Quadrantenfotodioden

Quadrantenfotodioden sind lichtempfindliche Halbleiterbauelemente, die aus vier in einem Monolithen integrierten Photodiodenquadranten bestehen. Sie wandeln eine räumlich verteilte Lichtintensität in vier elektrische Signale um und dienen als schnelle Positionserkennungssensoren in der Optoelektronik.

Aufbau und Funktionsweise: Die vier Quadranten bilden eine gängige Anordnung für Siliziumphotodioden, meist als PIN- oder Kontaktphotodiode realisiert. Auf jeder Fläche entsteht ein Photostrom, der proportional zur lokalen Lichtstärke ist. Die Ströme werden oft über Transimpedanzverstärker verstärkt und an eine Auswerteeinheit weitergegeben. Die Bauform ermöglicht kompakte Sensoren mit hoher Bandbreite.

Positionsermittlung: Aus den vier Strömen I1, I2, I3, I4 ergibt sich der Gesamtstrom It = I1 + I2 + I3 + I4. Die räumliche Lage des Lichtspots lässt sich näherungsweise durch x = (I_R − I_L) / It und y = (I_T − I_B) / It bestimmen, wobei rechts/links bzw. oben/unten positive Richtungen angeben. Zur besseren Linearität sind oft Kalibrierungskurven oder normalisierte Auswertungen vorgesehen.

Eigenschaften und Anwendungen: Quadrantenfotodioden zeichnen sich durch hohe Reaktionsgeschwindigkeit, geringe Baugröße und gute Linearität um das Zentrum aus. Sie eignen sich gut für Laserstrahlführung, Feinpositionierung, Faserkopplung und automatische Fokus- bzw. Alignments in Mess- und Regelungssystemen. Typische Spektren: Silizium-QPDs arbeiten im sichtbaren bis nahen Infrarot.

Herausforderungen: Nichtlinearitäten nahe den Kanten, Temperaturabhängigkeit und Crosstalk zwischen Quadranten erfordern Kalibrierung und geeignete Beschaltung.