Lichtelektrischer Effekt

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.

 

 

 

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