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IR-Gerätetechnik

Fotodetektoren basierend auf dem inneren Fotoeffekt

Fotodetektoren, die auf dem inneren Fotoeffekt beruhen, bestehen zum größten Teil aus Halbleitern. Im Gegensatz zum äußeren Fotoeffekt werden beim inneren Fotoeffekt keine Elektronen aus dem Fotomaterial freigesetzt. Beim Einwirken von Licht entstehen bewegliche Ladungsträger, die das Material elektronisch verändern. Das Detektormaterial wird entweder leitfähig oder es wird eine Fotospannung verursacht.

Abb.1
Animation zum inneren Fotoeffekt

Fotoleitfähigkeit

Durch die Absorption von Licht werden die Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband des Halbleitermaterials angehoben und hinterlassen dadurch im Valenzband Löcher. Sind beide Ladungsträger im elektrischen Feld beweglich, dann spricht man von der intrinsischen Fotoleitung. Findet die Elektronen-Loch-Paarbildung an einer Störstelle statt, dann ist nur eine Sorte von Ladungsträgern im elektrischen Feld beweglich und es handelt sich um die extrinsische Fotoleitung. Detektoren, die auf der Fotoleitfähigkeit beruhen, bezeichnet man als Fotoleiter oder Fotowiderstände. Beispiele für geeignete Materialien sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:

Tab.1
Materialien für Fotoleiter bzw. Fotowiderstände
IntrinsischExtrinsisch
Si Ge InSb HgCdTe PbS Si dotiert mit In Si dotiert mit Ga

Fotospannung

Detektoren, die auf dem Effekt der Fotospannung basieren, bestehen aus einem n-leitenden und einem p-leitenden Material, die an einer Fläche miteinander in Kontakt stehen. Es bildet sich ein Konzentrationsgefälle der Elektronen von der n-Schicht zur p-Schicht aus, was ein elektrisches Feld verursacht. Fällt Licht in die pn-Grenzschicht, dann werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Diese werden aufgrund des elektrischen Feldes getrennt. Die Elektronen gehen in die n-Zone und die Defektelektronen in die p-Zone, vorrausgesetzt es liegt kein äußeres elektrisches Feld an. Durch diese Ladungstrennung tritt eine Fotospannung auf. Diese Art von Detektor wird als Fotoelement bezeichnet.

Legt man von außen eine Spannung in Sperrichtung an, dann bildet sich eine Verarmungszone zwischen n- und p-Schicht aus. Es fließt nur ein sehr geringer Strom, der Widerstand ist groß. Trifft jetzt Licht auf diese Verarmungszone, dann werden Elektronen und Defektelektronen gebildet, die einen Strom erzeugen. Dieser Strom ist proportional zur einfallenden Strahlungintensität. Diese Detektoren werden als Fotodioden bezeichnet. Fotodioden bzw. Fotoelemente können auch als Fotoleiter betrieben werden. Wichtige Materialien für Fotoelemente bzw. Fotodioden sind:

  • HgCdTe
  • Si
  • InSb

Sowohl beim Fotoelement als auch bei der Fotodiode muss die Energie des einfallenden Lichtes größer sein, als die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband. Die Größe der Energielücke ist also entscheidend für die langwellige Grenze der Empfindlichkeit des Detektors. Vorteile der Fotodetektoren sind ihr einfacher Aufbau, ihre große Empfindlichkeit (ca. 100 bis 1000 mal empfindlicher als ein pyroelektrischer Detektor) und ihre Schnelligkeit. Der Nachteil dieser Detektoren liegt im eingeschränkten Spektralbereich. Um ein hohes D* (spezifische Detektivität) im mittleren Infrarot zu erreichen, wird mittels Kühlung das thermische Rauschen verringert.

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