Grundlagen zu Siliziumdetektoren

Aufgrund des Photovoltaikeffekts können Siliziumdetektoren Lichtenergie in elektrischen Strom umwandeln. Der Grund dieses Phänomens liegt in einer kleinen Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband des Detektors. Wenn Licht mit einer Energie auf den Detektor fällt, die groß genug ist, um ein Elektron vom Valenz- ins Leitungsband anzuregen, entsteht aus der Summe aller Ladungen ein Stromfluss in einem angeschlossenen Stromkreis. Da Licht nicht die einzige Energiequelle ist, die ein Elektron anregen kann, erzeugen Detektoren auch einen Stromanteil, der nicht von dem einfallenden Licht erzeugt wurde. Zum Beispiel können Schwankungen der thermischen Energie einfach für Lichtintensitätsänderungen gehalten werden. Es sind stets verschiedene, nicht vom Licht erzeugte, Anteile vorhanden und diese machen in Summe das Rauschen des Detektors aus. Das Verhältnis des gesamten Ausgangssignals zum Rauschen wird als Signal-Rausch-Verhältnis bezeichnet und hilft einzuschätzen, ob das Rauschen zu einem Problem für eine bestimmte Anwendung wird. Rauschen ist bei der Detektorwahl sicherlich ein Hauptaspekt, es ist aber nur eines der wichtigen Merkmale eines Detektors. Einige der Hauptmerkmale von Detektoren werden weiter unten unter dem Punkt „Fachbegriffe & Definitionen“ näher erläutert.

Verschiedene Betriebsmodi

Photovoltaik (ohne Vorspannung): Während des Photovoltaikbetriebs (PV-Betriebs) wird keine externe Spannung an die Fotodiode angelegt. Da der Dunkelstrom eine Funktion der Vorspannungshöhe ist, wird im PV-Betrieb der Dunkelstrom als Rauschquelle eliminiert. In diesem Fall ist die NEP (Rauschäquivalente Leistung) geringer und es wird eine höhere Empfindlichkeit bei niedrigen Wellenlängen ermöglicht. Dies ist ideal für die Detektion schwacher Signale. Ein Nachteil ist die etwas geringere Empfindlichkeit bei höheren Wellenlängen (siehe Graph).

Fotoleitend (mit Vorspannung): Während des fotoleitenden Betriebs (PC-Betriebs) sorgt eine umgekehrte Vorspannung für einige Vorteile, wie z. B. eine schnellere Anstiegszeit. Dieser Betriebsmodus ist daher besser für Anwendungen mit hohen Frequenzen geeignet. Ein Nachteil ist hingegeben, dass der Dunkelstrom mit der angelegten Vorspannung zunimmt und so Rauschen im System entsteht.

Fachbegriffe & Definitionen

Empfindlichkeit (R): Ein Maß für die Detektoreffizienz bei der Erzeugung eines elektrischen Signals. Das Produkt aus Lichteingang (in Watt) und der Empfindlichkeit ist der Ausgang des Detektors (in Ampere). Verändert sich mit der Temperatur.

Detektivität (D): D ist ein Maß für die Detektionsfähigkeit der Fotodiode.

Kapazität (C): Sie wird auch als Sperrschichtkapazität bezeichnet und hängt mit der Anstiegszeit der Fotodiode zusammen. Je kleiner die Kapazität, desto kürzer die Anstiegszeit und umgekehrt.

Dunkelstrom (I_d): Der Strom eines Detektors bei Betrieb im Dunkeln mit angelegter umgekehrter Vorspannung. Höhere Temperatur und umgekehrte Vorspannung führen zu höherem Dunkelstrom. Außerdem haben große aktive Flächen generell einen höheren Dunkelstrom.

Durchbruchspannung (BDV): Die Spannung, ab der der Detektor sich wie ein Leiter verhält.

Rauschäquivalente Leistung (NEP): Die einfallende Lichtleistung auf einem Detektor, die benötigt wird, um ein Signal zu erzeugen, das dem Rauschen entspricht. In diesem Fall ist das Signal-Rausch-Verhältnis eins.

Anstiegszeit (T_r): Die benötigte Zeit, um den Detektorausgang von 10% auf 90% seines Endwertes zu steigern.

Sättigungsstrom (I_sat): Wert, oberhalb dessen der Ausgangsstrom 10% von der Linearität abweicht.

Shunt-Widerstand (R_sh): Der effektive Widerstand einer Fotodiode. Er stellt die Steigung der I-V-Kurve am Ursprung dar (V=0).