Für die elektrische Stromdichte j in einem Material gilt:
j = q+ v+ n+ + q- v-
n-
q: Ladung der Ladungsträger
v: Geschwindigkeit der Ladungsträger
n: Dichte der Ladungsträger
Beim lichtelektrischen Effekt wird die Vergrößerung von n± bei
Lichteinfall ausgenutzt. Materialien mit geringen Ladungsträgerdichten n±
(Ee =0) bei der Bestrahlungsstärke Ee =0 und großen
Trägerdichten n± (Ee) bei der Bestrahlungsstärke Ee >0 ergeben eine hohe Photoempfindlichkeit:
2.2. Äußerer lichtelektrischer Effekt
Beim äußeren lichtelektrischen Effekt treten bei Lichteinfall von einer
Metalloberfläche Elektronen aus. Ein Photon der Energie E = h ν wird von einem Elektron der Photokathode K absorbiert. Damit das Elektron
die Oberfläche verlassen kann, ist ein Arbeitsaufwand erforderlich, die Ablöse-
oder Austrittsarbeit W. Sie ist charakteristisch für das Kathodenmaterial:
Wplatin
= 5,36 eV
Wcäsium
= 1,94 eV
Das Elektron verlässt daher die Oberfläche mit der kinetischen Energie:
=hν-W
2.3. Innerer lichtelektrischer Effekt
Bei Lichteinfall werden Elektronenübergänge - zwischen Valenz- und Leitungsband
und - von und nach Störstellenniveaus innerhalb der verbotenen Zone erzeugt.
2.3.1. Photowiderstand (LDR: light dependent resistor)
Der Photowiderstand ist ein homogener Halbleiter (also ohne Sperrschicht)
mit geringer Dotierung.
Trotz geringer Ladungsträgerdichte erreicht man eine große
Photoempfindlichkeit bei solchen Materialien, bei denen die
Rekombinationswahrscheinlichkeit klein ist (CdS). Ein Photowiderstand verhält
sich insofern wie ein ohmscher Widerstand, als sein Widerstandswert nicht von
der angelegten Spannung abhängig ist, auch nicht von deren Polarität. Man kann
das anhand des Bändermodells verstehen. Die I-U-Kennlinie ist daher
näherungsweise eine Gerade. Dagegen ändert der Photowiderstand seinen
Widerstandswert R ph bei Lichteinfall mit
und sein Hell/Dunkel-Widerstandsverhältnis kann 6 Zehnerpotenzen betragen.
2.3.2. Photodiode
Sie besitzt, anders als der Photowiderstand, einen pn-Übergang.
Physikalisch unterscheiden sie sich vom Photoelement und einer Solarzelle (vgl.
3.3.3) zunächst unwesentlich; ihre Bezeichnung wird im Kennlinienfeld durch die
Betriebsart des pn-Übergangs deutlich.
III. Quadrant: Photodiode, Sperrbetrieb
IV. Quadrant: Photoelement, Solarzelle
Ohne Beleuchtung zeigt die Photodiode das Verhalten einer einfachen Diode.
Bei Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung steigt der Strom exponentiell
an. Bei Polung in Sperrichtung fließt ein kleiner, im Idealfall konstanter
Strom. (Sperrspannungssättigungsstrom IS ). Zusätzliche
Belichtung erzeugt einen Photostrom Iph .
Zur Lichtmessung wird die Abhängigkeit des Sperrstroms von der
Beleuchtungsstärke ausgenutzt. Der bereits ohne Lichteinfall vorhandene
Dunkelstrom ID stammt von den thermisch
erzeugten Minoritätsträgern. Bei Lichteinfall setzt sich der Gesamtstrom IGes durch den pn-Übergang aus zwei Anteilen
zusammen:
Bei Beleuchtung werden durch die Photonen zusätzliche Elektron-Loch Paare
erzeugt. Die Paare, die im Raumladungsgebiet entstehen, werden durch das dort
herrschende elektrische Feld sofort abgesaugt, und zwar die Löcher zur p-, die
Elektronen zur n-Seite hin (Driftstrom: IDrift ). Die Paare, die im übrigen Gebiet
entstehen, müssen erst in die Raumladungszone diffundieren, um dort getrennt zu
werden (Diffusionsstrom IDiffusion ). Rekombinieren Sie vorher, tragen Sie nichts zum Photostrom Iph = IDrift + IDiffusion bei.