LDR - Fotowiderstand

LDR  – Light Dependent Resistor, steht für lichtempfindlicher Widerstand.

Ein Fotowiderstand (LDR) ist ein lichtabhängiger Halbleiterwiderstand.  Je stärker der LDR beleuchtet wird, desto geringer wird sein Widerstand.

  • zum Aufbau
  • zur Funktion

Damit eignet sich der Fotowiderstand für Messungen oder Schaltungen in denen die Beleuchtungsstärke von Interesse ist. (z.B. Lichtschranken, Dämmerungsschalter, Belichtungsmesser). Der Widerstand des LDR  kann zwischen Beleuchtung und absoluter Dunkelheit mehrere Zehnerpotenzen überstreichen. (z.B. 1 kOhm … 10 MOhm)  

Ein LDR wird an eine Stromquelle angeschlossen. Sein Widerstandswert wird bei Abdunklung und bei Beleuchtung bestimmt.

Je stärker die Beleuchtung, desto größer die Leitfähigkeit.

Je stärker die Beleuchtung, desto kleiner der Widerstand. Der Stromfluss steigt.

Aufbau LDR

Die Abbildung zeigt den wesentlichen Aufbau eines LDR. An den Anschlüssen des LDR befinden sich beidseitig kammförmige Kupferflächen. Die Kupferflächen sind voneinander isoliert, auf einer Keramikunterlage aufgebracht.  Zwischen den Kupferflächen (hier orange) befindet sich eine Halbleiterschicht (hier hellblau).  Das verwendete Halbleitermaterial ist lichtempfindlich.

Ein häufig genutztes Halbleitermaterial ist Silizium (Si).  Der Bandabstand bei Silizium beträgt 1,1 eV, d.h. dass bereits Photonen mit einer Frequenz von 240 GHz bzw. einer Wellenlänge von 1200 nm den inneren Fotoeffekt auslösen und den Widerstand des LDR beeinflussen.  Damit liegt die Absorptionskante dieses LDR bereits im infraroten Spektralbereich.

Durch Dotierungen lassen sich die spektralen Empfindlichkeiten des LDR gezielt beeinflussen.

Gängige Halbleitermaterialien für LDRs  sind Legierungen wie CdS oder CdSe.

Warum die kammförmige Anordnung?

Durch die kammförmige Anordnung wird die Fläche, an der Halbleitermaterial und Kupferschicht aufeinander treffen stark vergrößert.  Dadurch steigt die Empfindlichkeit, mit der der LDR auf Lichtveränderung reagiert. 

Das Prinzip der Oberflächenvergrößerung ist ein Erfolgsmodell aus der Natur. Du kannst es z.B. auch bei den Lungenbläschen, Darmzotten, … beobachten.

Funktion LDR

Das Funktionsprinzip des LDR beruht auf  dem inneren Fotoeffekt.  Das im LDR verwendete Halbleitermaterial ist bei Raumtemperatur schwach leitend. 

Im Kristallgitter – Modell:

Fällt Licht auf den LDR, dann wird ein Elektron aus einer Gitterbindung gelöst.  Es bleibt aber im Halbleitermaterial und steht jetzt für den Ladungstransport zur Verfügung.

Im Bänder – Modell:

Fällt Licht auf den LDR, dann wird ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben.  Die erforderliche Energie erhält das Elektron hier durch das Licht.  Die Frequenz (bzw. Wellenlänge oder Farbe) des Lichtes bestimmt dabei, ob die Bandlücke überwunden werden kann. Die Intensität des Lichtes ist dafür verantwortlich, wie viele Elektronen in das Leitungsband gehoben werden.  Es gilt also:

Je größer die Intensität des Lichtes, desto mehr Elektronen  im Leitungsband.

Je größer die Intensität des Lichtes, desto kleiner der Widerstand.

Anwendungen

LDR in einer “Dunkelschaltung”

… in Arbeit

Veränderung des Widerstandes bei Beleuchtung

Je stärker die Beleuchtung, desto geringer der Widerstand des LDR.

Da die Änderung der Widerstandes sehr groß ist, sind die Werte für Widerstand und Beleuchtung hier logarithmisch abgetragen.  Im Gegensatz zu einer linearen Skala, ist der Abstand von 1 zu 10 genau so groß, wie der Abstand von 10 zu 100 und von 100 zu 1000, … 

Logarithmische Skalen werden genutzt, wenn Werte über mehrere Zehnerpotenzen hinweg veranschaulicht werden sollen. Würdest du hier mit einer linearen Skala arbeiten, dann würde der Widerstandsbereich bis 10 kOhm bei einer Achsenlänge von 10 cm , auf einer Länge von 1 mm dargestellt werden. Die Werte könnten hier nicht abgelesen und Zusammenhänge könnten nicht erkannt werden.

Außerdem ermöglichen logarithmische Skalierungen, funktionale Zusammenhänge besser zu erkennen.

Kennlinie LDR