1 Überblick über die Sensorik

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350 6.6 Bipolare optische Halbleitersensore 6.6.2 Phototransistoren und -thyristoren 351
(großer Verstärkungs- oder Multiplikationsfaktor M o ). Photodioden, die nach diesem
Prinzip arbeiten, werden als Lawinenphotodioden oder APDs (avalanche photo diodes)
bezeichnet. Die Durchbruchfeldstärke läßt sich im Bereich maximaler Feldstärke
am pn-Übergang durch Anlegen hinreichend hoher Sperrspannungen erzeugen. Durch
Einfügen spezieller Schichtfolgen läßt sich der Ort des Lawinendurchbruchs auch geometrisch
festlegen (Bild 6.6.1-11). Tabelle 6.6.1-2 gibt die Leistungsdaten verschiedener
Lawinen-Photodioden an.
6.6.2 Phototransistoren und -thyristoren
In Verbindung mit einer Transistorwirkung kann das Signal von Photodioden unmittelbar
verstärkt werden. Wird die Photodiode parallel zum Basis-Kollektorübergang des
Transistors geschaltet (Bild 6.6.2-1), dann erzeugt der Photostrom I L der Diode einen
gleich großen Basisstrom, der nur dadurch aufrechterhalten werden kann, daß gleichzeitig
ein um die β−Stromverstärkung (Band 2, Abschnitt 10.2.1) vergrößerter Kollektorstrom
fließt.
Bild 6.6.2-1
Aufbau eines Phototransistors: Eine Photodiode wird parallel zum Basis-Kollektorübergang
eines bipolaren Transistors geschaltet. Bei Bestrahlung erzeugt sie einen
Photostrom I L , der wie ein Basisstrom bei Emitterschaltung wirkt, d.h. durch den
Transistor mit der Stromverstärkung β verstärkt wird.
Bild 6.6.1-11
Geometrische Festlegung des Orts für den Lawinendurchbruch im Bereich niedrig
dotierter Schichten (nach [6.2])
a) Lawinenzone mit ansteigender Feldstärke
b) Lawinenzone mit konstanter Feldstärke: Durchgreifdiode (reach through
avalanche photo diode, RAPD)
Tab. 6.6.1-2 Leistungsdaten von Lawinen-Photodioden (nach [6.4])
Die Berechnung des Kollektorstrom erfolgt ähnlich wie die Berechnung des Kollektor-
Emitterstroms bei offener Basis in Band 2, Abschnitt 10.2.1, es ergibt sich:
Die spektrale Empfindlichkeit des Phototransistors ist damit
also relativ zur Photodiode um den Faktor der β-Stromverstärkung vergrößert (Multiplikationsfaktors
M o = β). Ein Aufbau des Phototransistors wie in Bild 6.6.2-1 kann
hybrid oder integriert (Band 1, Abschnitt 4.2.2) erfolgen. Bei einem Hybridaufbau können
die Photodiode und der Transistor unabhängig voneinander optimiert werden. Einfacher
und kostengünstiger ist hingegen ein integrierter Aufbau wie in Bild 6.6.2-2: Die
Photodiode ist in den Transistor monolithisch integriert. Technologisch ist dieses in der
Siliziumtechnologie am einfachsten zu realisieren.