodioden so eng wie möglich nebeneinander anzuordnen. Für diesen Zweck gibt es Photodioden, die in Segmente unterteilt sind, die einzeln ausgelesen werden können. Mit dem kreuzweise in vier Viertel geteilten Kreis einer Quadrantenphotodiode lässt sich beipielsweise die Strahllage in zwei Dimensionen detektieren.

BPX48

Eine Photodiode mit zwei benachbarten Feldern. Sozusagen eine halbe Quadrantenphotodiode

  • Bauform: TO18
  • Empfindliche Felder: jeweils 2.0mm x 0.67mm
  • Beschaffung bei Bürklin (65 S 2700, 6.20 €)

Inga's Photodioden

Im nicht mehr ganz so nahen Infrarot, wo Siliziumdioden wegen zu langer Wellenlänge nicht mehr viel sehen, sind InGaAs Photodioden das Mittel der Wahl. Der sinnvolll nutzbare Bereich dieser Dioden beginnt etwa bei 1.0 µm und reicht meist bis 1.7 µm. Es gibt aber auch Spezialdioden, die zwischen 2.9 µnm und 3.4 µm Signal erzeugen.

InGaAs sind deutlich teurer als Silizium-Photodioden. Wobei es Dioden mit sehr kleiner, empfindlicher Fläche (0.3 mm Durchmesser) noch zu Preisen zwischen 10 und 20 EUR gibt. Der Hintergrund ist, dass diese Dioden bei der Faserkommunikation eingesetzt werden. Eine InGaAs-Diode mit 2 mm Durchmesser der aktiven Fläche kostet 400 EUR und für ein zweidimensionales Array mit 320×2456 Pixeln, sollte man 10 bis 20 kEUR im Budget einplanen. .

PT511

PT511 ist eine der Dioden für de Faserkommunikation.

  • Empfindliche Fläche: D 0.3 mm
  • Wellenlängenbereich: 900-1700 nm,
  • Empfindlichkeit: 900-1700 nm,
  • Bauform: TO46
  • Beschaffung: 15 EUR bei Roithner

LAPD-1

LAPD-1 ist bei 1 mm Durchmesser noch halbwegs bezahlbar.

  • Empfindliche Fläche: D 1.0 mm
  • Wellenlängenbereich: 900-1700 nm,
  • Bauform: TO46
  • Beschaffung: 46 EUR bei Roithner

Jenseits von blau und UV

Seit relativ kurzer Zeit sind Photodioden auf Basis von Siliziumkarbid für UV-Licht im Handel erhältlich. Bei ihnen liegt das Maximum der Empfindlichkeit bei etwa 300nm statt bei etwa 950 nm wie die Silizium-Photodioden. Für sichtbares Licht sind sie so gut wie blind.

Hersteller: SGLUX

Beschaffung: RS, Farnell, je nach Fläche zwischen 30 € und 150 €