Lichtabhängige Bauelemente

Grundlagen des Lichtes

Entstehung von Licht

Wenn ein Elektron in schnelle Schwingung gebracht wird, entsteht Licht. Dafür gibt es folgende Ursachen:
 
  • Ein Elektron wird durch Stoßionisation in eine äußere Schale gestoßen. Dabei nimmt es Energie auf. Wenn es später wieder in seine ursprüngliche Bahn zurückfällt, gibt es die aufgenommene Energie in Form von Licht wieder ab.

  •  
  • Ein freies Elektron rekombiniert in einem Halbleiter und gelangt so in eine energiemäßig tiefere Schale. Dabei verliert es Energie und gibt diese in Form von Licht ab.
  • Lichterzeugung

    Licht ist der sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung. Sie ist eine Kombination eines sehr schnell schwingenden Magnet- und Elektrischen Feldes. Die Ausbreitung findet in Form einer Welle statt.

    Das Spektrum der Elektromagnetischen Strahlung

    Elektromagnetische Wellen existieren mit Frequenzen von:

  • 1
  • bis1.104 Hz(Wechselströme)
  • 1.104
  • bis4.1010 Hz(Funkwellen)
  • 4.1010
  • bis4.1013 Hz(Mikrowellen)
  • 5.1011
  • bis5.1016 Hz(Optische Strahlen)
  • 5.1016
  • bis5.1018 Hz(Röntgen Strahlen)
  • 5.1018
  • bis5.1020 Hz(γ - Strahlen)
  • 5.1020
  • bis1.1024 Hz(Kosmische Höhenstrahlung)

    Die Ausbreitung des Lichts in Vakuum (und fast auch in Luft) erfolgt mit der Lichtgeschwindigkeit von c = 3 . 108 m/s. Die Wellenlänge λ des Lichts errechnet sich aus folgender Beziehung:

    Wellenlänge

    Daraus ergeben sich für das Licht folgende Bereiche:

    UV Strahlung Licht IR Strahlung
    Wellenlänge λ in nm (10-9m)

    10 bis 380

    380 bis 780 780 bis 106
     

    Foto-Elektrischer-Effekt

    Der Effekt läßt sich erklären, weil Licht aus einer großen Anzahl von Energieteilchen, den sogenannten Photonen besteht.

    äußerer Fotoelektrischer Effekt

    Durch das Auftreffen von Photonen auf bestimmte Metalllegierungen (Alkalimetalle) werden freie Elektronen aus der Metalloberfläche gestoßen. Dieser Effekt kann in gasgefüllten oder vakuumierten Glasröhren mit Elektrodenanschlüssen genutzt werden. Die Gasstrecke wird durch losgeschlagene Elektronen niederohmiger.

    Anwendung in sogenannten Fotozellen;

    Innerer Fotoelektrischer Effekt

    Energiereiche Photonen sind in der Lage, die Elektronenpaarbindung im Halbleiterkristall zu lösen. Dadurch entsteht ein freies Elektron und ein Loch (Ladungsträger-Paar). Der Halbleiter erhält durch Belichtung eine höhere Leitfähigkeit.

    Anwendungen als LDR, Fotodiode, Fototransistor und Solarzelle.

    Fotowiderstand (LDR)

    Allgem.: Optoelektronische Bauelemente wandeln elektromagnetische Strahlung in elektrische Signale um. Der Light Dependent Resistor ( = Fotowiderstand) nützt den inneren Fotoeffekt aus.

    Die Abhängigkeit des Bauteiles von der Bestrahlung mit unterschiedlicher Beleuchtungsstärke E kann im Messlabor nachvollzogen werden.

    Für das Widerstandsmaterial im Bereich des sichtbaren Lichts kommen hauptsächlich Verbindungshalbleiter mit unterschiedlicher Dotierung zum Einsatz.
  • Cadmiumsulfid
  • Cadmiumselenid
  • Cadmiumsulfoselenid
  • LDR Aufbau

    Vergleiche optischer Sensoren

    Halbleiter nützen den inneren Foto-Elektrischen-Effekt ähnlich wie die menschliche Netzhaut im Auge. Die "Sehleistung" der technischen Sensoren ist aber völlig unterschiedlich. Das folgende Diagramm zeigt uns wie:

    Lichtempfindlichkeit von Halbleitern

    Aus dem Diagramm kann man die Eignung einzelner Halbleiterwerkstoffe für spezielle "Sehaufgaben" (Videochip, Infrarot-Fernbedienung, Wärmebildkameras, ...) erkennen.

    Fotodiode

    Fotodiode im Querschnittt Sie besitzen zum Unterschied des LDR eine Sperrschicht und werden hauptsächlich aus Si erzeugt. Der p-n-übergang liegt so dicht unter der Oberfläche, dass das auftreffende Licht, die p-Schicht durchdringen kann. Die elektromagnetische Strahlung setzt dann in der Sperrschicht Ladungsträger frei.
    Fotostrom in Abhängigkeit der Sperrspannung Symbol und Wirkungsrichtung
    Das Diagramm zeigt den Fotostrom Ip in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke E. Die Spannung ist dabei relativ unbedeutend (Sättigungsspannung). Die Diode wird in Sperrrichtung betrieben. Der Fotostrom ist etwa proportional der Strahlungsintensität, und kann über einen Widerstand leicht in eine Spannungsänderung verändert werden.

    Solarzelle

    Solarzellen sind sehr großflächige Fotodioden. Sie sind daher geradezu spezialisiert auf die Absorbtion ( = Aufnahme) von Lichtteilchen (Photonen) in ihrer großflächigen Sperrschicht.

    Kennlinie und Wirkungsrichtung der Solarzelle

    Die Kennlinie der Solarzelle ist die einer Diode. Bei Beleuchtung rutscht die Kennlinie immer mehr in Richtung Sperrstrom, bis zum Kurzsschlussstrom ISC.

    Die Schnittpunkte der Kennlinie markieren die Zellenspannung (x - Achse) sowie den Zellenstrom (y - Achse) für eine bestimmte Beleuchtungsstärke.

    Solarzelle im Querschnitt

    Die Photonen werden im Kristallgitter absorbiert und erzeugen darin Ladungsträgerpaare (Löcher + freie Elektronen).

    Diese beginnen - durch die in der Raumladungszone herrschende Feldstärke - in der Sperrschicht in Richtung der Anschlusspole zu wandern (siehe Grafik).

    Durch ihren Abzug reduziert sich die Felstärke. Wenn die Sperrschicht abgebaut ist, wird die Leerlaufspannung der Zelle erreicht.