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ANWENDUNGSHINWEIS
Grundlagen zu Siliziumdetektoren
Aufgrund des Photovoltaikeff ekts können Siliziumdetektoren Lichtenergie in elektrischen
Strom umwandeln. Die Ursache 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 Stromfl uss 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
„Fachbegriff e & Defi nitionen“ näher erläutert.
Typische Antwortkurven von Detektoren
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 Empfi ndlichkeit bei niedrigen Wellenlängen ermöglicht. Dies ist ideal für die Detektion schwacher
Signale. Ein Nachteil ist die etwas geringere Empfi ndlichkeit 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
Empfi ndlichkeit (R): Ein Maß für die Detektoreffi zienz bei der Erzeugung eines elektrischen Signals. Das Produkt aus Lichteingang (in Watt) und der
Empfi ndlichkeit 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 (Id): 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 (Tr): Die benötigte Zeit, um den Detektorausgang von 10% auf 90% seines Endwertes zu steigern.
Sättigungsstrom (Isat): Wert, oberhalb dessen der Ausgangsstrom 10% von der Linearität abweicht.
Shunt-Widerstand (Rsh): Der eff ektive Widerstand einer Fotodiode. Er stellt die Steigung der I-V-Kurve am Ursprung dar (V=0).
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