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
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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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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
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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 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